劉冬森

（安徽省阜陽市地方海事局，安徽 阜陽 236000 ）

總線式船用應(yīng)急車鐘設(shè)計

劉冬森

（安徽省阜陽市地方海事局，安徽 阜陽 236000 ）

船用電子應(yīng)急車鐘是船上駕駛室主控車令控制器的備份控制設(shè)備。在應(yīng)急情況下，通過相應(yīng)按鈕或選擇開關(guān)操作向“機艙”和“集控室”發(fā)送用車指令，保證船舶正常行駛。應(yīng)急車鐘由發(fā)送器，復(fù)示器和接收器三部分組成。具有駕駛室、集控室和機艙三地傳遞顯示車鐘命令、報警等功能。系統(tǒng)以單片機為控制核心，發(fā)送器、復(fù)示器和接收器間采用CAN總線通訊，具有配置靈活和比老式車鐘的電纜芯線少、節(jié)約造船費用等優(yōu)點。

應(yīng)急車鐘 單片機 CAN總線

0 引言

當(dāng)前制造的船舶設(shè)備大都采用了自動化的控制手段。計算機技術(shù)的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，為船舶自動化開辟了更廣泛的發(fā)展領(lǐng)域，采用微機控制的系統(tǒng)成為一種必然的發(fā)展趨勢。船用車鐘作為船舶操縱信號設(shè)備，是船舶主機遙控系統(tǒng)的主要組成部分，是現(xiàn)代化船舶機艙必不可少的設(shè)備之一，應(yīng)急車鐘是船舶主車鐘的冗余設(shè)備，用于船舶駕駛室、集控室、機艙三地間的通信和聯(lián)系。當(dāng)船舶遇到特殊緊急情況，如主控車令控制器損壞或失靈等情況，就得啟動應(yīng)急車令的通信，以實現(xiàn)由“駕駛控制室”向“機艙”和“集控室”等多個控制部位的相互間通信，使船舶免于失控，能正常安全行駛。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體機構(gòu)

系統(tǒng)由駕駛臺發(fā)送器，集控室以及機艙的復(fù)示器、接收器三個獨立的單元組成，在集控室操作面板上轉(zhuǎn)換開關(guān)進行復(fù)示器與接收器的切換，各個單元都由單片機控制，由單片機內(nèi)嵌的CAN控制器（MultiCAN）通過CAN總線相連，同時駕駛室的發(fā)送器通過RS485總線連接著VDR（航行參數(shù)記錄儀），各單元再分別由24 V電源供電。

系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的主要功能

系統(tǒng)設(shè)計有正車全速、正車半速、正車慢速、正車微速、停車、備車、完車、倒車微速、倒車慢速、倒車半速、倒車全速11個檔位來指示主機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。通過車鐘系統(tǒng)各單元面板上的各種按鍵，依靠聲、光信號來進行船舶航行工況指令或部位轉(zhuǎn)換指令的傳遞和應(yīng)答。車令從一個車鐘發(fā)送器(當(dāng)前發(fā)令單元)傳送到所選定的車鐘接收器(接收單元) 在車鐘發(fā)送器上操作某一欲發(fā)指令的相應(yīng)按鍵時，車鐘系統(tǒng)中所有單元面板上的對應(yīng)指示燈閃光，被取代的指示燈熄滅，并在所選定的車鐘接收器和發(fā)令器上發(fā)出聲響信號。應(yīng)答信號只能在被選定的接收單元上進行。應(yīng)答的方法是按壓所選定的接收單元面板上的閃亮指示燈所對應(yīng)的按鍵。應(yīng)答后，所有車鐘面板上的閃亮指示燈變?yōu)槌Ａ?，所選定的車鐘接收器和發(fā)令器上的聲響消失，表明發(fā)送的指令已被接收。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

