一種船舶機(jī)電信息系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)模擬器研究與設(shè)計(jì)

摘要：本論文設(shè)計(jì)了一種船舶機(jī)電信息系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)模擬器，能夠仿真輸出船舶標(biāo)準(zhǔn)航行與助航設(shè)備的信號(hào)。該模擬器基于軟硬件集成，構(gòu)建了用于測(cè)試船舶智能系統(tǒng)平臺(tái)及應(yīng)用產(chǎn)品的仿真環(huán)境，可模擬船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，滿足測(cè)試驗(yàn)證需求。

關(guān)鍵詞：船舶；模擬器；多源數(shù)據(jù)；現(xiàn)場(chǎng)總線；數(shù)據(jù)采集；可配置

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）15-0097-03

0引言

真實(shí)的船舶航行試驗(yàn)成本高昂且機(jī)會(huì)有限，難以滿足現(xiàn)代船舶電子信息系統(tǒng)軟硬件測(cè)試的需求。因此，船舶電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)通常依賴于模擬實(shí)驗(yàn)[1]。為更好地測(cè)試國(guó)產(chǎn)新型智能化船用電子信息系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一種船舶機(jī)電信息系統(tǒng)多協(xié)議數(shù)據(jù)模擬器，其能夠仿真輸出全船標(biāo)準(zhǔn)航行與助航設(shè)備的信號(hào)。該模擬器構(gòu)建了一個(gè)軟硬件集成的仿真環(huán)境，用于測(cè)試船舶智能系統(tǒng)平臺(tái)及應(yīng)用產(chǎn)品，并滿足模擬船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的需求，從而滿足對(duì)船舶智能系統(tǒng)平臺(tái)及應(yīng)用產(chǎn)品的測(cè)試驗(yàn)證要求。該模擬器具有以下功能：仿真輸出全船標(biāo)準(zhǔn)航行與助航設(shè)備信號(hào)及機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警通信信號(hào)數(shù)據(jù)；仿真輸出常用船舶設(shè)備狀態(tài)表示及狀態(tài)模擬量信號(hào)；協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步設(shè)定狀態(tài)數(shù)據(jù)，并可模擬注入仿真故障數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)通信故障等常見(jiàn)故障；監(jiān)測(cè)受測(cè)試系統(tǒng)的狀態(tài)，并基于輸入和反饋信號(hào)對(duì)受測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障反饋[2]。該模擬器有效地完成了船用智能化軟件的測(cè)試工作，縮短了測(cè)試周期，提高了軟件開(kāi)發(fā)效率。

1模擬器組成與原理

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使得船舶電子信息系統(tǒng)可以通過(guò)仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)。開(kāi)發(fā)本模擬器可以還原真實(shí)環(huán)境下的船舶電子信息系統(tǒng)的運(yùn)行，降低維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行模擬測(cè)試[3]。本模擬器由4臺(tái)操作機(jī)控制6臺(tái)CAN通信模塊、5臺(tái)16口串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、16口交換機(jī)、48口交換機(jī)、帶防火墻的4口路由器和一臺(tái)打印機(jī)等硬件組成。具體硬件配置如下：6臺(tái)CAN通信模塊提供12個(gè)CAN總線通信端口（其中1個(gè)用于檢測(cè)）；2臺(tái)16口串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器提供32個(gè)485/422通信端口；3塊16通道開(kāi)關(guān)量TTL輸出模塊提供48路TTL開(kāi)關(guān)量輸出；4塊8通道開(kāi)關(guān)量繼電器輸出模塊提供32路繼電器開(kāi)關(guān)量輸出，總計(jì)80路開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出；13塊4通道電壓輸出模塊和13塊4通道電流輸出模塊提供104路模擬量信號(hào)輸出；5塊485轉(zhuǎn)MVB模塊提供5個(gè)MVB總線端口（其中1個(gè)用于檢測(cè)）；5塊485轉(zhuǎn)HART模塊提供5個(gè)HART總線端口（其中1個(gè)用于檢測(cè)）；48口交換機(jī)預(yù)留32個(gè)端口用于與測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境和被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；3G/4G通信設(shè)備用于與外部設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信；便攜式振動(dòng)臺(tái)用于校準(zhǔn)振動(dòng)和加速度傳感器。

船用機(jī)電與信息系統(tǒng)多協(xié)議數(shù)據(jù)模擬器硬件組成及原理框圖如圖1所示。

模擬器功能參數(shù)如下：

1）標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生質(zhì)量：1g加速度正弦信號(hào)，196Hz；

2）硬件模擬信號(hào)協(xié)議要求：能夠按照工業(yè)總線協(xié)議發(fā)送指定格式的數(shù)據(jù)，可設(shè)定通信頻率，硬件端口滿足以下協(xié)議的配置輸出：NEMA0183通信協(xié)議；FSK-485總線協(xié)議；MVB-485總線協(xié)議；以太網(wǎng)總線協(xié)議；CAN-bus總線協(xié)議；MOD-BUS通信協(xié)議[4]；

3）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模擬環(huán)境：能夠測(cè)試以太網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境通信平臺(tái)，可搭載被測(cè)試軟件進(jìn)行通信測(cè)試，包含：GPRS通信測(cè)試設(shè)備、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接測(cè)試設(shè)備、公網(wǎng)通信測(cè)試設(shè)備[5]；

