基于船舶駕控測試系統的嵌入式車鐘系統設計

宋 磊， 楊翠玉， 楊卓懿， 李鵬玉

(山東交通學院 船舶與輪機工程學院， 山東 威海 264209)

0 引 言

隨著船舶行業的蓬勃發展，海洋經濟發展隨之崛起，與此同時，船舶自動化程度越來越高，人們更加關注海上船舶的安全運輸問題。目前船舶上應用各種新型設備、自動化監控設備、電力設備等，在一定程度上，不僅減輕工作人員的壓力，而且操作簡單，但要求工作人員達到必要的熟練程度，減少現代化設備的操作失誤，保證海洋運輸安全[1-2]。因此，迫切需要開發一套能夠進行人員安全訓練、設備開發的船舶駕控測試系統。

受海洋氣候、設備成本及安全因素的制約，船舶駕駛人員較少到海洋中進行實船訓練，為此需要采用船舶駕控測試系統，提高船員的駕駛能力，更好地進行海洋運輸。趙欣欣[3]總結車鐘的應用類型，并分析各種類型的利弊，設計一款以單片機為核心、應用控制器局域網絡(Controller Area Network, CAN)總線通信的船舶車鐘系統。黃曉雪等[4-5]為深入研究深水鋪管船駕控臺操作特點，采用GL Studio軟件，并結合VC++混合編程，對駕控臺儀表進行仿真。張少明等[6]設計一種基于可編輯邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)控制的船舶車鐘模擬裝置，詳細說明其硬件選型及電路設計，并進行系統的軟件及人機界面設計，可以為內河船舶或小型電推船舶車鐘控制系統設計提供借鑒。趙恒等[7]基于GPS全球定位技術，設計一種應用于新型船舶的車鐘記錄儀。鄭紅霞[8]重點研究船舶車鐘記錄儀多通道數據采集架構，利用虛擬化技術設計車鐘記錄儀數據采集與處理顯示系統，以LabVIEW為平臺進行模擬開發，并對多通道數據采集平臺進行仿真調試。上述各項研究船型單一，而新型船舶駕控測試系統則要求可適用于多種類型船舶，與傳統駕控設備相比，更為復雜、技術要求更高、涉及層面更廣[9]。

1 嵌入式車鐘系統硬件設計

嵌入式車鐘系統的硬件包括總體架構和信號采集模塊2個部分。

1.1 總體架構

對基于船舶駕控測試系統的嵌入式車鐘系統進行設計，首先需要確定車鐘系統的功能需求，進而明確車鐘系統的設計方案。“備車”“停車”“完車”“前進1～4擋”“后退1～4擋”等11個指示燈組成車鐘控制面板。在硬件模式下，由11擋旋轉按鈕控制；在通信模式下，由仿真調試軟件控制。

嵌入式車鐘系統結構如圖1所示，由具備信號接收電路、數模轉換(Digital to Analog, D/A)電路的船舶操縱信號采集模塊和具備微型控制器、撥碼模塊等在內的單片機模塊組成。其單片機部分實現旋鈕和指示燈的對應功能，使用基于lpc1768fbd100核心芯片進行系統設計，是一個具有USB功能和高速模數(Analog to Digital, A/D)轉換器的微型控制器。

“中國市場是民族企業的根，把根維護好有助于企業的良好發展，但如果想要擴大品牌影響和企業實力，海外市場是檢驗民族企業的真正考場。”畢總說，“如今，比亞迪叉車已經在海外市場取得了一定成功，如在歐美市場，比亞迪叉車與來自德國、美國、日本等眾多知名品牌同臺競技，不僅沒有依靠價格優勢去占領市場，反而因為在鋰電領域的技術優勢，獲得了極好的市場認可度和保有量，市場能有這樣的反應，用兩個字概括——便是‘品質’。”

圖2 嵌入式車鐘系統核心板

1.2 信號采集模塊

社會的進步和人類技術的進步使人們不斷地從環境中獲得越來越多的元素。這些對人們的環境有很大的影響。此外，它還造成了一系列的環境問題和人類生存危機。近年來，建筑業在能源消費中所占的比重不斷上升。這種情況也決定了建筑綠色時代的到來。可見，建筑業在節能減排方面有很大的潛力。室內設計的發展并不長，但通過了解可以知道，大多數材料都有一定的污染。因此，在這種情況下，人們開始思考如何保護生態環境，綠色生態審計的概念應運而生。

2 嵌入式車鐘系統軟件設計

嵌入式車鐘系統的軟件包括固件程序、上位機通信軟件、軟件通信協議等3個部分。

為使船舶駕控測試系統效果更加真實，在嵌入式車鐘系統中，上位機通信測試軟件以C Sharp作為基本語言進行編碼，USB驅動程序運轉。在此編碼環境下，通過調用應用程序接口(Application Programming Interface, API)函數，做出邏輯判斷，使得車鐘面板和上位機測試界面均得到正常響應[3]。圖4為用C Sharp語言編寫出來的上位機通信軟件界面，在通信指令下，圖示1為上位機軟件直接控制“后退2”燈狀態，圖示2為正確讀取“停車”燈狀態。