車鐘系統(tǒng)各單元均設(shè)有試燈和調(diào)光功能。通過按壓各單元面板上的“試燈”按鍵，則該單元面板上的所有指示燈均被點亮?！霸嚐簟卑存I松開后，則該單元面板上的所有指示燈將恢復(fù)原狀。按下各單元面板上的“調(diào)光+”或“調(diào)光-”按鍵，則可以對該單元面板上的所有指示燈的亮度進行漸亮或漸暗的調(diào)節(jié)。

應(yīng)急車鐘電源由兩路供電提供，一路是由AC220 V經(jīng)電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成DC24 V，此為主電源，另一路為DC24 V的備用電源。當(dāng)由AC220 V變換成的DC24 V主電源失電時，自動轉(zhuǎn)換到另一路（蓄電池DC24 V）電源，并有聲光報警和24 V有源觸點輸出。主電源恢復(fù)正常后，自動撤消報警。

失步報警為按下發(fā)送接收器按鍵時，此時處于失步狀態(tài)，例如按下應(yīng)急車鐘操作面板的“正車全速”按鍵，此時發(fā)令車位“正車全速”指示燈閃爍，而回令指示燈仍停留在“停車”位置，失步報警蜂鳴器將會發(fā)出報警。

錯向報警即為車令處于正車方向時，將主機操向倒車方向；或者是在車令處于倒車方向時，將主機操向正車方向，這兩種情況都將產(chǎn)生錯向報警。

駕駛室發(fā)送器通過RS485總線連接VDR，能夠?qū)崟r對車鐘車令信息進行自動檢測和記錄，因而可以作為海事部門分析和裁決海事事故的重要依據(jù)。

2 系統(tǒng)的硬件介紹

2.1 單片機的選型及最小系統(tǒng)

圖2 單片機外圍電路結(jié)構(gòu)

設(shè)計選用英飛凌系列XC886八位單片機，英飛凌系列單片機在汽車電子行業(yè)廣泛應(yīng)用，芯片可以在汽車惡劣環(huán)境下工作，比如溫度范圍（-40℃～+125 ℃），這與船舶柴油機監(jiān)測控制環(huán)境相似；世界上一些著名船舶動力控制系統(tǒng)廠商采用英飛凌系列單片機為控制核心，如康斯堡主柴油機機艙監(jiān)測、安全保護系統(tǒng)，主機遙控系統(tǒng)；該芯片性能穩(wěn)定，適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強，因此完全可以滿足本次設(shè)計對于控制及環(huán)境適應(yīng)能力的要求。

此款單片機其設(shè)計基于和工業(yè)標準8051處理器兼容的XC800內(nèi)核，12KB Boot ROM，256B RAM，1.5KB XRAM，32KB Flash，48個數(shù)字I/O引腳，8個數(shù)字/模擬輸入引腳。設(shè)計主要運用單片機的串口、定時器、CAN控制器這幾個功能模塊。

2.2 單片機外圍電路介紹

1）電源電路模塊如圖3所示。

圖3 電源電路模塊

系統(tǒng)電源采用的是外接24 V電源，熔斷器在電路中起到保護電路的作用，防止電路因為過載或短路等原因而損壞；雙向瞬態(tài)抑制二極管加在電源線上能防止因為瞬間脈沖而造成單片機失靈；開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器LM2576將輸入的24 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V的電壓輸出；扼流線圈在電路中就是起到抑制共模干擾信號的作用（濾波）。

2）上電復(fù)位電路如圖4所示。

圖4 上電復(fù)位電路

傳統(tǒng)復(fù)位電路利用RC充電原理實現(xiàn)。電容在上接高電平，電阻在下接地，中間為RST。這種復(fù)位電路的工作原理是：上電瞬間，電容電流量最大，電容相當(dāng)于短路，RST端為高電平，自動復(fù)位。當(dāng)電容兩端電壓達到電源電壓時，電容充電電流為0，電容相當(dāng)于開路，RST端為低電平，程序正常運行，復(fù)位結(jié)束。此次設(shè)計給出的是一種改進電路，電路中并聯(lián)二極管能保證電源斷電瞬間電容能夠迅速放電。當(dāng)上電時，電容兩端導(dǎo)通，RST端通過電容接地，低電平輸出，則有復(fù)位動作。當(dāng)繼續(xù)給電容充電時，RST端輸出高電平，復(fù)位結(jié)束。如果不加二極管電源斷電將產(chǎn)生電源毛刺，由于電容不能迅速放電，待電源恢復(fù)時，電容兩端仍是高電壓，電路不能自動復(fù)位，故而不能正常工作。

