摘要：本論文設計了一種船舶機電信息系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)模擬器，能夠仿真輸出船舶標準航行與助航設備的信號。該模擬器基于軟硬件集成，構建了用于測試船舶智能系統(tǒng)平臺及應用產(chǎn)品的仿真環(huán)境，可模擬船舶運行數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)信號，滿足測試驗證需求。

關鍵詞：船舶；模擬器；多源數(shù)據(jù)；現(xiàn)場總線；數(shù)據(jù)采集；可配置

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）15-0097-03

0引言

真實的船舶航行試驗成本高昂且機會有限，難以滿足現(xiàn)代船舶電子信息系統(tǒng)軟硬件測試的需求。因此，船舶電子設備的開發(fā)通常依賴于模擬實驗[1]。為更好地測試國產(chǎn)新型智能化船用電子信息系統(tǒng)，本文設計了一種船舶機電信息系統(tǒng)多協(xié)議數(shù)據(jù)模擬器，其能夠仿真輸出全船標準航行與助航設備的信號。該模擬器構建了一個軟硬件集成的仿真環(huán)境，用于測試船舶智能系統(tǒng)平臺及應用產(chǎn)品，并滿足模擬船舶運行數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)信號的需求，從而滿足對船舶智能系統(tǒng)平臺及應用產(chǎn)品的測試驗證要求。該模擬器具有以下功能：仿真輸出全船標準航行與助航設備信號及機艙監(jiān)測報警通信信號數(shù)據(jù)；仿真輸出常用船舶設備狀態(tài)表示及狀態(tài)模擬量信號；協(xié)調控制系統(tǒng)仿真平臺，實現(xiàn)實時同步設定狀態(tài)數(shù)據(jù)，并可模擬注入仿真故障數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)通信故障等常見故障；監(jiān)測受測試系統(tǒng)的狀態(tài)，并基于輸入和反饋信號對受測試系統(tǒng)運行性能進行監(jiān)測和故障反饋[2]。該模擬器有效地完成了船用智能化軟件的測試工作，縮短了測試周期，提高了軟件開發(fā)效率。

1模擬器組成與原理

計算機技術的快速發(fā)展使得船舶電子信息系統(tǒng)可以通過仿真平臺進行模擬實現(xiàn)。開發(fā)本模擬器可以還原真實環(huán)境下的船舶電子信息系統(tǒng)的運行，降低維護運營成本，并在實驗室環(huán)境下進行模擬測試[3]。本模擬器由4臺操作機控制6臺CAN通信模塊、5臺16口串口設備聯(lián)網(wǎng)服務器、16口交換機、48口交換機、帶防火墻的4口路由器和一臺打印機等硬件組成。具體硬件配置如下：6臺CAN通信模塊提供12個CAN總線通信端口（其中1個用于檢測）；2臺16口串口設備聯(lián)網(wǎng)服務器提供32個485/422通信端口；3塊16通道開關量TTL輸出模塊提供48路TTL開關量輸出；4塊8通道開關量繼電器輸出模塊提供32路繼電器開關量輸出，總計80路開關量信號輸出；13塊4通道電壓輸出模塊和13塊4通道電流輸出模塊提供104路模擬量信號輸出；5塊485轉MVB模塊提供5個MVB總線端口（其中1個用于檢測）；5塊485轉HART模塊提供5個HART總線端口（其中1個用于檢測）；48口交換機預留32個端口用于與測試驗證環(huán)境和被測系統(tǒng)進行網(wǎng)絡通信；3G/4G通信設備用于與外部設備進行無線通信；便攜式振動臺用于校準振動和加速度傳感器。

船用機電與信息系統(tǒng)多協(xié)議數(shù)據(jù)模擬器硬件組成及原理框圖如圖1所示。

模擬器功能參數(shù)如下：

1）標準信號發(fā)生質量：1g加速度正弦信號，196Hz；

2）硬件模擬信號協(xié)議要求：能夠按照工業(yè)總線協(xié)議發(fā)送指定格式的數(shù)據(jù)，可設定通信頻率，硬件端口滿足以下協(xié)議的配置輸出：NEMA0183通信協(xié)議；FSK-485總線協(xié)議；MVB-485總線協(xié)議；以太網(wǎng)總線協(xié)議；CAN-bus總線協(xié)議；MOD-BUS通信協(xié)議[4]；

3）數(shù)據(jù)遠程傳輸模擬環(huán)境：能夠測試以太網(wǎng)與無線網(wǎng)絡環(huán)境通信平臺，可搭載被測試軟件進行通信測試，包含：GPRS通信測試設備、Wi-Fi網(wǎng)絡連接測試設備、公網(wǎng)通信測試設備[5]；