2.1 固件程序

軟件通信協議可劃分為RS485通信協議和Modbus通信協議，可以控制船舶模擬信號的傳輸距離、方向等屬性。

圖3 嵌入式車鐘系統設計流程

2.2 上位機通信軟件

我最初在柳江古鎮撐起畫板，就是在離那棵黃葛樹五十米開外的地方。我想把那棵歷盡風雨滄桑的古樹描繪下來，正當我要落筆的時候，樹下來了一個女人，她大大方方坐在樹下那塊長條形的石墩上，然后用自己長長的辮子逗著懷里的娃娃。又粗又黑的辮子不住地撓著娃娃的臉蛋和胳肢窩，女人“哦——哦——咿——啊……”的聲音有節奏地從樹下傳來。我的注意力完全被女人手里的那對時而揚起時而落下的辮子牽制住了。我慢慢去接近她，就在離女人不足十米的地方，我不由得停了下來，我清清楚楚地看到，女人懷里的娃娃，竟然是一個毫無生機，而且是個破舊不堪的洋娃娃。

圖4 嵌入式車鐘系統上位機通信軟件界面

2.3 軟件通信協議

固件程序可以直接控制車鐘系統，即旋鈕旋到一定擋位，相應擋位的燈亮。固件程序設計包括lpc1768fbd100單片機軟件設計和串口調試助手軟件設計，其中后者是在PC機上向單片機定時發送測試數據。單片機軟件使用Keil uVision4進行設計，通過J-Link仿真器燒錄到單片機中；上位機使用VS2015編寫，通過串口向單片機定時發送測試數據。嵌入式車鐘系統設計流程如圖3所示。首先需要接通電源，系統進行各指示燈、撥碼盤的初始化，然后系統做出判斷，判斷撥碼盤的“0”或“1”值來決定執行某一種作業模式。當為硬件指令時，此時處于硬件模式，旋轉按鈕發揮作用，旋鈕旋到一定擋位，相應擋位的燈亮。當為通信指令時，此時處于通信模式，即撥碼為“1000”時，既可以用上位機測試軟件控制燈狀態，又可以用旋轉按鈕控制燈狀態，并不妨礙上位機正常讀取燈狀態。

圖2為嵌入式車鐘系統核心板。圖示1為微控制單元(Microcontroller Unit, MCU)，芯片為lpc1768fbd100，程序下載到該芯片中，使得車鐘系統發揮作用；圖示2為電源適配器，在電壓不穩、電流過大等特殊情況下，起到保護作用，提高板子安全性能；圖示3為串行調試(Serial Wire Debug, SWD)，利用J-Link仿真器，一端連接板子，另一端連接電腦，下載程序；圖示4為撥碼模塊，通過改變撥碼燈的狀態，為車鐘系統提供不同的控制模式；圖示5 為輸入端，電路板接收旋鈕輸出的正電平；圖示6 為輸入端，電路板給燈輸出正電平；圖示7為電源模塊，提供24 V電壓。該車鐘系統核心板由模塊式組成，便于拆卸、檢查問題；板四周鉆有小孔，易于固定模塊進行調試，延長板的壽命[10]。

在選擇設備儀表接口時，首先考慮的是RS232接口，這種接口可以實現通信，但是不能實現聯網功能，而RS485恰好解決這一問題[11]。在進行設備儀表連接時，RS485采用符合通信潮流的半雙工方式，并且在通信網絡中，運用主從通信模式，能更好地解決實際設計中遇到的問題。

采集模塊由D/A電路和船舶信號接收電路2個部分組成。D/A電路可將離散的量變化為連續的量，即由航行數字信號轉換為模擬信號，傳遞到控制器，以保證船舶測試系統準確性[8]。船舶信號接收電路，一方面接收旋鈕發出的信息，另一方面將信息傳到微型控制器模塊，再上發到上位機，以確保上位機做出反饋，完成船舶駕控測試功能。

式中：Z為某垃圾填埋場適宜性總分；i為第i項制約因素，i=1,2,…n,；n為垃圾填埋場制約因素個數；Zi為第i項制約因素之總分。

在上位機測試軟件中，會用到幀結構語句。一個Modbus的幀結構由4個部分構成。第1部分是地址域，在通信作業模式下，連接設備儀表時，代表通信地址。第2部分是功能碼，通過讀寫數據達到通信的目的，此時功能碼代表目標事件，雖然Modbus 本身功能碼較多，但是在通信模式下，常用的是“讀”和“寫”，讀的功能碼為03，寫的功能碼為16。第3部分是數據，數據是指需要傳遞的消息，為最終需要達到的目的。第4部分是差錯校驗，就是用約定的各種計算方法，如偶校驗、奇校驗、停止位等，可以清楚地知道所輸入的幀結構是否正確；若出現錯誤，可以及時地做出修改，使車鐘系統發揮正常的功能。

在調試車鐘系統的過程中，船舶模擬器產生的信號，大都是雜亂無章的數字信號，在軟件通信協議的設定下，這些數字信號會整合成連貫的模擬信號，按照一定的順序排列，方便進行測試、模擬[12]。為保證模擬的準確性，前期需要對數據進行測試、整合，選擇符合要求的數據，從而保證正常通信。上位機測試軟件對信號的控制條件如表1所示。寄存器地址及數據位編寫到程序中，通過上位機軟件進行輸出測試，測試得到車鐘系統的狀態與設計完全一致。

表1 上位機測試軟件對信號的控制條件

3 結 語

基于船舶駕控測試系統的嵌入式車鐘系統設計，在實際運行、測試過程中，遇到一些不可避免的硬件布局及上位機程序測試問題，需要進行深入的研究，以增強實踐性。隨著信息技術的快速發展，未來船舶一定會朝著更加智能化、綜合化、安全化的方向發展。