3）并轉(zhuǎn)串接口電路如圖5所示。

八位移位寄存器74LS165的作用是并行輸入，互補串行輸出。由圖6的時序控制圖可知，當(dāng)移位/置入控制端（SH/L D）為低電平時，并行數(shù)據(jù)（A-H）被置入寄存器，當(dāng)移位/置入控制端為高電平時，并行置數(shù)控制端被禁止。并行數(shù)據(jù)被置入寄存器中時，當(dāng)時鐘給一個上升沿后，寄存器中的數(shù)據(jù)開始移位輸出。

圖5 并轉(zhuǎn)串接口電路

4）CAN總線接口電路設(shè)計如圖7所示。為了提高CAN總線的抗干擾性，在設(shè)計時應(yīng)注意以下兩點：

（1）選擇搞可靠性的CAN收發(fā)器，收發(fā)器本身具有抗EMI功能；

（2）有針對的設(shè)計抗干擾，靜電保護的電路。

圖7 CAN通訊電路

設(shè)計中采用雙絞線作為CAN總線的數(shù)據(jù)線，可使回路面積非常小，能消除外部對CAN總線的差模干擾，同時也可以減少CAN總線的磁偶極天線效應(yīng)，也減少對外輻射干擾。設(shè)計采用電氣隔離的方式抗干擾。6N137為高速光電耦合器，實現(xiàn)CAN的收發(fā)器82C250與單片機的內(nèi)嵌CAN控制器MultiCAN之間的電氣隔離，隔阻電磁干擾的傳遞，6N137的傳輸延時時間僅為48ns，滿足CAN總線有效回路傳輸時間的要求。設(shè)計中還采用了三端電容，雙向抑制二極管起到濾波的作用，圖中的左下角為隔離電源模塊，可以隔離高速光耦兩側(cè)的電源VDD與VCC，否則光電隔離將失去應(yīng)有的作用，在收發(fā)器與光電隔離器的電源端與地之間接一個較小的電容，可以降低干擾。

5）485 總線通訊電路如圖8所示。

圖8 485總線通訊電路

系統(tǒng)設(shè)計將駕駛室通過485通訊電路接到VDR，將應(yīng)急車鐘使用狀態(tài)實時發(fā)給VDR。電路中采用了MAX485芯片作為收發(fā)器，MAX485芯片采用半雙工的通訊方式，即發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩者只能同時有一種動作。由于設(shè)計需要將車令狀態(tài)發(fā)送給VDR，因此收發(fā)器接入高電平端。同時電路中加上雙向抑制二極管和三端電容，起到濾波的作用，增強電路的抗干擾能力，提高通訊的可靠性。

6）報警輸出電路電路如圖9所示。

圖9報警輸出電路

系統(tǒng)檢測到諸如失電報警、錯向報警、失步報警的信號時，單片機引腳將輸出信號，三極管導(dǎo)通，高電壓將接入到繼電器，繼電器線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使得繼電器開關(guān)吸合從而輸出報警信號，當(dāng)斷電后由于續(xù)流二極管IN4007的續(xù)流作用，同二極管并聯(lián)的繼電器回路仍然存在電流，繼續(xù)輸出報警信號。

