基于ARM嵌入式調距槳控制系統設計方案

陳 偉， 蔣 凱

(1.中船重工集團第七〇四研究所， 上海 200031； 2.浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院， 浙江 杭州 310027)

基于ARM嵌入式調距槳控制系統設計方案

陳 偉1， 蔣 凱2

(1.中船重工集團第七〇四研究所， 上海 200031； 2.浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院， 浙江 杭州 310027)

調距槳廣泛應用于各類艦船上，微機化調距槳控制系統是一個重要的發展趨勢。基于高性能ARM嵌入式調距槳控制系統設計方案，提高了調距槳智能化水平，實現了高速匹配算法控制及高效可靠信息傳送機制。分布式模塊化設計的控制系統具有易維護、可移植、可擴展的特點，為現代船舶工業全船監控網絡發展奠定技術基礎。

嵌入式系統 調距槳 智能IO

1 引言

可調螺旋槳(簡稱調距槳)可以充分吸收主機的全功率，有較高的螺旋槳平均效率，在部分負荷時可以實現螺旋槳與主機轉速的最佳匹配，具有提高操控性、降低能耗和提高安全性等功能[1]，目前已被廣泛地應用于各種軍艦和商船。因此，對調距槳控制系統的研究與開發具有現實意義。

調距槳控制系統的核心技術是數字控制器和相關的傳感檢測系統。隨著單片機技術越來越廣泛地應用于機電控制系統，嘗試將具有高性能，高穩定性的嵌入式系統應用到調距槳控制系統成為一個重要的發展方向[2] 。本文針對船用嵌入式系統要求，采用高性能Philips ARM7 2200系列芯片等作為主控芯片，實現了具有信息處理、匹配算法控制、狀態檢測、主機過載保護、信息保存等功能的分布式模塊化調距槳控制系統設計。

2 系統整體方案

調距槳控制系統控制螺旋槳、螺旋槳驅動等機械部件，通過電液比例系統驅動動作[3]。調距槳控制系統由電控系統中心、集控室、駕控室、液晶顯示、信號輸入輸出連接中心、PC軟件控制端等6個子系統組成，整個系統整體方案如圖1所示。各部分功能如下所述：

圖1 調距槳控制系統整體方案

(1) 電控中心是系統核心部分，負責與各個子系統協同工作，是完成數據處理、信號傳輸、輸出控制、信息存儲等功能的核心部件，是系統的中樞控制區。

(2) 信號輸入輸出連接中心負責采集相關傳感器檢測信號，發送控制命令信號。

(3) 集控室與駕控室是系統狀態監測與控制操作指令輸出系統，它們從電控中心獲取當前系統狀態數據，并向電控中心發送操作指令。集控室與駕控室對執行機構的控制權切換也需要通過電控中心協調完成。

(4) 液晶顯示模塊自帶操作鍵盤，用戶可以輸入螺距、主機轉速匹配表及控制算法參數等信息，并可以以曲線形式顯示輸入的信息。

(5) PC軟件控制端主要用于軟件調試工作。

本文根據整體方案，設計了一套高性能嵌入式調距槳控制系統：采用具有4CAN總線接口的Philips LPC2292系統的ARM7控制器為CPU；以帶CAN總線接口的SOC芯片C8051F040作為數據采集與控制輸入輸出接口芯片；系統內部以CAN總線作為數據傳輸協議。

3 電控系統中心

電控系統中心的核心任務是完成螺距的精確控制。電控系統中心根據檢測螺距操縱手柄的信息后，進行閉環控制，通過PID算法高速計算調整，精確控制液壓比例閥的輸出，使螺距值快速穩定在目標控制值。

當出現緊急狀況，電控系統中心需要主動關閉比例閥，停止閉環控制算法，打開卸荷閥，讓出螺距控制權。因此，電控系統中心需要具備實現“閉環系統”與“備用通道控制”的切換功能。

另外，電控系統中心還必須具備系統參數采集與報警功能。實時監測當前系統的控制模式、液壓系統各油路的油壓、主油箱油溫、壓力濾器狀態等信息，比如出現油壓過低、油溫過高、負荷過高[3]等非正常狀況時，發送報警信息，反饋到外部監控顯示。

電控系統中心的硬件結構，如圖2所示。電控系統中心以高性能ARM7 LPC2294芯片為核心，以多路隔離CAN總線為通訊手段，配置大容量程序存儲器、數據存儲器和大容量固態數據記錄芯片。可以完成實時嵌入式操作系統與調距槳系統所有數據的匯總、交換、運算、高性能閉環控制算法以及相關的數據記錄等功能，設計最高閉環運行頻率為100 Hz以上，實際運行頻率為30 Hz，具有較大的擴展空間和擴展能力。

系統各項指標如下：包括1～2塊智能輸入輸出模塊；ARM7 LPC2294 CPU運算速度為32位字長，30 MIPS以上；存儲器容量為2 MB以上FLASH，512 KB以上鐵電，8 MB以上SRAM；4路CAN通訊端口，其中三路為光電隔離信號；+24 V輸入電源；輸出隔離+5 V，±12 V電源；模塊功耗小于2 W；輸出電源功率大于10 W；200 kHz以上 CAN總線通訊方式。

