HMI在船舶角度指示器中的應(yīng)用

王鵬，秦珩

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HMI在船舶角度指示器中的應(yīng)用

王鵬，秦珩

（海軍青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，山東青島 266002）

本文分析了船舶角度指示器的功能特點(diǎn)，工作原理。重點(diǎn)介紹了威綸HMI在該項(xiàng)目中的應(yīng)用，譬如HMI的界面設(shè)計(jì)，EB8000軟件的使用方法，如何實(shí)現(xiàn)HMI的自由通訊協(xié)議，如何編寫(xiě)宏指令等。正是因?yàn)镠MI的強(qiáng)大功能，才使得該項(xiàng)目方案的硬件結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，用戶(hù)只需花很少的精力去處理HMI以外的工作。而圖控軟件EB8000不僅可以編輯圖形界面，還可以運(yùn)用宏指令編寫(xiě)一些功能特殊的函數(shù)，為HMI的開(kāi)發(fā)提供了極大的便利。

角度指示器 HMI 宏指令

0 引言

在船舶工程應(yīng)用中，很多地方都會(huì)用到角度指示器，例如艙門(mén)的開(kāi)啟和閉合、吊橋的開(kāi)啟和閉合、艏舵、艉舵等。測(cè)量準(zhǔn)確、圖形顯示直觀的角度指示器，給船舶操控者帶來(lái)很大的幫助。

我們研制的HG-A-001型角度指示器采用精密的角度傳感器采集角度信號(hào)，精度可達(dá)0.1°；顯示部分采用帶觸摸功能彩色液晶屏，配以精美的顯示圖片和宏指令，具有操控方便，界面顯示形象直觀，工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

HMI是Human Machine Interface的縮寫(xiě)，“人機(jī)接口”，也叫人機(jī)界面。是系統(tǒng)和用戶(hù)之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與用戶(hù)可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。高度智能化的HMI能夠自動(dòng)完成畫(huà)面切換和輸入法等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

HG-A-001型角度指示器主要由三部分組成，角度傳感器、信號(hào)采集部分、角度顯示部分。其功能框圖如下圖所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

工作過(guò)程如下：信號(hào)采集模塊采集角度傳感器的4~20 mA信號(hào)，經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)RS232送到HMI進(jìn)行顯示。HMI除了顯示角度數(shù)據(jù)，還要完成報(bào)警功能和設(shè)置功能。

1.2 設(shè)計(jì)方案

1) 角度傳感器：輸出4~20 mA電流，密封防水設(shè)計(jì)，外觀精美，安裝在被測(cè)物體的轉(zhuǎn)軸上，被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)角度傳感器一起轉(zhuǎn)動(dòng)。其主要特性如下：

電氣行程：0-360°

機(jī)械行程：0-360°

供電電壓：15-24VDC

輸出電壓：4-20 mA

分辨率：0.088°

圖2 角度傳感器

2) 信號(hào)采集模塊：以MCS-51單片機(jī)為主控制芯片，具有成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。其工作原理為：接收角度傳感器的4~20 mA電流信號(hào)，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)。單片機(jī)再將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)串口送HMI顯示。

該模塊可同時(shí)采集四路角度信號(hào)，設(shè)計(jì)上采用電子開(kāi)關(guān)分時(shí)切換，共用一個(gè)ADC的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）顯示部分：使用的威綸HMI，型號(hào)MT6070iH，軟件EB8000V465.02。其主要特性如下：

顯示器：7”、Widescreen

處理器：32 Bit RISC 400MHz

COM1 (RS-232/RS-485 2W/4W)

COM2 (RS232); COM3(RS232/RS-485 2W)

USB host: USB 1.1x1

USB Client: USB 2.0x1

電源輸入：24±20%VDC,250Ma@24VDC

內(nèi)存（DRAM）：64MB DDR2 on board

閃存：128MB flash memory on board

通訊口：3組異步式串行通訊端口

由以上信息可以看出，威綸HMI不僅僅是顯示器，其自帶的高性能處理器，可以進(jìn)行各種邏輯運(yùn)算和復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算。另外還帶有記憶保持單元，失電后能保持?jǐn)?shù)據(jù)不被修改。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)工作過(guò)程中需要處理的判斷和操作很多，歸納如下：

