張澤宇，楊明國

電力推進系統(tǒng)面板控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

張澤宇1，楊明國2

(1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064; 2. 海軍駐七一二研究所軍代室，武漢 430064）

本文介紹了一套基于ARM內(nèi)核的面板控制器的設(shè)計。本文采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的ST公司的STM32系列微控制處理器完成與船舶操縱面板的接口設(shè)計，作為船舶監(jiān)控系統(tǒng)中操縱面板的中心樞紐，具有集成度高、安全可靠、智能化、小型化等特點。

面板控制器 ARM 監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

隨著船舶電力推進技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，現(xiàn)代化船舶監(jiān)控系統(tǒng)朝著小型化、智能化的方向發(fā)展，電力推進系統(tǒng)船舶中操縱面板作為監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，操縱面板作為最直觀的可視化設(shè)備具有操縱性好、直觀智能的特點，面板控制器作為船舶監(jiān)控系統(tǒng)中操縱面板的核心，具有集成度高、安全可靠、智能化、小型化的特點。

1 駕控臺面板控制器整體框架設(shè)計

船舶駕控臺采用按鍵開關(guān)實現(xiàn)控制指令的輸入、采用LED燈指示監(jiān)控系統(tǒng)的相應(yīng)狀態(tài)，然后控制指令及監(jiān)控狀態(tài)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳遞給相應(yīng)的設(shè)備或接受相應(yīng)的設(shè)備的反饋。因此整個面板控制器按照功能可分為三大模塊：模擬信號處理模塊、數(shù)字信號處理模塊以及通訊模塊。

數(shù)字信號處理模塊完成數(shù)字信號的輸入輸出處理功能。輸入數(shù)字信號主要是指控制各設(shè)備的按鈕開關(guān)，輸出信號主要是指驅(qū)動LED 燈的電壓信號。

模擬信號處理模塊完成模擬信號的實時采集與實現(xiàn)顯示，模擬輸入信號主要是車種的輸入信號，輸出信號主要是駕控臺相關(guān)儀表（如轉(zhuǎn)速表和功率表）的顯示。

通信模塊包括一路CAN總線通信和兩路 RS-232通信，其中CAN通訊完成與監(jiān)控系統(tǒng)其他設(shè)備的通信，RS232通信完成與駕控臺液晶屏的通信。

后面將根據(jù)總體框架設(shè)計中的功能和接口，分別從硬件和軟件兩個方面闡述相關(guān)的設(shè)計。

2 面板控制器的硬件設(shè)計

2.1 ARM內(nèi)核微控制器

STM32F103系列微控制器基于超低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核，時鐘頻率最高可達72MHz，搭載有TIMER、ADC、DAC等眾多外設(shè)，支持SPI、IIC、CAN等總線傳輸，該系列處理器具有高性能、低成本、低功耗的特點[1]。

2.2 模擬信號采集與處理

在駕控臺中，模擬輸入信號為車鐘的輸入信號，主要模擬輸出信號為儀表（如轉(zhuǎn)速表、功率表等）。其中模擬輸入信號還可以包括駕控臺或駕駛室內(nèi)溫度、濕度等傳感器的模擬信號。

在本文中對駕控臺車鐘的輸入信號設(shè)定為0-5V。由于STM32F103控制器的ADC模塊對模擬信號采樣的電平標準基于芯片REF端參考電壓的選擇（最高為3.3 V），在本文中我們選擇使用輸出電壓為2.5 V的電壓基準芯片，因此輸入的模擬信號必須經(jīng)過一級調(diào)理電路才能輸入到CPU的ADC模塊中。OP07作為常用的低功耗、高精度運算放大器得到了我們的青睞，模擬信號的調(diào)理電路起信號轉(zhuǎn)換，低通濾波的作用[2]。具體的設(shè)計電路如下：

電壓基準芯片選用TI公司的REF5025，其具有低噪聲、低漂移、高精度的特點[3]。具體電路圖如圖2所示，當輸入為+5 V時輸出為2.5 V，紋波在幾十mV以內(nèi)。

在圖3中，0～5 V的輸入模擬信號通過比例運放電路之后，模擬信號線性變化為0-2.5 V，同時 R85與C68 構(gòu)成一個低通濾波器，抑制一部分高頻噪聲。經(jīng)過測試，模擬信號在經(jīng)運算放大電路前后電平呈線性變化，在輸入端為5 V 的時候，輸出電壓值為最高VREF，當輸入端為0 V時，輸出電壓值為0 V。

STM32F103芯片的ADC外設(shè)為12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，測量范圍為0～2.5 V，完全滿足我們的日常需要。同時該芯片還搭載有雙通道10位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可用于駕控臺儀表的驅(qū)動信號。

