基于ARM的航标终端设计方案

航标是航行标志的简称，是指示航道方向、界限与碍航物的标志，为船舶的安全航行提供了基本保障。航标终端通过测量航标灯的工作状态（电压、电流、可用灯泡数、闪光周期、位置信息等参数），再将这些状态信息以数据报的形式在CPU的控制下通过公共通讯网发送回航标监控中心。同时，监控中心也可以对航标进行远程遥控。这样，就能使得当代的航道建设趋于数字化、信息化。以下是一种基于ARM的航标终端设计方案。

一、系统总体设计

航标终端是一个电源适应能力强、抗干扰能力强、功耗低、集成模数转换的SOC（System On Chip）系统。为了使其更加灵活高效，本方案采用了双CPU架构设计。系统主控制器负责主要的数据处理和通信任务，而从控制器则负责一些辅助参数的检测和接口预留。

1. 主控芯片型号及其在设计中的作用

主控制器采用NXP（恩智浦）公司的32位Cortex-M3内核嵌入式微处理器LPC1769。LPC1769是一款高性能的ARM微控制器，具有丰富的外设接口和强大的处理能力，非常适合用于复杂的嵌入式系统设计。

• 型号：LPC1769

• 作用：

• 负责与监控中心的GPRS/GSM通信，实现数据的实时传输。

• 读取GPS信号并进行前差分处理，获取航标的准确位置信息。

• 本地数据的存储，用于保存航标灯的运行参数和历史数据。

• RS-232/485扩展通信，提供与其他外设的通信接口。

• 模拟量检测，包括电压、电流等参数的测量。

• 与从CPU通信，实现数据交互和系统远程升级。

从控制器采用NXP公司的32位Cortex-M0内核嵌入式微处理器LPC1114。LPC1114是一款低功耗、高性能的微控制器，适用于对功耗要求较高的应用场景。

• 型号：LPC1114

• 作用：

• 负责灯质、倾角/撞击和环境温度等参数的检测，提供航标灯的详细运行状态信息。

• 预留其他通信接口，方便后续的功能扩展。

2. 其他关键组件

• A/D转换器：用于检测电压和电流，将模拟信号转换为数字信号进行处理。

• 64K E2PROM：保存配置数据、历史数据等，确保数据的持久性。

• 串口：串口0用于系统升级和调试，串口2用于GPRS/GSM模块通信，串口3用于GPS数据通信，串口1提供RS-232/485接口，与其他外设通信。

• 电源管理：采用3片高效率、低压差的线性稳压电源（LDO）分时工作，实现系统电源的高效管理。其中，监控主系统和GPS各采用一片TPS77533供电，将航标灯电池上6.4V的电压降到监控系统所需的3.3V电压。为了提高系统的稳定性，采用一片大功率的线性稳压电源NCP630对GPRS模块单独供电。

二、硬件设计

1. 模拟量测量电路

模拟量测量包括航标灯、电池、太阳能板等的电压、电流测量。电压直接通过滤波电路送入A/D转换器进行处理，电流的测量则通过电流传感器将电流转换成电压量并滤波后送入A/D转换器。

2. 电源设计

电源设计采用3片高效率、低压差的线性稳压电源（LDO）分时工作，实现系统电源的高效管理。其中，TPS77533是一款高效率、低压差线性稳压集成电路，具有外围电路简单、电压转换效率高（最高可达92%）、输入电压范围宽、使用稳定可靠等特点，适用于绝大多数工作电压范围的航标灯使用。由于通信模块在GPRS发射时的瞬间电流可高达2A/3.8V，为了提高系统的稳定性，采用一片大功率的线性稳压电源NCP630对GPRS模块单独供电，配合大电容蓄能滤波电路，给GPRS提供充足的能量。

3. 数据采集电路

航标遥测遥控终端上电后，由终端的数据采集电路开始工作，采集航标灯的各个工作状态，包括电源的动态电压、静态电压、充电电压、动态电流、充电电流、运行灯质等。为降低RTU系统的功耗，采集电路以一定的时间间隔进行工作（可设置），每次每个参数测量至少10次，然后取平均值作为本时刻的数据，并将这些数据和存储的中心设置参数（阀值）进行比较，判断航标灯是否出现异常情况，如果异常，则由ARM主系统申请进行报警处理。

三、软件设计

1. 嵌入式软件结构

终端嵌入式软件分为核心总控模块、通信模块、定位模块、A/D检测模块、灯质和姿态撞击测量等独立模块以及电源管理模块。总控模块与电源模块协同工作，自带看门狗，能自动检测、自动重启，其他模块出现异常时会自动报警，并且可独立工作，出现故障时不影响其他模块工作。

2. 数据传输与通信协议

在ARM主系统得到航标运行参数和航标位置参数后，按照规定的数据协议和GSM协议、GPRS协议，进行消息编码，由GSM/GPRS模块实现数据发送。系统采用GPRS实时传输（主）和SMS短消息（辅）两种通信方式，主辅通信方式通过科学组合、自动适应、自动切换，采用抗干扰和过滤设计。传送数据时采用无应答时重发，GPRS不成功转为短消息传送，短消息不成功重启通信模块重新发送，在限时内不成功自动保存，等待网络恢复时补发。

3. 报警处理与异常检测

采集电路采集到的数据会与存储的中心设置参数（阀值）进行比较，判断航标灯是否出现异常情况。如果异常，则由ARM主系统申请进行报警处理。当GPS模块没有关机时，可对浮标的位置持续测量及报警判断；当GSM模块没有关机时，监控中心可以随时查询其实时状态。

四、功能实现

在航标遥测遥控系统的控制下，以低功耗的条件实现了航标灯灯质的检测、碰撞检测、差分定位、远程控制等功能。

1. 灯质检测

通过从CPU（LPC1114）对航标灯的灯质进行检测，包括闪光周期、亮度等参数，确保航标灯的正常工作。

2. 碰撞检测

通过从CPU（LPC1114）对航标的倾角/撞击进行检测，当航标受到撞击时，能够及时发现并报警，确保航标的安全。

3. 差分定位

通过读取GPS信号并进行前差分处理，获取航标的准确位置信息，实现航标的差分定位。

4. 远程控制

监控中心可以通过GPRS/GSM通信对航标进行远程遥控，包括调整航标灯的闪光周期、亮度等参数，以及接收航标的实时状态信息。

五、总结

本方案采用基于ARM的双CPU架构设计，实现了航标终端的遥测遥控功能。通过测量和控制航标灯的工作状态参数，以及实现与监控中心的远程通信，为船舶的安全航行提供了基本保障。同时，本方案还具有电源适应能力强、抗干扰能力强、功耗低等优点，适用于现代数字航道系统的建设。未来，随着技术的不断发展，航标终端的功能和性能将得到进一步提升，为航道建设和管理提供更加可靠的技术支持。