1) 四路角度信號(hào)輸入；

2) 測(cè)量精度0.5°，顯示精度1°；

3) 角度顯示要平穩(wěn)，不可以跳動(dòng)；

4) 可以設(shè)置報(bào)警角度；

5) 報(bào)警狀態(tài)具有自動(dòng)清除和手動(dòng)清除功能；

6) 具有設(shè)置校零功能；

7) 具有設(shè)置角度正反向功能。

2.2 信號(hào)采集模塊程序

使用KEIL2進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要包括系統(tǒng)初始化函數(shù)、ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)、定時(shí)器處理函數(shù)、串口處理函數(shù)等。

由于電路采用的是12位的ADC芯片，當(dāng)角度為0時(shí)，輸出4 mA電流，AD值為819；當(dāng)角度為360時(shí)，輸出20 mA電流，AD值為4096；由此計(jì)算測(cè)量結(jié)果的分辨率為：

完全可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

為了達(dá)到平滑連貫的角度顯示效果，采集模塊需要進(jìn)行多次采集，取平均值后，再將數(shù)據(jù)送HMI顯示，且必須至少0.5 s內(nèi)更新一次角度值。

該ADC為串行芯片，一次轉(zhuǎn)換大約需要800 μs的時(shí)間，為此計(jì)算掃描一次的時(shí)間為

=1××= 800×64×4

=204800 μs

式中，1為單次ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間，為一個(gè)通道重復(fù)采集的次數(shù)，為要采集的通道數(shù)。計(jì)算得出掃描周期為20.48 ms，低于系統(tǒng)要求的50 ms。

2.3 HMI圖形界面的實(shí)現(xiàn)

該項(xiàng)目使用EB8000圖控軟件編輯圖形界面，EB8000是一款人機(jī)界面領(lǐng)域的經(jīng)典軟件，也是目前市場(chǎng)上最流行的軟件之一。

EB8000擁有豐富的元件庫(kù)。這里使用了多狀態(tài)指示燈、表針元件、數(shù)值顯示元件、數(shù)值輸入元件等構(gòu)成主工作界面。

另外，該項(xiàng)目還設(shè)計(jì)了一個(gè)密碼輸入界面和一個(gè)參數(shù)設(shè)置界面。

2.4 HMI自由通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

威綸HMI支持開(kāi)放的自由通訊協(xié)議，可通過(guò)宏指令編寫(xiě)通訊程序，實(shí)現(xiàn)與非標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議設(shè)備的連接。由于該項(xiàng)目中HMI連接的是單片機(jī)，而不是PLC，所以必須使用HMI的自由通訊協(xié)議功能。

圖3 主工作界面

利用自由通信協(xié)議時(shí)必須進(jìn)行以下設(shè)置：

1）PLC類(lèi)型要設(shè)置為Free Protocol

2）雙方通信參數(shù)設(shè)置要完全一致。EB8000在【編輯】->【系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置】中做如下設(shè)置：

COM: COM1；

波特率: 9600；

數(shù)據(jù)位: 8Bits；

校驗(yàn): None；

停止位: 1Bit。

3）在收發(fā)宏指令收到一組數(shù)據(jù)時(shí)要及時(shí)清除串口緩沖寄存器的內(nèi)容,如PURGE(1)就是清除串口1緩沖寄存器內(nèi)容

4）自由通信協(xié)議需要用到收發(fā)宏指令(OUTPORT為觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)到下位機(jī),INPORT為下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到觸摸屏)。

2.5 宏指令設(shè)計(jì)

威綸HMI的宏指令是由各種語(yǔ)句組成的。這些語(yǔ)句包含常數(shù)、變量和各種運(yùn)算符。宏指令提供了應(yīng)用程序之外附加的你所需要的功能。它可以擔(dān)負(fù)執(zhí)行譬如復(fù)雜的運(yùn)算、字符串處理，和使用者與工程之間的交流等功能。

一個(gè)宏指令必須有一個(gè)且只有一個(gè)主函數(shù)，用來(lái)開(kāi)始宏指令的執(zhí)行。格式為：

macro_command 函數(shù)名稱(chēng)()