4 信號輸入輸出連接中心

根據嵌入式控制系統的硬件接口需求，船用信號有以下5種信號類型[4]：

(1) 模擬信號輸入(AI)：主要為4～20 mA輸入信號；

(2) 模擬信號輸出(AO)：主要為4～20 mA輸出信號，部分采用電壓信號；

(3) 數字開關信號輸入(DI)：光電隔離+5～ +24 V開關量信號輸入；

(4) 數字開關信號輸出(DO)：光電隔離+5～ +24 V開關量信號輸出；

(5) 數字脈沖信號和計數信號輸入(PULSIN)：主要為轉速信號等信號。

輸入輸出連接中心將各種船用信號進行數字化，并通過CAN總線與電控系統中心進行數據交換。因此調距槳控制系統采用高性能SOC芯片C8051F040作為智能I/O單元的主控制芯片，該SOC芯片具有完善的A/D、D/A、數字I/O和計數信號輸入輸出等接口。信號輸入輸出連接中心設計方案如圖3所示。

系統各項指標如下：4路精度12位模擬信號輸入(AI)，采用差動輸入，可兼容電壓和電流信號；4路精度12位模擬信號輸出(AO)，采用4～20 mA和±10 V兼容雙輸出；16路數字開關信號輸入(DI)為光電隔離+5～ +24 V開關量信號輸入；16路數字開關信號輸出(DO)為光電隔離+5～ +24 V開關量信號輸出；1路最高頻率100 kHz的數字脈沖信號和計數信號輸入(PULSIN)，主要為轉速信號等；開關量驅動+5 V，±12 V，+24 V供電電源；功耗小于2 W；200 kHz以上 CAN總線通訊方式；有效采樣頻率大于2 kHz。

圖2 電控系統中心設計方案

5 智能顯示

為了提高系統運行可靠性，調距槳控制系統專門設計一套人機交互和數據顯示模塊。模塊包含由ARM7CPU控制完成320×240黑白顯示液晶屏和操作鍵盤。人機交互和數據顯示模塊通過CAN總線將設置的參數傳給嵌入式電控系統中心，同時通過CAN總線將系統實時運行狀態在該液晶屏上顯示，實現對設備的實時監控。該液晶屏具有獨立工作的特點，不干預主控制單元的正常工作。基于CAN總線獨立的人機交互和數據顯示模塊具有很強的數據和圖形處理能力，使得主控制單元不必處理圖形顯示及人機交互功能，從而降低了主控制單元的系統復雜度，提高了系統整體可靠性和可維護性。

6 結論

本文介紹基于ARM嵌入式調距槳螺距控制系統設計方案，以高速可靠CAN總線為數字信息的傳輸載體，高性能的ARM7芯片為CPU，實現信息處理、最佳匹配控制、系統狀態監測、主機過載保護、信息保存等功能。調距槳控制系統的模塊化設計更有利于系統的維護與升級。目前，系統開發調試完成，運行效果符合設計目標。將嵌入式系統應用到調距槳控制系統中，可以顯著提高調距槳裝置的性能、智能化和可靠性，同時，也為全船監控網絡化[5]的發展方向奠定技術基礎，這將是調距槳控制系統發展的必然趨勢。

[1] 汪涌泉，聶延生.調距槳推進裝置特性及控制原理分析[J].世界海運，2003，5：44-45.

[2] 貴忠東.單片機在調距槳螺距控制系統中應用[J].機電設備， 2007，1：61-64.

[3] 陳華清.負荷控制技術在船舶推進系統設計中的應用[J].船舶工程，2009，3：43-45.

[4] 邱曉峰，陳昌鄂，候秀舉.船舶主推調距槳方案設計與實現[J].航海工程，2006，6：23-25.

[5] 宋麗軍.調距槳控制系統的演變和發展[J].機電設備，1997，5：12-13.

ARM-based Embedded Pitch Propeller Control System Design

CHEN Wei1， JIANG Kai2

(1.No.704 Research Institute of CSIC， Shanghai 200031， China; 2.College of Biomedical Engineering and Instrument Science Zhejiang University， Hangzhou Zhejiang 310027， China)

Controllable pitch propeller has been widely used on various types of ships. Computerized pitch propeller control system is an important trend. This article introduces the design of controllable pitch propeller control system based on the ARM embedded systems. The design improves the intelligence level of controllable pitch propeller, achieving high-speed matching algorithm control, efficient and reliable message delivery mechanism. Modular design of distributed control systems is easy to maintain, and has portable, scalable features. The technology helps lay the technical foundation of modern shipbuilding industry for the development of monitoring network.

Embedded systems Controllable pitch propeller Intelligent IO

浙江省科技廳優先主題項目(2010C11027)。

陳 偉(1978-)，男，高級工程師。

U662

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