基于DSP的AUV推进系统设计

摘 要 基于DSP单片机和CAN总线，设计了一种AUV推进系统，包含系统架构设计，硬件电路设计和驱动软件设计，依靠DSP的高主频、高运算能力，CAN总线的可靠性和实行性，最终达到AUV推进系统在水下作业的稳定要求。

【关键词】DSP CAN总线 推进系统

1 引言

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是作为一种潜水设备和运载工具供人类利用海洋的过程中，在一般潜水技术不可到达的深度或环境下进行综合考察完成多种作业任务。AUV推进系统负责AUV在水下的推进和方向控制，水下环境复杂多样，因此设计一套安全可靠的推进系统，确保AUV具备高稳定性、高推进效率、高机动性等特点，成为AUV设计中的一个关键问题。DSP性能强劲，拥有高主频、高运算的能力，并且具有强大的控制和信号处理能力，能够完成复杂的控制算法，实现更高精度的处理任务，在运动控制领域应用广泛。

2 系统架构设计

如图1所示系统架构框图，AUV上层核心主控电脑将电机转速和舵机偏角等控制指令通过CAN总线传到DSP，DSP接收到指令分解后，推进指令通过串口传输到电机驱动器，驱动电机带动螺旋桨旋转，航向指令通过PWM传输到舵机，带动舵片偏转。

3 硬件电路设计

3.1 CAN总线通信模块

DSP与AUV上层核心主控电脑信息传输采用CAN总线通信的方式，CAN总线通信是串行总线通信协议，具有很高的可靠性和实时性，通信速率最高1M比特率，通信距离最远10km，广泛用于汽车内部各模块通信。此模块CAN总线通信收发芯片采用TI公司的SN65HVD230，具备良好的抗干扰能力和较高通信速率，需要注意的是：通信时，在CANH和CANL节点之间需要加一个120欧姆的匹配电阻，否则通信指令会有乱码或通信不成功。

3.2 串口通信模块

此AUV系统直流无刷电机驱动器采用美国copley公司生产的ACM-090-24，能提供的持续电流是12A，峰值电流24A，用以驱动额定功率250W，额定扭矩3N/m的直流无刷电机，电机驱动器内部已集成驱动电路、电压电流检测电路，与外部通信接口是串口通信，所以通过DSP的串口模块与其通信，电机驱动器的RS232串口的RXD、TXD需要电平转换芯片MAX3232才能接到DSP的引脚上。

3.3 PWM模块

控制AUV航向的舵机内部集成舵机驱动电路，DSP将航向指令由PWM进到舵机的信号调制芯片进行调制，得到偏置电压，芯片内部产生周期20毫秒，宽度为1.5毫秒的基准电压，偏置电压和基准电压比较获得的电压差输出到驱动芯片决定舵机正反转，反馈电位计输出一个电压信号到控制电路板进行负反馈，当电压差为零时，舵机达到预期的转动位置停止转动。因为DSP的端口驱动能力有限，所以PWM模块需要相应的驱动电路，驱动芯片采用74hc245，其是典型的CMOS型三态缓冲门电路、八路信号收发器。PWM1、PWM2、PWM3、PWM4分别控制上下左右四个舵机。

4 驱动软件设计

如图2所示系统软件设计流程图，DSP在接收到来自主控电脑的命令后将指令分解，当控制命令是电机指令时，通过串口发送给电机驱动器，电机驱动器将接收到的串口数据处理生成相应的信号发送给电机。而电机实时的运行参数如电压、电流、转速等以串口的方式发送给DSP，最后通过CAN总线发送到主控电脑。当控制命令是舵机指令时，通过PWM发送给舵机，舵机在执行相应的命令之后将转动的角度反馈到DSP中，经过运动控制算法的调节达到预期的旋转角度，保证舵片的精确转动。当电机或舵机出现故障时，主动将报警信息回传给DSP，DSP通过CAN总线上传到主控电脑进行应急处理，由此形成一个实时、稳定的闭环系统。

5 结语

本文介绍了一种基于DSP的AUV推进系统整体设计，包含硬件电路设计、驱动软件设计，整个AUV推进系统构成闭环系统，具备实时性好、稳定性高的特点，满足AUV在水下执行任务的要求。将DSP移植到UCOS-II中，进一步提高系统的实时性，是下一步研究的重点。

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作者单位

中国海洋大学信息科学与工程学院 山东省青岛市 266100