4）模擬導航與助航設備數(shù)據(jù)輸出接口：GPS、風速風向儀、電羅經(jīng)、磁羅經(jīng)、自動舵、ECDIS、測深儀、計程儀、氣象站等；

5）模擬電壓（0～10V）端口52路，精度不大于0.1%；

6）模擬電流（4～20mA）端口52路，精度不大于0.1%；

7）開關量端口80路（TTL端口48路，繼電器端口32路）；

8）RS485/422總線，端口數(shù)量32路，提供隔離與保護；

9）CAN總線，端口數(shù)量10路，隔離與保護；

10）TCP網(wǎng)絡通信總線，端口數(shù)量32路。

2模擬器軟件設計

符合軟件工程設計要求，遵循計算機軟件設計規(guī)范[6]；軟件界面友好、簡單直觀、易于使用；采用模塊化設計思想，降低模塊間耦合性，便于后期升級維護；注重軟件執(zhí)行效率，確保軟件運行的穩(wěn)定性和可靠性；軟件具有良好的擴展性，便于后期升級擴展[7]。

本模擬器軟件由開關量信號模擬仿真測試軟件、電壓信號模擬真測試軟件、電流信號仿真測試軟件和總線信號模擬仿真測試軟件構成。軟件組成如圖2所示。

軟件采用解耦設計，將數(shù)據(jù)模擬器軟件分為4個獨立的軟件進行設計開發(fā)，分別用于控制開關量模塊、電壓輸出模塊、電流輸出模塊和總線通信模塊，產(chǎn)生相應船舶電子系統(tǒng)所需的模擬信號和仿真指令?？偩€信號仿真測試軟件各子模塊采用插件的形式設計，方便主程序框架加載調用；軟件模塊與硬件相關部分，全部寫配置文件，確保后期軟、硬件的升級擴展[5]。

2.1開關量信號仿真測試軟件

該軟件具有以下功能：1）開關量信號輸出通道配置（新建、導入、導出、保存和清除）；2）開關量信號輸出/停止控制；3）通道輸出數(shù)據(jù)的配置和圖像化顯示。用戶可設置通道輸出值類型（固定值或序列值）、輸出方式（序列單次或循環(huán)輸出），以及輸出控制條件（輸出間隔時間、最終輸出狀態(tài)）等。通道輸出序列數(shù)據(jù)以圖形化方式展示。軟件工作流程如圖3所示。

開關量信號仿真測試軟件初始主界面如圖4所示，新建開關量配置界面如圖5所示，通道序列配置界面如圖6所示，配置完成后開關量信號輸出仿真界面如圖7所示。

3模擬器運行狀態(tài)監(jiān)控與診斷

本節(jié)描述了對模擬器運行狀態(tài)的監(jiān)控與診斷方法，包括開關量與模擬量模塊運行狀態(tài)監(jiān)測和總線通信模塊運行狀態(tài)監(jiān)測。

3.1開關量與模擬量模塊運行狀態(tài)監(jiān)測

通過監(jiān)控開關量、電壓和電流模塊各端口輸出回讀值，并與設定值比對，實時判定模塊運行狀態(tài)。異常通道將在軟件界面中進行顏色標識或高亮閃爍。圖8和圖9顯示了監(jiān)控界面。

3.2總線通信模塊運行狀態(tài)監(jiān)測

通過觀察面板上的指示燈（RX、TX、DATA、LINK）監(jiān)控RS485和網(wǎng)絡總線通信模塊運行狀態(tài)。此外，用戶可通過外部接線端子盒連接檢測端口，并通過軟件控制通道收發(fā)數(shù)據(jù)進行檢測和診斷。總線信號通信檢測界面如圖10所示。

4應用及前景討論

與其他船舶數(shù)據(jù)模擬器相比，本模擬器具有多協(xié)議兼容性、多類型數(shù)據(jù)輸出能力、針對每種協(xié)議的通信模型、靈活的系統(tǒng)配置、多樣化的接口、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)輸出和良好的可擴展性等優(yōu)勢。在船舶智能化發(fā)展過程中，該模擬器將有力支持新型船用智能系統(tǒng)的測試與優(yōu)化，推動船舶信息化和智能化發(fā)展[8]。目前，該模擬器已完成研發(fā)并經(jīng)過多輪測試，性能良好，穩(wěn)定可靠，已應用于部分船舶電子系統(tǒng)和智能系統(tǒng)的測試優(yōu)化，減輕了對航行試驗的依賴。中國智能船舶行業(yè)發(fā)展迅速，取得了突破性進展[9]，對船用機電信息系統(tǒng)配套測試系統(tǒng)關注度的提升將有助于推動船舶領域信息化與智能化的發(fā)展進程。

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【通聯(lián)編輯：梁書】