3 系統(tǒng)的軟件介紹

3.1 系統(tǒng)的主程序流程

圖10是車鐘主程序流程圖，包括了初始化程序、按鍵掃描程序、相應(yīng)的通訊程序。主程序首先需要進行初始化，硬件的初始化在DAvE中已經(jīng)完成。軟件的初始化設(shè)定車鐘檔位最初處于停車同步狀態(tài)，當(dāng)達到同步后再通過CAN總線以中斷的形式接收，系統(tǒng)開始要進行按鍵掃描，檢測標志位及試燈相關(guān)操作，系統(tǒng)定時將這些信息通過通訊總線發(fā)送至控制單元?？刂茊卧獙⑺邮盏男盘柵c自身的狀態(tài)相比較，得出結(jié)論判斷是否需要報警。

3.2 CAN通訊程序設(shè)計

實現(xiàn)應(yīng)急車鐘系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)通訊，包括對系統(tǒng)硬件及軟件的初始化及總線的收發(fā)程序。熟悉這三部分程序的設(shè)計就能編寫利用CAN總線進行通訊的一般應(yīng)用程序。在通訊中我們采用定時發(fā)送的方式發(fā)送報文，以中斷的方式接收報文。

3.3 485通訊程序設(shè)計

車鐘與VDR 之間通訊數(shù)據(jù)格式見圖12。車令代碼見表1。其中單數(shù)為正車檔，雙數(shù)為倒車檔。

3.4 實驗平臺

圖13為系統(tǒng)聯(lián)調(diào)框圖，包括了發(fā)送器、復(fù)示器、接收器、USB-CAN適配器四個節(jié)點，分別都接在CAN總線上，USB-CAN適配器的作用是實現(xiàn)現(xiàn)場總線與PC機之間的通訊，電纜線兩端跨接有終端電阻，以消除通訊電纜中的信號反射，提高通訊可靠性。

圖10 主程序流程圖

圖11 CAN的通信流程圖

圖12 車鐘與VDR 之間通訊數(shù)據(jù)格式

圖13 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)框圖

4 小結(jié)

設(shè)計的基于單片機控制的船用應(yīng)急車鐘系統(tǒng)，實現(xiàn)了駕駛室、集控室、機艙三地之間對于主機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的遙控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、易于掌握、具有高可靠性、抗干擾能力強等優(yōu)點，系統(tǒng)運行時安全可靠，完全可以滿足船舶航行時抗振動、耐高溫、耐潮濕的要求。

設(shè)計了應(yīng)急車鐘電路原理圖，繪制了電路板PCB封裝圖，設(shè)計了操作面板，焊接制作了三塊電路板，組裝了可以滿足系統(tǒng)功能調(diào)試的應(yīng)急車鐘樣機。現(xiàn)已在多條內(nèi)河船舶試運行，反饋效果良好。

[1] 黃宇航. 新型船用電子應(yīng)急車令設(shè)計方案介紹[J].微計算機信息, 2007, (23): 32.

[2] 邱宏. 基于RS485通訊技術(shù)的船舶應(yīng)急車鐘系統(tǒng)[P]. 中國, 實用新型專利, 201020186961. 2010. 05. 07.

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[4] 張永浩, 韓小剛. 計算機通訊技術(shù)在船舶上的應(yīng)用[J]. 船海工程, 2002, 147(4).

Design of CAN-bus Marine Emergency Telegraph

Liu Dongsen
(Fuyang Local Maritime Bureau, Fuyang 236000, Anhui, China)

Marine electronic emergency telegraph is applied to a driving control of ships' electronic communication device which is the backup of main engine telegraph on board, and the order can be send to the “ control room” and “engine room” to make sure that the ship can sail safety under emergency situation. The emergency telegraph has three parts like the transmitter, repeater and receiver. It can provide transmission of information during bridge, control room, engine room, and also has the function alarm. The design use MCU as the control center, and use CAN bus as the communication carrier during transmitter, repeater and receiver, having the configuration flexibility and less wire compared to old-fashioned telegraph.

emergency telegraph; MCU; CAN-bus

TP273

A

1003-4862（2015）06-0054-06

2015-03-17

劉冬森（1990-），男，助理工程師。研究方向：船舶系統(tǒng)仿真與自動化。