章郁泱 李長(zhǎng)海 周冠澤

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

0 引 言

噴水推進(jìn)作為船舶的一種推進(jìn)方式，已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種高速船舶、中低速淺吃水工程船上。噴水推進(jìn)裝置由進(jìn)水流道、噴水推進(jìn)器、操舵倒航機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等幾大部分組成。其中報(bào)警系統(tǒng)是噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)中重要的組成部分。

船舶行駛時(shí)，噴水推進(jìn)裝置長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫、高濕、震動(dòng)的環(huán)境下，容易發(fā)生故障，需要通過(guò)報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)出報(bào)警，以保證船舶行駛的安全性。報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Silicon公司C8051F040單片機(jī)（下文簡(jiǎn)稱MCU），其主要針對(duì)船舶噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的故障進(jìn)行報(bào)警。

1 系統(tǒng)原理和功能

船舶噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)故障來(lái)源分為電源故障、操控系統(tǒng)故障和液壓系統(tǒng)故障。電源故障主要為液壓動(dòng)力電源（AC380 V）故障和控制電源（DC24 V）故障。操控系統(tǒng)故障則包括上、下位機(jī)故障、反饋裝置故障、主機(jī)遙控故障和通信故障等。液壓系統(tǒng)故障是指液壓系統(tǒng)中泵站、管路、閥件等發(fā)生故障，如液壓泵站濾器堵塞、液壓油位低、液壓油高溫和液壓油壓力低等。

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，由MCU數(shù)字I/O引腳采集故障信號(hào)，經(jīng)軟件濾波、邏輯判斷后，發(fā)出報(bào)警控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)報(bào)警負(fù)載，報(bào)警方式為聲、光形式；同時(shí)通過(guò)CAN總線將報(bào)警信號(hào)從舵機(jī)艙傳送至駕駛室進(jìn)行報(bào)警和顯示，并根據(jù)需要將重要報(bào)警信號(hào)發(fā)送至相關(guān)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)變更處理，以確保航行安全。所有報(bào)警信號(hào)通過(guò)CAN總線送至上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，為后續(xù)故障分析與處理提供可靠數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)基于雙CAN總線組成全船網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。圖1為該報(bào)警系統(tǒng)原理圖。

圖1 報(bào)警系統(tǒng)原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

報(bào)警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)及I/O外圍接口電路。

2.1 單片機(jī)的選擇

系統(tǒng)控制核心選用Silicon公司的C8051F040單片機(jī)（MCU），該型單片機(jī)集成度很高，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，64個(gè)數(shù)字I/O引腳和4 352（4 k+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM。片內(nèi)集成了一個(gè)CAN2.0B控制器、一個(gè)12位100 kspsADC輸入、64 kB可編程FLASH存儲(chǔ)器、可尋址64 kB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口、5個(gè)通用16位定時(shí)器和片內(nèi)看門(mén)狗等功能［1］。通過(guò)MCU硬件電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信號(hào)的采集以及控制報(bào)警負(fù)載與MCU的接口連接。

2.2 I/O外圍電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶報(bào)警系統(tǒng)規(guī)范要求并結(jié)合船舶行駛工況條件，報(bào)警系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）多故障信號(hào)采集點(diǎn)

噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)故障信號(hào)源較多，以開(kāi)關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)為主。MCU具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳，每個(gè)引腳帶有數(shù)據(jù)鎖存功能，可采集大量開(kāi)關(guān)量故障信號(hào)并通過(guò)軟件從相應(yīng)寄存器中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。MCU還設(shè)有4路模擬量專用采樣通道，配合12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換和MCU內(nèi)部基準(zhǔn)電源，可對(duì)模擬量故障信號(hào)（例如液壓溫度、壓力、流量、主機(jī)轉(zhuǎn)速等）進(jìn)行采樣，通過(guò)軟件處理及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（2）故障信號(hào)聲光報(bào)警功能

根據(jù)《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》第8章第3節(jié)內(nèi)容規(guī)定，所有故障報(bào)警具備同時(shí)發(fā)出視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)報(bào)警信號(hào)，且視覺(jué)信號(hào)應(yīng)清晰可見(jiàn)、聽(tīng)覺(jué)信號(hào)應(yīng)有足夠的響度［2］。

