基于船舶驾控测试系统的嵌入式车钟系统设计

2020-11-06杨翠玉杨卓懿李鹏玉

造船技术 2020年5期

宋磊，杨翠玉，杨卓懿，李鹏玉

(山东交通学院船舶与轮机工程学院，山东威海 264209)

0 引言

随着船舶行业的蓬勃发展，海洋经济发展随之崛起，与此同时，船舶自动化程度越来越高，人们更加关注海上船舶的安全运输问题。目前船舶上应用各种新型设备、自动化监控设备、电力设备等，在一定程度上，不仅减轻工作人员的压力，而且操作简单，但要求工作人员达到必要的熟练程度，减少现代化设备的操作失误，保证海洋运输安全[1-2]。因此，迫切需要开发一套能够进行人员安全训练、设备开发的船舶驾控测试系统。

受海洋气候、设备成本及安全因素的制约，船舶驾驶人员较少到海洋中进行实船训练，为此需要采用船舶驾控测试系统，提高船员的驾驶能力，更好地进行海洋运输。赵欣欣[3]总结车钟的应用类型，并分析各种类型的利弊，设计一款以单片机为核心、应用控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)总线通信的船舶车钟系统。黄晓雪等[4-5]为深入研究深水铺管船驾控台操作特点，采用GL Studio软件，并结合VC++混合编程，对驾控台仪表进行仿真。张少明等[6]设计一种基于可编辑逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)控制的船舶车钟模拟装置，详细说明其硬件选型及电路设计，并进行系统的软件及人机界面设计，可以为内河船舶或小型电推船舶车钟控制系统设计提供借鉴。赵恒等[7]基于GPS全球定位技术，设计一种应用于新型船舶的车钟记录仪。郑红霞[8]重点研究船舶车钟记录仪多通道数据采集架构，利用虚拟化技术设计车钟记录仪数据采集与处理显示系统，以LabVIEW为平台进行模拟开发，并对多通道数据采集平台进行仿真调试。上述各项研究船型单一，而新型船舶驾控测试系统则要求可适用于多种类型船舶，与传统驾控设备相比，更为复杂、技术要求更高、涉及层面更广[9]。

1 嵌入式车钟系统硬件设计

嵌入式车钟系统的硬件包括总体架构和信号采集模块2个部分。

1.1 总体架构

对基于船舶驾控测试系统的嵌入式车钟系统进行设计，首先需要确定车钟系统的功能需求，进而明确车钟系统的设计方案。“备车”“停车”“完车”“前进1～4挡”“后退1～4挡”等11个指示灯组成车钟控制面板。在硬件模式下，由11挡旋转按钮控制；在通信模式下，由仿真调试软件控制。

嵌入式车钟系统结构如图1所示，由具备信号接收电路、数模转换(Digital to Analog, D/A)电路的船舶操纵信号采集模块和具备微型控制器、拨码模块等在内的单片机模块组成。其单片机部分实现旋钮和指示灯的对应功能，使用基于lpc1768fbd100核心芯片进行系统设计，是一个具有USB功能和高速模数(Analog to Digital, A/D)转换器的微型控制器。

“中国市场是民族企业的根，把根维护好有助于企业的良好发展，但如果想要扩大品牌影响和企业实力，海外市场是检验民族企业的真正考场。”毕总说，“如今，比亚迪叉车已经在海外市场取得了一定成功，如在欧美市场，比亚迪叉车与来自德国、美国、日本等众多知名品牌同台竞技，不仅没有依靠价格优势去占领市场，反而因为在锂电领域的技术优势，获得了极好的市场认可度和保有量，市场能有这样的反应，用两个字概括——便是‘品质’。”

图2 嵌入式车钟系统核心板

1.2 信号采集模块

社会的进步和人类技术的进步使人们不断地从环境中获得越来越多的元素。这些对人们的环境有很大的影响。此外，它还造成了一系列的环境问题和人类生存危机。近年来，建筑业在能源消费中所占的比重不断上升。这种情况也决定了建筑绿色时代的到来。可见，建筑业在节能减排方面有很大的潜力。室内设计的发展并不长，但通过了解可以知道，大多数材料都有一定的污染。因此，在这种情况下，人们开始思考如何保护生态环境，绿色生态审计的概念应运而生。

2 嵌入式车钟系统软件设计

嵌入式车钟系统的软件包括固件程序、上位机通信软件、软件通信协议等3个部分。

为使船舶驾控测试系统效果更加真实，在嵌入式车钟系统中，上位机通信测试软件以C Sharp作为基本语言进行编码，USB驱动程序运转。在此编码环境下，通过调用应用程序接口(Application Programming Interface, API)函数，做出逻辑判断，使得车钟面板和上位机测试界面均得到正常响应[3]。图4为用C Sharp语言编写出来的上位机通信软件界面，在通信指令下，图示1为上位机软件直接控制“后退2”灯状态，图示2为正确读取“停车”灯状态。