由于駕控臺儀表中功率表驅(qū)動信號為±20 mA，而芯片的模擬輸出信號為電壓信號，所以需要進行電壓電流轉(zhuǎn)換，這里我們選用TI公司的電壓電流轉(zhuǎn)換器XTR111。XTR111作為精密的電壓電流轉(zhuǎn)換器大量應(yīng)用于0～20 mA和4～20 mA電路設(shè)計，其非線性度為0.002%，精確度高達0.015%[4]。在電路中，輸入電壓范圍為0～12 V，R61串聯(lián)于輸出端，起限流保護的作用。在實際應(yīng)用中，為增加電路的驅(qū)動能力，往往會在輸出端加入電壓跟隨電路。

2.3 開關(guān)量輸入輸出電路

開關(guān)量輸入通道用于各種開關(guān)和指示燈的開關(guān)狀態(tài)。出于減少現(xiàn)場干擾和對微控制器的保護，輸入回路采用光耦隔離，使現(xiàn)場和控制器實現(xiàn)電氣隔離，保持控制器工作的可靠性。輸入接口的電路圖如圖5所示，R86為限流電阻，R89和C57組成一階濾波電路，防止外部干擾進入系統(tǒng)，D10為輸入信號指示燈，若輸入為高電平，則燈亮，反之則滅。

開關(guān)量輸出通道用于指示燈的指示。輸出回來同樣采用光耦隔離電路，使現(xiàn)場與控制器實現(xiàn)電氣隔離，保證控制器工作的可靠性。輸出接口的電路圖如圖6所示，DOUT1為單路輸出通道，TLP521為光耦隔離器，D12作為輸出信號指示燈若輸出為高電平，則燈亮，反之則滅。

2.4 操縱面板控制器實物圖

圖7為操縱面板控制器實物，目前正進行全面的系統(tǒng)測試，未來可用在船舶電力推進系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)中，配合各類操縱面板使用。

3 面板控制器的軟件設(shè)計

以硬件為基礎(chǔ)，面板控制器有了正常工作的基礎(chǔ)和條件，但要使其正常而有效的工作，還需要軟件的配合。軟件設(shè)計最主要有兩部分，一部分為相應(yīng)的控制算法，一部分為相應(yīng)的接口底層代碼。在這里我們將軟件程序劃分為以下幾個部分：

1）系統(tǒng)初始化：設(shè)置CPU及外設(shè)初始狀態(tài)；

2）接口代碼：模擬量采集、數(shù)字信號處理；

3）控制算法：完成控制流程和邏輯運算。

在具體實施中程序設(shè)計劃分為以下幾步[5]：

1）設(shè)計規(guī)劃：將設(shè)計對象劃分為若干個主要功能部分，分塊處理；

2）流程圖處理：根據(jù)具體工作要求，確定軟件的各個功能模塊并根據(jù)要求畫出流程圖；

3）定義單片機外設(shè)：作為單片機外設(shè)的驅(qū)動，方便邏輯程序調(diào)用；

4）優(yōu)化算法：優(yōu)化算法增強處理器的運算時間；

5）編寫程序：使用前面的算法和流程圖編寫軟件并進行調(diào)試。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于ARM內(nèi)核的面板控制器。控制器采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的ST公司的STM32系列微控制處理器作為CPU處理器，通過對外圍電路的設(shè)計完成與船舶操縱面板的接口設(shè)計，作為船舶監(jiān)控系統(tǒng)中操縱面板的中心樞紐，具有集成度高、安全可靠、智能化、小型化等特點。

[1] 劉波文. ARM Cortex-M3應(yīng)用開發(fā)實例詳解[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2011，（02）: 3-5.

[2] 王鈺, 潘士斌, 王卉. 數(shù)據(jù)采集中IIC的應(yīng)用[J]. 科技廣場, 2008，(08): 72-74.

[3] Texas Instruments Inc. F5025 datasheet, 2007.

[4] Texas Instruments Inc. XTR111 datasheet, 2010.

[5] Thomas A. Dimensions of microstrip coupled lines and interdigital structures [J]. IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, 1977：405-410.

Design of Panel Controller for Electric Propulsion System

Zhang Zeyu1, Yang Mingguo2

(1.Wuhan Institue of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064 ,China; 2. Naval Representatives Office in WIMEP , Wuhan 430064, China)

TP274

A

1003-4862（2014）11-0056-03

2014-04-10

張澤宇（1989-），男，助理工程師。研究方向：船舶監(jiān)控系統(tǒng)。