本系統(tǒng)在駕控室設(shè)有故障報(bào)警聲光指示單元，由蜂鳴器發(fā)出聲報(bào)警，發(fā)光二極管發(fā)出光報(bào)警。在船舶晝航時(shí)，陽(yáng)光照射強(qiáng)度較大，為了使光報(bào)警能夠在晝航時(shí)清晰可見(jiàn)，采用幾個(gè)發(fā)光二極管并聯(lián)工作方式來(lái)提高光報(bào)警的視覺(jué)效果。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試：采用DC 24 V為工作電壓，蜂鳴器工作電流為10 mA左右。使用并聯(lián)方式后，發(fā)光二極管工作電流將達(dá)到20 mA或更高，聲、光完全滿足使用要求。但MCU數(shù)字I/O引腳的驅(qū)動(dòng)能力為uA級(jí)別，需增加蜂鳴器和發(fā)光二極管工作所需的驅(qū)動(dòng)能力。為此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于ULN2803的驅(qū)動(dòng)電路（見(jiàn)圖2）。

圖2 基于ULN2803的驅(qū)動(dòng)電路原理圖

ULN2803又名“達(dá)林頓晶體管矩陣”，由8路驅(qū)動(dòng)器集成，最大電流增益可達(dá)500 mA。圖2中的（1）～（8）號(hào)引腳為輸入端，與MCU相連并受其控制；（11）～（18）號(hào)引腳為輸出端，連接所需驅(qū)動(dòng)負(fù)載（指示燈、蜂鳴器）；（9）號(hào)引腳接地；（10）號(hào)引腳作為保護(hù)用接電源正。若驅(qū)動(dòng)負(fù)載為感性負(fù)載，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生低于地電位和高于電源電位的反電動(dòng)勢(shì)，很容易擊穿器件，接電源正利用ULN2803內(nèi)部鉗位二極管可保護(hù)線圈通斷時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)擊穿器件。

（3）適應(yīng)惡劣環(huán)境能力

報(bào)警系統(tǒng)在船舶上的工作環(huán)境惡劣，例如：高溫、高濕、振動(dòng)、鹽霧和強(qiáng)干擾源經(jīng)常會(huì)使設(shè)備損壞或工作不正常。為了在各種環(huán)境下系統(tǒng)能夠正常工作，本設(shè)計(jì)選用陶瓷封裝的芯片，其優(yōu)點(diǎn)是散熱能力好；并在線路板上施加了三防措施，保證了控制核心部件（PCB電路板）長(zhǎng)久可靠工作。在信號(hào)的輸入、輸出部分應(yīng)用了隔離技術(shù)，對(duì)內(nèi)部MCU和主要芯片工作電源與外部故障信號(hào)及負(fù)載工作電源進(jìn)行物理隔離。使用TLP521光電耦合器，組成經(jīng)典光耦開(kāi)關(guān)電路，如圖3所示。經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證、電源隔離后，整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力得到提高。

圖3 光耦開(kāi)關(guān)電路

報(bào)警系統(tǒng)采取如上設(shè)計(jì)后，通過(guò)了高溫濕熱、振動(dòng)、鹽霧以及電磁兼容等多項(xiàng)試驗(yàn)。表明本系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下工作能力強(qiáng)，系統(tǒng)可靠性得到強(qiáng)化。

（4）CAN總線的應(yīng)用

根據(jù)《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》第8章第3節(jié)內(nèi)容規(guī)定：在實(shí)施控制功能的控制站，應(yīng)設(shè)有報(bào)警裝置［2］。

駕控室是噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)施控制功能的主要場(chǎng)所，因此必須在駕控室設(shè)報(bào)警裝置。而噴水推進(jìn)控制系統(tǒng)故障信號(hào)大多集中于舵機(jī)艙內(nèi)，所以，故障信號(hào)采集處理單元建立在舵機(jī)艙內(nèi)是最佳方案。此時(shí)，如何將舵機(jī)艙報(bào)警單元采集處理的故障信號(hào)傳遞至駕控室報(bào)警單元報(bào)警并顯示成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。若采用信號(hào)延伸的方式可將故障信號(hào)引入駕控室內(nèi)，但也由此會(huì)造成大量的敷線工作及可能帶來(lái)信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸和干擾問(wèn)題。本設(shè)計(jì)是通過(guò)CAN總線來(lái)解決駕控室報(bào)警單元與舵機(jī)艙報(bào)警單元的報(bào)警信號(hào)傳遞，并采用雙CAN冗余設(shè)計(jì)，增加信號(hào)傳遞的可靠性。

圖4 雙CAN報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)

CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，采用了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線具有可靠性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好和靈活等特性［3］。本系統(tǒng)采用雙CAN冗余設(shè)計(jì)，分為CAN1、CAN2且互為備用。由MCU片內(nèi)集成CAN2.0B控制器與CTM1050T通信收發(fā)模塊組成CAN1通信；另由SJA1000CAN控制器芯片和CTM1050T通信收發(fā)模塊組成了CAN2通信。

