基于單片機的船舶主機遙控車鐘的設計與實現

秦珩，陳生春

（海軍大連艦艇學院，大連 116018）

0 引言

駕控臺設于船舶駕駛室，是艦船的控制中心，集中了船舶航行的全部設備與系統，其中主機遙控系統在駕駛臺的主要設備是遙控車鐘。在船舶機艙集控室中，同樣設置有集中控制臺，主要控制和監測船舶主動力裝置（主機）的運行，其中主機遙控車鐘同樣是集控臺的主要設備，負責接收和傳送主機車令信號。機旁同樣設置有主機遙控車鐘，負責機旁與駕駛室車令的接收與傳送。主機遙控車鐘的作用就是將駕駛室的主機操作指令送達集控室和機旁，同時將集控室和機旁的操作回令送達駕駛室，從而實現艦船主機操作指令的雙向互傳。

某型綜合運輸船主機主機遙控車鐘采用模擬電路實現車鐘功能，包括步進電機驅動指針指示、車令不一致時報警等功能。這種模擬電路分立元件多，結構復雜，調試困難，維修不便。大連艦艇學院研制的HG-X型船舶主機主機遙控車鐘，以MCS-51單片機為核心，加上高性能的外部元件，構成高集成度，小體積，使用靈活的船用遙控主令車鐘，根據不同需求，簡單修改程序可以很方便的應用于各種艦船。

1 系統設計

1.1 工作原理

1）系統結構：船舶主機遙控車鐘通常是3臺同時使用，形成一套完整的船舶主機遙控車鐘系統，如圖1所示。其中一臺放置在駕駛室上，一臺放置集控室，另外一臺放置機旁。

圖1 船舶主機遙控車鐘系統

2）系統功能

（1） 每臺主機遙控車鐘具有兩個外部車鐘輸入通道V1和V2，用于接收另外兩臺主機遙控車鐘送來的信號。

（2）通過內部開關K1切換，選擇V1和V2中的一路信號送入比較器作為外部車鐘信號進行檢測。

（3） 比較器1用于比較外部車鐘信號與本地車鐘內部指針位置信號V3。步進電機旋轉軸與一可調電阻相聯，當步進電機轉動時，帶動可調電阻旋轉，可調電阻輸出電壓V3。當外部車鐘信號大于V3時，將驅動電機正轉；反之，則將驅動電機反轉，直到兩者一致為止。

（4）步進電機旋轉軸同時與RW1車鐘指針軸相關聯。 步進電機旋轉帶動RW1車鐘指針軸一起轉動，RW1的指針指示當前車鐘位置。操作者在扳動手動操作器RW2時，可以進行方便直觀的觀察。

圖2 主機遙控車鐘功能示意圖

（5）比較器模塊COMP2用于比較外部車鐘信號與本地的車鐘信號V4，當兩者不匹配時，將驅動報警器報警，提醒操作者注意；通常操作者接到報警信號后調整手動操作器RW2，使V4與外部車鐘信號一致，即本地車鐘操縱手柄檔位與外部車鐘檔位一致，此時報警器停止報警。

（6）放大器模塊A1能將RW2的車鐘信號V4進行放大，一路送入比較器模塊COMP2，另一路作為外部車鐘信號V1和V2提供給其它兩臺主機遙控車鐘。

（7）整個系統由船載電源提供DC24V輸入電源，經內部穩壓電路轉換成所需工作電源。

1.2 設計方案

1）ADC部分：ADC采用TLC2543，TI公司的12位串行模數轉換器[1]，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程。由于是串行輸入結構，能夠節省51系列單片機I/O資源，且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應用。11個模擬輸入通道完全可以滿足主機遙控車鐘的要求。

2）單片機采用華邦的W78E58B，40個IO端口，32 k Byte的flash，256 Byte的RAM，其他資源與標準的MCS-51相同，滿足了該項目需要有較大ROM和RAM的要求[2]。

