王 磊 何晉秋

(武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)

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基于通用化的船舶監(jiān)控裝置設計*

王 磊 何晉秋

(武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064)

隨著船舶自動化程度的不斷提高,針對船舶系統(tǒng)監(jiān)控裝置的技術特點,設計了基于通用化設計思想的船舶監(jiān)控裝置,詳細介紹了監(jiān)控裝置的組成、硬件設計和軟件設計,可以實現(xiàn)多類型、多通道信號的采集處理和控制,有效解決了設備型號多、資源浪費、維修不便的問題,并已成功應用到船舶上。

船舶系統(tǒng); 通用化; 監(jiān)控裝置; CAN

Class Number TP393

1 引言

隨著船舶技術的發(fā)展,其通用化程度、自動化程度以及可靠性等重要技術指標得到不斷提高。但隨著專業(yè)分工的細化,受傳統(tǒng)格局的制約,各個船舶分系統(tǒng)各自為政,這種各系統(tǒng)自成體系的模式為當時歷史時期的系統(tǒng)研制和管理帶來了方便,但是,隨著船舶標準化、維修性要求的不斷提高,這種各自為戰(zhàn)的模式越來越體現(xiàn)出缺點和不足：一是船舶分系統(tǒng)較多引起的監(jiān)控裝置型號較多；二是由于監(jiān)控裝置型號較多帶來的維修不方便。

根據(jù)具體分系統(tǒng)的要求,很多同類型監(jiān)控裝置性能指標可能有所不同,但分系統(tǒng)的具體原理區(qū)別不大,從監(jiān)控的角度來看甚至沒有區(qū)別。深入分析各分系統(tǒng)的功能和結構,綜合考慮其監(jiān)控技術需求,研制可適應于不同分系統(tǒng)的通用化監(jiān)控裝置,是解決監(jiān)測裝置類型多、維修不便等問題的有效途徑。

通用化監(jiān)控裝置是指同一類不同規(guī)格或不同分系統(tǒng)中,用途相同的裝置,經(jīng)過統(tǒng)一以后,可以彼此互換的一種標準監(jiān)控裝置。顯然,通用化要以互換性為前提,主要有兩層含義,即尺寸互換性和功能互換性。

采用通用化的設計思想,通過頂層優(yōu)化設計,建立一種構架合理、擴展性強、接口標準、配置靈活的監(jiān)控裝置,可縮短各分系統(tǒng)研制周期,減少工作量,避免了重復設計,同時可為后期維修帶來很大方便,提高了設計效率和質(zhì)量。

2 功能

基于通用化設計的船舶監(jiān)控裝置主要實現(xiàn)以下功能：

1) 采集功能：多測點、多類型參數(shù)是船舶系統(tǒng)參數(shù)的主要特點。該裝置主要采集船舶系統(tǒng)的模擬量和數(shù)字量信號。

2) 顯示功能：在友好的人機界面上實時顯示被監(jiān)測參數(shù)值和系統(tǒng)重要設備的運行狀態(tài)參數(shù)。

3) 數(shù)據(jù)通信功能：通過設計CAN總線、RS422總線接口,實現(xiàn)監(jiān)控裝置與船舶總線的數(shù)據(jù)通信。

圖1 功能模塊組成

4) 控制輸出功能：根據(jù)系統(tǒng)指標要求,實現(xiàn)系統(tǒng)設備的電動控制。

根據(jù)監(jiān)控裝置的功能需求,將監(jiān)控裝置的基本功能模塊劃分為中央處理單元、測量模塊、通信模塊、控制輸出模塊、人機交互模塊、顯示輸出模塊及集成電源模塊。

3 硬件通用化設計

監(jiān)控裝置需測量轉(zhuǎn)換的輸入信號種類多,且不同種類又有不同的數(shù)量。盡管如此,由于所選用的傳感器主要采用4mA～20mA直流電流和0V～5V電壓信號,觸點信號主要為無源和有源觸點,所以可以實現(xiàn)電路通用化設計。

一塊通用測量模塊具有11路模擬量信號輸入通道、3路總線通訊(2路CAN和1路RS422)接口、1路以太網(wǎng)通信接口、44路開關量單端輸入口(帶光電隔離)、16路開關量雙端輸入口(帶光電隔離)、16路開關量單端輸出口、10路開關量雙端輸出口(帶光電隔離)、3個八段數(shù)碼管段驅(qū)動通道、12組數(shù)碼管(每組3個八段數(shù)碼管)掃描驅(qū)動通道。根據(jù)硬件設置,測量模塊可以實現(xiàn)16種功能方式。

1) 模擬量信號通用采樣電路

模擬量信號輸入通道共11路,每路模擬量信號通道將輸入的4mA～20mA電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號(I/V變換),經(jīng)隔離處理、差動放大后,送入帶11路模擬輸入和串行控制器的A/D轉(zhuǎn)換器(12位)。A/D轉(zhuǎn)換器將11路模擬量輸入信號變換成數(shù)字信號后,以串行方式發(fā)送給單片機。

圖2 模擬量采樣電路

圖3 開關量采集電路

2) 開關量信號通用采集電路

44路開關量單端輸入口通過光耦采集44個無源開關的狀態(tài),16路開關量雙端輸入口通過光耦采集16個有源開關的狀態(tài),開關導通時光耦導通并輸出低電平,開關斷開時光耦截止并輸出高電平；60路電平信號經(jīng)8個8位移位寄存器轉(zhuǎn)換成串行信號后發(fā)送到單片機。