4）模擬導(dǎo)航與助航設(shè)備數(shù)據(jù)輸出接口：GPS、風(fēng)速風(fēng)向儀、電羅經(jīng)、磁羅經(jīng)、自動(dòng)舵、ECDIS、測(cè)深儀、計(jì)程儀、氣象站等；

5）模擬電壓（0～10V）端口52路，精度不大于0.1%；

6）模擬電流（4～20mA）端口52路，精度不大于0.1%；

7）開(kāi)關(guān)量端口80路（TTL端口48路，繼電器端口32路）；

8）RS485/422總線，端口數(shù)量32路，提供隔離與保護(hù)；

9）CAN總線，端口數(shù)量10路，隔離與保護(hù)；

10）TCP網(wǎng)絡(luò)通信總線，端口數(shù)量32路。

2模擬器軟件設(shè)計(jì)

符合軟件工程設(shè)計(jì)要求，遵循計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)規(guī)范[6]；軟件界面友好、簡(jiǎn)單直觀、易于使用；采用模塊化設(shè)計(jì)思想，降低模塊間耦合性，便于后期升級(jí)維護(hù)；注重軟件執(zhí)行效率，確保軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性；軟件具有良好的擴(kuò)展性，便于后期升級(jí)擴(kuò)展[7]。

本模擬器軟件由開(kāi)關(guān)量信號(hào)模擬仿真測(cè)試軟件、電壓信號(hào)模擬真測(cè)試軟件、電流信號(hào)仿真測(cè)試軟件和總線信號(hào)模擬仿真測(cè)試軟件構(gòu)成。軟件組成如圖2所示。

軟件采用解耦設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)模擬器軟件分為4個(gè)獨(dú)立的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，分別用于控制開(kāi)關(guān)量模塊、電壓輸出模塊、電流輸出模塊和總線通信模塊，產(chǎn)生相應(yīng)船舶電子系統(tǒng)所需的模擬信號(hào)和仿真指令。總線信號(hào)仿真測(cè)試軟件各子模塊采用插件的形式設(shè)計(jì)，方便主程序框架加載調(diào)用；軟件模塊與硬件相關(guān)部分，全部寫(xiě)配置文件，確保后期軟、硬件的升級(jí)擴(kuò)展[5]。

2.1開(kāi)關(guān)量信號(hào)仿真測(cè)試軟件

該軟件具有以下功能：1）開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出通道配置（新建、導(dǎo)入、導(dǎo)出、保存和清除）；2）開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出/停止控制；3）通道輸出數(shù)據(jù)的配置和圖像化顯示。用戶可設(shè)置通道輸出值類型（固定值或序列值）、輸出方式（序列單次或循環(huán)輸出），以及輸出控制條件（輸出間隔時(shí)間、最終輸出狀態(tài)）等。通道輸出序列數(shù)據(jù)以圖形化方式展示。軟件工作流程如圖3所示。

開(kāi)關(guān)量信號(hào)仿真測(cè)試軟件初始主界面如圖4所示，新建開(kāi)關(guān)量配置界面如圖5所示，通道序列配置界面如圖6所示，配置完成后開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出仿真界面如圖7所示。

3模擬器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與診斷

本節(jié)描述了對(duì)模擬器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控與診斷方法，包括開(kāi)關(guān)量與模擬量模塊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和總線通信模塊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3.1開(kāi)關(guān)量與模擬量模塊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)監(jiān)控開(kāi)關(guān)量、電壓和電流模塊各端口輸出回讀值，并與設(shè)定值比對(duì)，實(shí)時(shí)判定模塊運(yùn)行狀態(tài)。異常通道將在軟件界面中進(jìn)行顏色標(biāo)識(shí)或高亮閃爍。圖8和圖9顯示了監(jiān)控界面。

3.2總線通信模塊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)觀察面板上的指示燈（RX、TX、DATA、LINK）監(jiān)控RS485和網(wǎng)絡(luò)總線通信模塊運(yùn)行狀態(tài)。此外，用戶可通過(guò)外部接線端子盒連接檢測(cè)端口，并通過(guò)軟件控制通道收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和診斷。總線信號(hào)通信檢測(cè)界面如圖10所示。

4應(yīng)用及前景討論

與其他船舶數(shù)據(jù)模擬器相比，本模擬器具有多協(xié)議兼容性、多類型數(shù)據(jù)輸出能力、針對(duì)每種協(xié)議的通信模型、靈活的系統(tǒng)配置、多樣化的接口、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)輸出和良好的可擴(kuò)展性等優(yōu)勢(shì)。在船舶智能化發(fā)展過(guò)程中，該模擬器將有力支持新型船用智能系統(tǒng)的測(cè)試與優(yōu)化，推動(dòng)船舶信息化和智能化發(fā)展[8]。目前，該模擬器已完成研發(fā)并經(jīng)過(guò)多輪測(cè)試，性能良好，穩(wěn)定可靠，已應(yīng)用于部分船舶電子系統(tǒng)和智能系統(tǒng)的測(cè)試優(yōu)化，減輕了對(duì)航行試驗(yàn)的依賴。中國(guó)智能船舶行業(yè)發(fā)展迅速，取得了突破性進(jìn)展[9]，對(duì)船用機(jī)電信息系統(tǒng)配套測(cè)試系統(tǒng)關(guān)注度的提升將有助于推動(dòng)船舶領(lǐng)域信息化與智能化的發(fā)展進(jìn)程。

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