程序語(yǔ)句

end macro_command

本項(xiàng)目的多個(gè)地方需要用到宏指令。下面就以登錄界面的輸入密碼功能為例進(jìn)行說(shuō)明。

在EB8000界面中點(diǎn)擊“工具/宏指令”，在彈出的窗口中點(diǎn)擊“新增”，打開(kāi)宏指令編輯窗口，編寫(xiě)程序如下。

macro_command main()

int password_1

char char1 = 0

GetData(password_1, "Local HMI", LW, 8, 1)

if password_1 == 600949 then

char1 = 12

SetData(char1, "Local HMI", LW, 5, 1)

end if

char1 = 0

SetData(char1, "Local HMI", LW, 8, 1)

end macro_command

給這個(gè)宏指令取名為“micro_password”,其實(shí)現(xiàn)功能就是當(dāng)輸入密碼后，點(diǎn)擊確認(rèn)鍵，判斷輸入的密碼是否正確。如果密碼正確，則打開(kāi)設(shè)置界面。

關(guān)閉宏指令窗口后，返回到輸入密碼畫(huà)面，選取“確認(rèn)鍵”，右擊“確認(rèn)鍵”，選取“屬性”，打開(kāi)屬性窗口。

在“一般屬性里”，選取“觸發(fā)宏指令”，并在宏指令選擇框里，選擇“micro_password”。這樣，用戶(hù)在點(diǎn)擊“確認(rèn)鍵”后，就可以觸發(fā)“micro_password”里的程序了。我們可以使用EB8000的“在線模擬”和“離線模擬”功能進(jìn)行驗(yàn)證。

該系統(tǒng)還需建立以下幾個(gè)宏指令：

接收單片機(jī)串口數(shù)據(jù)的宏指令；

消音鍵處理宏指令；

校零鍵處理宏指令；

反向鍵處理宏指令；

等待。

3 結(jié)論

本文介紹了一個(gè)船舶上使用的角度指示器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的要點(diǎn)。該設(shè)備與現(xiàn)有的數(shù)碼管顯示的產(chǎn)品相比，具有精度高，測(cè)量準(zhǔn)確，畫(huà)面生動(dòng)直觀的特點(diǎn)；與現(xiàn)有的工控機(jī)產(chǎn)品相比，具有體積小，價(jià)格低廉的特點(diǎn)。

該產(chǎn)品在某艦艇上成功投入使用一年多時(shí)間，實(shí)踐證明，該產(chǎn)品可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，硬件接線簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。HMI現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單方便，穩(wěn)定可靠，這些優(yōu)點(diǎn)使得該產(chǎn)品在船舶自動(dòng)化控制中有很大的應(yīng)用前景。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于將HMI監(jiān)控技術(shù)引入船舶角度指示器領(lǐng)域，增強(qiáng)了產(chǎn)品功能，拓展了船舶角度指示器的應(yīng)用范圍，降低了產(chǎn)品成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 譚一川，陳曾漢. HMI在煙草行業(yè)能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用.計(jì)算機(jī)信息. 管控一體化, 2009, 25(3) : 31-32.

[2] EB8000人機(jī)界面使用說(shuō)明書(shū)和軟件使用手冊(cè). 臺(tái)灣威綸科技公司, 2009.

[3] 陳光東. 單片微型計(jì)算機(jī)原理及其C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì). 武漢：華中理工大學(xué)出版社, 2004: 184-185.

The Applications of HMI to Ship Angle Indicator

Wang Peng, Qin Hen

（Repairing and Supervising Room of Naval Equipment in Qindao Area, Qindao 266002, Shandong, China）

This paper analyzes the features and working principle of an angle indicator for ship. It highlights the applications of Wei Lun highlights HMI to a project, such as HMI interface design, the use of EB8000 software, how to achieve freedom HMI communication protocol, and how to program macros. It is precise because the HMI powerful, which makes the hardware structure of the project plan simple. For this, users only need to pay less attention to the out of HMI. Not only the control software EB8000 can edit the graphical interface, but also you can use macros to write some features special functions for the development of HMI provides a great convenience.

angle indicator; HMI; Macro

TP391

A

1003-4862（2014）12-0039-03

2014-08-12

王鵬（1979-），男，工程師。研究方向：艦船動(dòng)力系統(tǒng)。