3) 模塊功能選擇電路

單片機通過采集I/O口RA0～RA3的狀態(tài)來確定輸入信號的種類,RA0～RA3的狀態(tài)可通過短接連接器選擇不同的短接點來確定,采用BCD碼設置方式,共可設置16種功能。單片機根據(jù)輸入信號種類運行相應的信號處理程序并通過通用測量板上發(fā)光二極管循環(huán)閃爍的閃爍次數(shù)區(qū)分不同的信號處理程序。

4) 總線通訊接口電路

工業(yè)控制現(xiàn)場總線的種類很多,在船舶控制領域廣泛應用的通信方式主要是RS422/485、CAN總線及工業(yè)以太網(wǎng)方式,因此每個通用模塊設計2路CAN總線、1路RS422及1路以太網(wǎng)接口,實現(xiàn)監(jiān)控裝置內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)通信。其中,CAN總線和RS422接口電路如圖4所示。

圖4 模塊功能方式選擇電路

圖5 通訊接口電路

5) 控制輸出電路

根據(jù)以為應用經(jīng)驗,控制輸出通道數(shù)量較測量通道要少,因此根據(jù)控制對象主要是開關控制,研制了通用的控制輸出模塊,各個輸出通道均進行光耦隔離。

4 軟件通用化設計

在監(jiān)控裝置軟件設計中,也充分考慮通用化設計思想。整個監(jiān)控裝置的程序由一個主程序和若干個功能子程序組成,還有一個中斷子程序。一個子程序?qū)环N設備功能,可由用戶設置來確定。程序組成圖如圖7所示。

圖6 控制輸出電路

圖7 軟件組成圖

軟件設計為一個通用測量軟件,通過測量模塊上跳線設置來選擇當前運行的子程序。軟件固化在測量模塊單片機的程序存儲器中,上電后自動運行。程序中根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換芯片采集的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波、去抖處理,并根據(jù)零點和斜率進行數(shù)據(jù)處理,最后變換成顯示值送到面板顯示。流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

在數(shù)據(jù)處理程序中,需要對輸入模擬量進行數(shù)據(jù)處理,才能變換成顯示值送到面板上進行顯示。由于被測量對象基本上是線性的,所以在軟件中采用兩點確定一條直線原理來確定被測量值。直線的表達式為

y=kx+b

其中：y是顯示值；x是輸入測量歸一化后的值；k是斜率；b是偏移量。

為了計算出斜率與偏移量,需要兩組輸入值和顯示值來列舉方程組。設兩組對應關系為：(x1,y1),(x2,y2),其中前者為低點,后者為高點；得出方程組：

y1=kx1+b

y2=kx2+b

得出斜率與偏移量的計算公式為：

k=(y2-y1)/(x2-x1)

b=y1-((y2-y1)/(x2-x1))×x1

在進行數(shù)據(jù)處理過程中,通過將輸入的模擬量的低點(或零位)和高點(或最大顯示值)帶入上述公式進行換算,便可以實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的斜率和偏移量的設定(或調(diào)節(jié))。

5 結語

通用化是船舶系統(tǒng)設備發(fā)展的大趨勢,監(jiān)控裝置作為船舶設備的重要類型,有效解決了設備型號多、資源浪費、維修不便的問題。通過對通用化概念的分析,針對監(jiān)控裝置的具體設計,在通用化、標準化上做了深入的工作,對測量、通信等硬件,以及軟件初步做到了通用特性的實現(xiàn),各項功能和性能滿足船舶分系統(tǒng)的使用要求,對于船舶系統(tǒng)其它設備的研制、設計有著重要的參考價值。

[1] 魏麟.通用航空飛行數(shù)據(jù)采集技術初探[J].中國民航飛行學院學報,2011,22(3):5-7.

[2] 周明光,晏衛(wèi)東,焦利.艦載武器試驗數(shù)據(jù)采集與實時處理系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機,1998(5):54-56.

[3] 侯磬光.對艦船機艙監(jiān)控裝置“三化”的看法[J].機電設備,2000(4):35-37.

[4] 張圣弢.現(xiàn)代船舶監(jiān)測和報警系統(tǒng)的研究[D].大連:大連海事大學,2010:32-34.

[5] 胡佳文.船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)設計[D].杭州:浙江大學,2011:23-26.

[6] 張旭,郭晨.船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)[J].計算機工程與應用,2005(22):229-232.

[7] 周劍敏,王捷.基于AIS數(shù)據(jù)的智能船舶動態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].上海海事大學學報,2009,30(4):26-29.

[8] 張偉.基于CAN總線的船舶集中監(jiān)測報警系統(tǒng)[J].交通科技,2013(4):140-142.

[9] 賈延林.模塊化設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993:90-119.

[10] Wang Chun H, Gunnion Andrew J. Optimum shapes of scarf repairs[J]. Composites: Part A,2009,40:1407-1418.

Design of Ship Monitoring Equipment Based on Generality

WANG Lei HE Jinqiu

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064)

With the development of the ship automatization, focusing on the technic-characteristics of the ship monitoring equipment, this paper introduces ship monitoring equipment on the generalized idea, and introduces the compose, design of hardware and software of the equipment. The equipment can manage and control many types and channels signals at the same time, and solve the problem of lots of types, waste of resources and repair inconvenience. It has been used in one ship.

ship system, generality, monitoring equipment, CAN

2014年7月10日,

2014年8月29日

王磊,男,碩士,工程師,研究方向:船舶控制技術。何晉秋,女,高級工程師,研究方向:船舶電氣控制。

TP393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.038