本系統(tǒng)中的報(bào)警信號(hào)，尤其是重要的信號(hào)不僅在第一時(shí)間告知船舶駕控人員，而且還可通過(guò)CAN總線及時(shí)地發(fā)送至上、下位機(jī)及主機(jī)遙控系統(tǒng)等重要的船用設(shè)備，采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，確保船舶航行安全，做到信號(hào)人機(jī)共享。雙CAN冗余設(shè)計(jì)又能使通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性更強(qiáng)。

圖5 CAN總線電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

MCU采用Silicon Lab的專利CIP-51微控制器內(nèi)核［1］。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，其采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比，指令執(zhí)行速度有很大提高，可以更好地滿足船舶報(bào)警迅速、準(zhǔn)確的要求。本設(shè)計(jì)的軟件采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，主要功能有：

3.1 主控程序設(shè)計(jì)

主要完成系統(tǒng)初始化、變量初始化、采樣數(shù)據(jù)并處理以及報(bào)警控制等功能。報(bào)警系統(tǒng)要滿足真實(shí)性好，無(wú)誤報(bào)警現(xiàn)象，在系統(tǒng)初始化完成后，重點(diǎn)設(shè)計(jì)在于故障信號(hào)采樣的軟件處理。

本設(shè)計(jì)運(yùn)用循環(huán)語(yǔ)句對(duì)數(shù)據(jù)口的開(kāi)關(guān)、數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行反復(fù)采樣，通過(guò)新舊采樣值的比較確定故障狀態(tài)。開(kāi)關(guān)、數(shù)字量信號(hào)是指非連續(xù)性信號(hào)的采集和輸出，它有0和1兩種狀態(tài)。通過(guò)數(shù)字I/O引腳將采樣到的故障信號(hào)送入相應(yīng)控制寄存器中，鎖存信號(hào)數(shù)據(jù)狀態(tài)直至下一次發(fā)生變化為止。

以P1口為例：定義字符型變量alarm，將其賦值給P1口控制寄存器，循環(huán)讀取P1口寄存器中數(shù)據(jù)。若以0為正常、1為故障信號(hào)，則當(dāng)讀取到的數(shù)據(jù)由0變?yōu)?時(shí)，表示采樣到故障信號(hào)。

另外，運(yùn)用MCU內(nèi)部定時(shí)器對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行延時(shí)判斷處理，增強(qiáng)數(shù)據(jù)采樣的真實(shí)性。

報(bào)警控制是指發(fā)出某個(gè)控制指令對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行操作。本設(shè)計(jì)中報(bào)警控制包括：“試燈”、“應(yīng)答”和“消音”。采樣到的故障信號(hào)經(jīng)過(guò)MCU處理后點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈并發(fā)出閃爍光，蜂鳴器發(fā)出聲響?！跋簟敝噶羁上澍Q器聲響；“應(yīng)答”指令使燈光變?yōu)槠焦猓收吓懦髨?bào)警指示燈光保持直至接收到“應(yīng)答”指令后熄滅；“試燈”指令可對(duì)報(bào)警站所有報(bào)警指示燈進(jìn)行手動(dòng)試燈自檢。

3.2 CAN通信程序設(shè)計(jì)

CAN通信程序設(shè)計(jì)需先將兩路CAN通信的變量初始化，并對(duì)相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)CAN數(shù)據(jù)幀定義將所需發(fā)送數(shù)據(jù)賦值于數(shù)據(jù)場(chǎng)中，數(shù)據(jù)場(chǎng)可由0～8字節(jié)組成，通過(guò)對(duì)發(fā)送寄存器設(shè)置和使用將數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN網(wǎng)絡(luò)中。設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)是接收CAN通信其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。CAN通信可以連接很多節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有自己獨(dú)立的標(biāo)識(shí)符，要從眾多節(jié)點(diǎn)中獲取有用的數(shù)據(jù)，并且屏蔽其他數(shù)據(jù)，需要對(duì)通信接收進(jìn)行過(guò)濾。本設(shè)計(jì)運(yùn)用Switch函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收過(guò)濾的功能。

圖6 報(bào)警系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié) 論

基于C8051F040單片機(jī)的船舶噴水推進(jìn)控制報(bào)警系統(tǒng)是典型的帶CAN總線單片機(jī)報(bào)警系統(tǒng)，現(xiàn)已成功用于兩型搜救船上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠。隨著噴水推進(jìn)裝置的廣泛應(yīng)用，本報(bào)警系統(tǒng)也將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化，獲得更好的發(fā)展。

［1］新華龍電子有限公司.C8051F040混合信號(hào)ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)Rev 1.4［M］.2004.

［2］中國(guó)船級(jí)社.海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［3］史久根，張培仁，陳真勇.CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：21-22.