3）比較器模塊：車鐘信號經過濾波電路，被送入TLC2543的模擬輸入通道，單片機通過讀取ADC轉換結果，并比較各個通道的電壓高低，實現軟件比較器的功能。軟件比較器具有延時和濾波更靈活的特點。

4）步進電機：使用臺灣東方馬達公司的小型步進電機PK243-03A 118’/STEP 2相DC0.3A 38.5 Ω。驅動芯片使用美國Allegro公司生產的二相步進電機驅動專用芯片A3955SB，一片A3955SB可驅動一相電機繞組[2]。其工作電壓可達50 V，電流可達1.5 A。A3955SB內部的3位非線性數模轉換器與內部的PWM電流控制相結合，可實現步進電機的全、1/2、1/4、1/8運行模式。而內部的PWM電流控制電路和外部參考電壓相結合，則可決定電流的工作模式（快衰減模式、慢衰減模式、混合衰減模式）。同時，A3955SB還提供完善的保護措施，其中包括過溫保護、過流保護及欠壓保護功能。本設計將使用A3955SB的1/8運行模式和混合電流衰減模式。

5）步進電機轉速設定：步進電機轉速的快慢會影響車鐘調整的時間，工作過程中需要根據時間情況進行設定。裝置中設計了一個可調電阻，中間抽頭接ADC的輸入端，這樣，單片機通過讀TLC2543，可以知道可調電阻的位置，從而改變步進電機的轉速。

6）比較器的死區范圍設定：單片機軟件比較器在比較外部車鐘信號時需要一個允許誤差范圍，在這個誤差范圍內，單片機對車鐘信號不做響應。否則，由于外部干擾和電壓波動，單片機會不停的調整步進電機和啟停報警器。死區范圍設定是通過可調電阻來完成的。可調電阻的中間抽頭接ADC的輸入端，這樣，單片機通過讀TLC2543，可以知道可調電阻的位置，從而改變比較器的死區范圍。

圖3 步進電機驅動電路圖

2 系統功能實現

2.1 ADC模擬輸入通道的分配

前已提及，TLC2543是12位串行模數轉換器，有11個模擬輸入通道，根據前面的分析，對模擬輸入通道分配如下：

1） 通道1：接外部車鐘信號1，即V1。

2） 通道2：接外部車鐘信號2，即V2。

3）通道3：接步進電機相關聯可調電阻輸出信號，即V3。

4）通道4：接手動操作器的輸出信號，即自身的車鐘信號V4。

5）通道5：接步進電機轉速調節可調電阻。

6） 通道6：接比較器模塊COMP1的死區范圍設定可調電阻。

7） 通道7：接比較器模塊COMP2的死區范圍設定可調電阻。

8）其它通道：保留。

2.2 程序流程

該系統程序設計主要有ADC芯片TLC2543的讀寫操作和步進電機芯片A3955SB的驅動。

軟件開發平臺使用KEIL C51 IDE集成開發環境，運用C語言進行程序設計。單片機軟件主流程如圖4所示。

圖4 軟件主流程圖

2.3 步進電機驅動的實現

步進電機驅動主要內容是對A3955SB的程序控制。按電平步序表編寫C語言程序，在一個通電循環內，步進電機的轉角恒為一個齒距角，所以，可以通過改變步進電機通電循環次序來改變轉動方向，可以通過改變通電頻率來改變其角頻率。

程序中使用單片機的定時器T1產生步進電機通電頻率，T1每次進入中斷，步進電機就轉動一個齒距角，改變T1的初始值，即可改變步進電機的轉速。

3 結論

HG-X型船舶主機遙控車鐘采用單片機為核心的硬軟件技術，實現了駕駛室與主機集控室（機艙）之間的車令信號雙向傳送，操作簡單直觀，工作穩定，運行可靠。

[1] 李映穎.王海軍.孟祥謙.串行AD轉換器TLC2543與51單片機的接口設計.上海：儀表技術,2004,（1）:22-23.

[2] 韓英桃.胡亞山.A3955SB步進電機驅動芯片及其應用.西安:國外電子元器件,2003,（2）:58-60.