主機遙控單元的設(shè)計與實現(xiàn)

張澤宇，張志強，萬 叢，柯常國

（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2.中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島266071）

0 引言

某型游船主機遙控單元通過與噴水推進控制系統(tǒng)進行控制指令的接受和發(fā)送，來完成對主機及齒輪箱的轉(zhuǎn)速控制，以滿足船舶航行的使用需要。該主機遙控單元針對噴水推進控制系統(tǒng)的需要，提供與噴水推進控制系統(tǒng)的通信接口（CAN）；并附帶有工況選擇功能，升速、降速功能、正向接排、反向接排等功能的無源觸點；通過4-20mA模擬信號完成對主機轉(zhuǎn)速的控制。該主機遙控單元控制系統(tǒng)具有小型化、智能化、安全可靠的優(yōu)點。

1 主機遙控單元硬件設(shè)計

主機遙控單元由就地箱和操縱面板組成。其中就地箱放置于機艙，操縱面板放置于駕控臺。

主機遙控單元通過與噴水推進控制系統(tǒng)進行控制指令的接受和發(fā)送，來完成對主機及齒輪箱的轉(zhuǎn)速控制，以滿足船舶航行的使用需要。主機遙控單元針對噴水推進系統(tǒng)的需要，提供與噴水推進裝置的通信接口（CAN）；并附帶有工況選擇功能，升速、降速功能、反向接排等功能的無源觸點；通過4 mA～20 mA模擬信號完成對主機轉(zhuǎn)速的控制。主機遙控單元左右系統(tǒng)之間相互獨立，任何一套主機遙控單元控制故障不影響另一套主機遙控單元運行。

主機遙控單元可以在機旁和駕駛室控制臺面板進行，推進操控優(yōu)先級從低到高依次為：駕駛室控制臺、機旁。

根據(jù)控制系統(tǒng)框圖按照功能可分為四個模塊：控制器模塊（CPU模塊）、模擬信號模塊（AO模塊）、數(shù)字信號模塊（DI、DO模塊）以及CAN通訊模塊。

1）CPU模塊：控制系統(tǒng)采用基于超低功耗的 Cortex-M3內(nèi)核 STM32系列微控制器，STM32F103的時鐘頻率最高可達72 MHz，其包含有12位ADC，10位DAC和CAN控制器等眾多外設(shè)[1]，滿足主機遙控單元外部接口的需要，該處理器具有高性能、高可靠、低成本的特點[2]。

2）模擬信號模塊（AO模塊）：模擬輸出轉(zhuǎn)換模塊主要完成模擬信號的輸出，通過DA芯片產(chǎn)生0 V～5 V的電壓信號，通過TI公司的電壓電流變換器XTR111將0-5V信號轉(zhuǎn)換成所需的4 mA～20 mA信號。XTR111的非線性度為0.002%，精確度高達 0.015%。在電路中，通過R15、R16、R18完成輸出電流范圍為0 mA～20 mA或4 mA～20 mA的選擇。4 mA～20 mA對應(yīng)主機轉(zhuǎn)速的怠速狀態(tài)到滿速狀態(tài)，其中怠速為600 rpm對應(yīng)4 mA，滿速為2300 rpm對應(yīng)20 mA。

圖1 主機遙控單元控制系統(tǒng)框圖(不含虛線框)

圖2 模擬輸出轉(zhuǎn)換電路

3）數(shù)字信號模塊：開關(guān)量輸入模塊（DI模塊）采用光耦隔離，支持無源觸點輸入，用于控制系統(tǒng)的無源按鈕的輸入和齒輪箱的狀態(tài)信號輸入，開關(guān)量輸出模塊（DO模塊）采用光耦隔離，采用24 V有源觸點輸出，主要用于控制系統(tǒng)的指示燈的顯示和齒輪箱接排控制信號輸出。

DI模塊和DO模塊采用TLP521光耦隔離，使現(xiàn)場和控制器實現(xiàn)電氣隔離，保持控制器工作的可靠性。

4）CAN通信模塊：CAN通信模塊采用專用的CAN收發(fā)轉(zhuǎn)換芯片TJA1040完成CAN通信功能，以完成與噴水推進控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

2 主機遙控單元的軟件設(shè)計

圖3 開關(guān)量輸入、輸出隔離電路

主機遙控單元的操縱有兩種操縱模式，分別為手動模式和隨動模式。

2.1 隨動模式

駕控臺選擇工況模式。若為隨動工況，按下正向接排按鈕，當主機怠速則主機遙控單元發(fā)送合閘信號至齒輪箱1#電磁閥，齒輪箱正向接排，控制系統(tǒng)通過 CAN通信至主機遙控單元給定主機轉(zhuǎn)速控制信號，控制系統(tǒng)輸出4 mA～20 mA控制信號控制主機轉(zhuǎn)速。同時主機遙控單元可以實時監(jiān)測主機轉(zhuǎn)速信息，當主機處于怠速狀態(tài)下時，可按下齒輪箱脫排按鈕，若主機怠速則發(fā)出脫排指令，齒輪箱脫排，脫排指示燈亮。

2.2 手動模式

手動控制功能作為對隨動控制系統(tǒng)的補充，它的供電是獨立的。因此，經(jīng)過切換選擇后,手動控制功能就能被使用。

手動模式下可選擇正向接排或反向接排。

若選擇正向接排，當主機怠速時，控制系統(tǒng)輸出合閘信號至齒輪箱1#電磁閥，齒輪箱正向接排，控制系統(tǒng)通過升降速按鈕給定轉(zhuǎn)速控制信號，控制系統(tǒng)輸出4 mA～20 mA控制信號控制主機轉(zhuǎn)速。

若為反向接排，當主機怠速時，控制系統(tǒng)輸出合閘信號至齒輪箱 2#電磁閥，齒輪箱反向接排，控制系統(tǒng)輸出4 mA～20 mA控制信號控制主機轉(zhuǎn)速。當選擇越控工況時，在齒輪箱未接排時，可以通過手柄或按鍵對主機進行升降速控制。

3 主機遙控單元的實現(xiàn)

主機遙控單元由就地箱和操縱面板組成。其中就地箱放置于機艙，操縱面板放置于駕控臺。

3.1 主機遙控單元就地箱

就地箱可完成主機遙控單元的就地操作功能，操作權(quán)限的轉(zhuǎn)移由就地箱上的機旁/駕控臺轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)。本船為雙柴油機推進，每個柴油機由一臺就地箱供電，實現(xiàn)650 r/min～2300 r/min的轉(zhuǎn)速控制。

3.2 主機遙控單元操縱面板

操縱面板位于駕控臺，分為左右兩塊，分別控制左右柴油機的接脫排、轉(zhuǎn)速給定等。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套基于 ARM內(nèi)核的主機遙控單元，并在某型游艇上得以成功的使用。主機遙控單元主要完成對主機及齒輪箱的轉(zhuǎn)速控制，以滿足船舶航行的使用需要，具有集成度高、安全可靠、智能化、小型化等特點。

圖5 隨動模式流程圖

圖6 手動模式流程圖

[1]ST Instruments Inc.STM32F101xx,STM32F102xx,STM32F103xx,STM32F105xx和STM32F107xx.ARM內(nèi)核32位高性能微控制器參考手冊,2011.

[2]劉波文.ARM Cortex-M3應(yīng)用開發(fā)實例詳解[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2011,2:3-5.

[3]Texas Instruments Inc.XTR111 datasheet,2010.