0 引言

　　航標是航行標志的簡稱，是指示航道方向、界限與礙航物的標志，為船舶的安全航行提供了基本保障。航標終端通過測量航標燈工作狀態（電壓、電流、可用燈泡數、閃光周期、位置信息等參數），再將這些狀態信息以數據報的形式在CPU的控制下通過公共通訊網發送回航標監控中心。同時，監控中心也可以對航標進行遠程遙控。這樣，就能使得當代的航道建設趨于數字化、信息化。

　　1.系統總體設計

　　航標終端需要測量和控制的對象參數主要有電壓、電流、燈質、日光值等，既有模擬量又有數字量。終端必須是一個電源適應能力強、抗干擾能力強、功耗低、集成模數轉換的SOC（System On Chip）系統。本航標終端采用主、從雙CPU結構。系統主控制器采用NXP（恩智浦）公司的32位Cortex-M3內核嵌入式微處理器 LPC1769，負責與監控中心的GPRS/GSM通信、GPS信號的讀取與前差分處理、本地數據的存儲、RS-232/485擴展通信、模擬量檢測、與從CPU通信及系統遠程升級等工作，并預留其他通信接口；從CPU采用NXP公司的32位Cortex-M0內核嵌入式微處理器LPC1114，負責燈質、傾角/撞擊和環境溫度等參數的檢測并預留其他通信接口。基于ARM的航標終端系統框架如圖1示。

　　圖1中，A/D用于檢測電壓和電流；從CPU負責燈質、傾角/撞擊、溫度的測量及預留接口；64K E2PROM保存配置數據、歷史數據等；串口0用于在系統升級和調試，串口2用于GPRS/GSM模塊通訊，串口3用于GPS數據的通訊，串口1用于提供一個RS-232/485接口，和其他外設通訊。

　　2.主要模塊硬件電路設計

　　2.1 A/D測量電路

　　模擬量測量包括航標燈、電池、太陽能板等的電壓、電流。電壓直接通過濾波電路送入A/D轉換器進行處理。電流的測量則通過電流傳感器將電流轉換成電壓量并濾波后送入A/D轉換器。電路如圖2所示。

　　2.2 電源控制

　　電源設計上采用3片高效率、低壓差的線性穩壓電源（LDO）分時工作來實現系統電源的高效管理。其中，監控主系統和GPS各采用一片TPS77533供電，把航標燈電池上6.4V的電壓降到監控系統所需要的3.3V電壓。TPS77533是美國TI公司生產的一款高效率、低壓差線性穩壓集成電路，具有外圍電路簡單、電壓轉換效率高（最高可達92%）、輸入電壓范圍寬、使用穩定可靠等特點，適用于絕大多數工作電壓范圍的航標燈的使用。由于通信模塊在 GPRS發射時的瞬間電流可高達2A/3.8V，因此，為了提高系統的穩定性，防止各模塊之間的影響和干擾，本系統采用一片大功率的線性穩壓電源 NCP630對GPRS模塊單獨供電，配合大電容蓄能濾波電路（多個電容并聯實現）方式，給GPRS提供充足的能量。NCP630是安森美公司的一款大電流、高效率、低壓差線性穩壓集成電路，其最大輸出電流可達3A，最高電壓轉換效率90%，配合多個大電容的并聯，可以給GPRS模塊提供充足的能量，保證在GPRS的發射瞬間不會因電流過大而拉低模塊電壓，導致GPRS工作不穩定。電源控制電路的結構圖如圖3所示。

　　3.航標遙測

　　航標遙測遙控終端上電后，由終端的數據采集電路開始工作，采集航標燈的各個工作狀態，包括電源的動態電壓、靜態電壓、充電電壓、動態電流、充電電流、運行燈質等等。

　　為降低RTU系統的功耗，采集電路是以一定的時間間隔進行工作（可設置），每次每個參數測量至少 10次，然后取平均值作為本時刻的數據，并將這些數據和存儲的中心設置參數（閥值）進行比較，判斷航標燈是否出現異常情況，如果異常，則由ARM主系統申請進行報警處理。在ARM主系統得到航標運行參數和航標位置參數后，按照規定的數據協議和GSM協議、GPRS協議，進行消息編碼，由GSM/GPRS模塊實現數據發送。系統采用GPRS實時傳輸（主）和SMS短消息（輔）兩種通信方式，主輔通信方式通過科學組合、自動適應、自動切換，采用抗干擾和過濾設計。傳送數據時采用無應答時重發，GPRS不成功轉為短消息傳送，短消息不成功重啟通信模塊重新發送，在限時內不成功自動保存，等待網絡恢復時補發。

　　對于處理較為復雜和實時性要求高的閃光燈燈質測量、加速度撞擊測量時，先由從 CPU（LPC1114）先進行預處理后再交由主CPU（LPC1769），這樣可以保證當高性能的主CPU處于低頻省電休眠時也不會降低航標終端監測的實時性和報警的及時性，保證在終端處于休眠時也能在線監測航標燈的狀態、工作參數、撞擊情況、充電和電池情況，出現異常和超限時馬上觸發報警處理。當 GPS模塊沒有關機時可對浮標的位置持續測量及報警判斷；當GSM模塊沒有關機時，監控中心可以隨時查詢其實時狀態。

　　4.嵌入式軟件設計

　　終端嵌入式軟件分為核心總控模塊、通信模塊、定位模塊、A/D檢測模塊、燈質和姿態撞擊測量等獨立模塊以及電源管理模塊。總控模塊與電源模塊協同工作，自帶看門狗，能自動檢測、自動重啟，其它模塊出現異常時會自動報警，并且可獨立工作，出現故障時不影響別的模塊工作。主程序流程如圖4所示。

　　5.結束語

　　本文提出了一種基于ARM的航標終端設計方案，為了使終端更加靈活高效的工作，本方案采用了雙CPU架構設計。在航標遙測遙控系統的控制下，以低功耗的條件實現了航標燈燈質的檢測、碰撞檢測、差分定位、遠程控制等功能，對于建設現代數字航道系統具有重要的作用。