2.1 固件程序

软件通信协议可划分为RS485通信协议和Modbus通信协议，可以控制船舶模拟信号的传输距离、方向等属性。

图3 嵌入式车钟系统设计流程

2.2 上位机通信软件

我最初在柳江古镇撑起画板，就是在离那棵黄葛树五十米开外的地方。我想把那棵历尽风雨沧桑的古树描绘下来，正当我要落笔的时候，树下来了一个女人，她大大方方坐在树下那块长条形的石墩上，然后用自己长长的辫子逗着怀里的娃娃。又粗又黑的辫子不住地挠着娃娃的脸蛋和胳肢窝，女人“哦——哦——咿——啊……”的声音有节奏地从树下传来。我的注意力完全被女人手里的那对时而扬起时而落下的辫子牵制住了。我慢慢去接近她，就在离女人不足十米的地方，我不由得停了下来，我清清楚楚地看到，女人怀里的娃娃，竟然是一个毫无生机，而且是个破旧不堪的洋娃娃。

图4 嵌入式车钟系统上位机通信软件界面

2.3 软件通信协议

固件程序可以直接控制车钟系统，即旋钮旋到一定挡位，相应挡位的灯亮。固件程序设计包括lpc1768fbd100单片机软件设计和串口调试助手软件设计，其中后者是在PC机上向单片机定时发送测试数据。单片机软件使用Keil uVision4进行设计，通过J-Link仿真器烧录到单片机中；上位机使用VS2015编写，通过串口向单片机定时发送测试数据。嵌入式车钟系统设计流程如图3所示。首先需要接通电源，系统进行各指示灯、拨码盘的初始化，然后系统做出判断，判断拨码盘的“0”或“1”值来决定执行某一种作业模式。当为硬件指令时，此时处于硬件模式，旋转按钮发挥作用，旋钮旋到一定挡位，相应挡位的灯亮。当为通信指令时，此时处于通信模式，即拨码为“1000”时，既可以用上位机测试软件控制灯状态，又可以用旋转按钮控制灯状态，并不妨碍上位机正常读取灯状态。

图2为嵌入式车钟系统核心板。图示1为微控制单元(Microcontroller Unit, MCU)，芯片为lpc1768fbd100，程序下载到该芯片中，使得车钟系统发挥作用；图示2为电源适配器，在电压不稳、电流过大等特殊情况下，起到保护作用，提高板子安全性能；图示3为串行调试(Serial Wire Debug, SWD)，利用J-Link仿真器，一端连接板子，另一端连接电脑，下载程序；图示4为拨码模块，通过改变拨码灯的状态，为车钟系统提供不同的控制模式；图示5 为输入端，电路板接收旋钮输出的正电平；图示6 为输入端，电路板给灯输出正电平；图示7为电源模块，提供24 V电压。该车钟系统核心板由模块式组成，便于拆卸、检查问题；板四周钻有小孔，易于固定模块进行调试，延长板的寿命[10]。

在选择设备仪表接口时，首先考虑的是RS232接口，这种接口可以实现通信，但是不能实现联网功能，而RS485恰好解决这一问题[11]。在进行设备仪表连接时，RS485采用符合通信潮流的半双工方式，并且在通信网络中，运用主从通信模式，能更好地解决实际设计中遇到的问题。

采集模块由D/A电路和船舶信号接收电路2个部分组成。D/A电路可将离散的量变化为连续的量，即由航行数字信号转换为模拟信号，传递到控制器，以保证船舶测试系统准确性[8]。船舶信号接收电路，一方面接收旋钮发出的信息，另一方面将信息传到微型控制器模块，再上发到上位机，以确保上位机做出反馈，完成船舶驾控测试功能。

式中：Z为某垃圾填埋场适宜性总分；i为第i项制约因素，i=1,2,…n,；n为垃圾填埋场制约因素个数；Zi为第i项制约因素之总分。

在上位机测试软件中，会用到帧结构语句。一个Modbus的帧结构由4个部分构成。第1部分是地址域，在通信作业模式下，连接设备仪表时，代表通信地址。第2部分是功能码，通过读写数据达到通信的目的，此时功能码代表目标事件，虽然Modbus 本身功能码较多，但是在通信模式下，常用的是“读”和“写”，读的功能码为03，写的功能码为16。第3部分是数据，数据是指需要传递的消息，为最终需要达到的目的。第4部分是差错校验，就是用约定的各种计算方法，如偶校验、奇校验、停止位等，可以清楚地知道所输入的帧结构是否正确；若出现错误，可以及时地做出修改，使车钟系统发挥正常的功能。

在调试车钟系统的过程中，船舶模拟器产生的信号，大都是杂乱无章的数字信号，在软件通信协议的设定下，这些数字信号会整合成连贯的模拟信号，按照一定的顺序排列，方便进行测试、模拟[12]。为保证模拟的准确性，前期需要对数据进行测试、整合，选择符合要求的数据，从而保证正常通信。上位机测试软件对信号的控制条件如表1所示。寄存器地址及数据位编写到程序中，通过上位机软件进行输出测试，测试得到车钟系统的状态与设计完全一致。