陳 偉， 蔣 凱

(1.中船重工集團(tuán)第七〇四研究所， 上海 200031； 2.浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院， 浙江 杭州 310027)

基于ARM嵌入式調(diào)距槳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

陳 偉1， 蔣 凱2

(1.中船重工集團(tuán)第七〇四研究所， 上海 200031； 2.浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院， 浙江 杭州 310027)

調(diào)距槳廣泛應(yīng)用于各類艦船上，微機(jī)化調(diào)距槳控制系統(tǒng)是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。基于高性能ARM嵌入式調(diào)距槳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提高了調(diào)距槳智能化水平，實(shí)現(xiàn)了高速匹配算法控制及高效可靠信息傳送機(jī)制。分布式模塊化設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有易維護(hù)、可移植、可擴(kuò)展的特點(diǎn)，為現(xiàn)代船舶工業(yè)全船監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

嵌入式系統(tǒng) 調(diào)距槳 智能IO

1 引言

可調(diào)螺旋槳(簡(jiǎn)稱調(diào)距槳)可以充分吸收主機(jī)的全功率，有較高的螺旋槳平均效率，在部分負(fù)荷時(shí)可以實(shí)現(xiàn)螺旋槳與主機(jī)轉(zhuǎn)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(yīng)用于各種軍艦和商船。因此，對(duì)調(diào)距槳控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

調(diào)距槳控制系統(tǒng)的核心技術(shù)是數(shù)字控制器和相關(guān)的傳感檢測(cè)系統(tǒng)。隨著單片機(jī)技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于機(jī)電控制系統(tǒng)，嘗試將具有高性能，高穩(wěn)定性的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到調(diào)距槳控制系統(tǒng)成為一個(gè)重要的發(fā)展方向[2] 。本文針對(duì)船用嵌入式系統(tǒng)要求，采用高性能Philips ARM7 2200系列芯片等作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了具有信息處理、匹配算法控制、狀態(tài)檢測(cè)、主機(jī)過(guò)載保護(hù)、信息保存等功能的分布式模塊化調(diào)距槳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)整體方案

調(diào)距槳控制系統(tǒng)控制螺旋槳、螺旋槳驅(qū)動(dòng)等機(jī)械部件，通過(guò)電液比例系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作[3]。調(diào)距槳控制系統(tǒng)由電控系統(tǒng)中心、集控室、駕控室、液晶顯示、信號(hào)輸入輸出連接中心、PC軟件控制端等6個(gè)子系統(tǒng)組成，整個(gè)系統(tǒng)整體方案如圖1所示。各部分功能如下所述：

圖1 調(diào)距槳控制系統(tǒng)整體方案

(1) 電控中心是系統(tǒng)核心部分，負(fù)責(zé)與各個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同工作，是完成數(shù)據(jù)處理、信號(hào)傳輸、輸出控制、信息存儲(chǔ)等功能的核心部件，是系統(tǒng)的中樞控制區(qū)。

(2) 信號(hào)輸入輸出連接中心負(fù)責(zé)采集相關(guān)傳感器檢測(cè)信號(hào)，發(fā)送控制命令信號(hào)。

(3) 集控室與駕控室是系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制操作指令輸出系統(tǒng)，它們從電控中心獲取當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并向電控中心發(fā)送操作指令。集控室與駕控室對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制權(quán)切換也需要通過(guò)電控中心協(xié)調(diào)完成。

(4) 液晶顯示模塊自帶操作鍵盤(pán)，用戶可以輸入螺距、主機(jī)轉(zhuǎn)速匹配表及控制算法參數(shù)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(diào)試工作。

本文根據(jù)整體方案，設(shè)計(jì)了一套高性能嵌入式調(diào)距槳控制系統(tǒng)：采用具有4CAN總線接口的Philips LPC2292系統(tǒng)的ARM7控制器為CPU；以帶CAN總線接口的SOC芯片C8051F040作為數(shù)據(jù)采集與控制輸入輸出接口芯片；系統(tǒng)內(nèi)部以CAN總線作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

3 電控系統(tǒng)中心

電控系統(tǒng)中心的核心任務(wù)是完成螺距的精確控制。電控系統(tǒng)中心根據(jù)檢測(cè)螺距操縱手柄的信息后，進(jìn)行閉環(huán)控制，通過(guò)PID算法高速計(jì)算調(diào)整，精確控制液壓比例閥的輸出，使螺距值快速穩(wěn)定在目標(biāo)控制值。

當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況，電控系統(tǒng)中心需要主動(dòng)關(guān)閉比例閥，停止閉環(huán)控制算法，打開(kāi)卸荷閥，讓出螺距控制權(quán)。因此，電控系統(tǒng)中心需要具備實(shí)現(xiàn)“閉環(huán)系統(tǒng)”與“備用通道控制”的切換功能。

另外，電控系統(tǒng)中心還必須具備系統(tǒng)參數(shù)采集與報(bào)警功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)的控制模式、液壓系統(tǒng)各油路的油壓、主油箱油溫、壓力濾器狀態(tài)等信息，比如出現(xiàn)油壓過(guò)低、油溫過(guò)高、負(fù)荷過(guò)高[3]等非正常狀況時(shí)，發(fā)送報(bào)警信息，反饋到外部監(jiān)控顯示。

電控系統(tǒng)中心的硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。電控系統(tǒng)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(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和大容量固態(tài)數(shù)據(jù)記錄芯片?？梢酝瓿蓪?shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)與調(diào)距槳系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的匯總、交換、運(yùn)算、高性能閉環(huán)控制算法以及相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄等功能，設(shè)計(jì)最高閉環(huán)運(yùn)行頻率為100 Hz以上，實(shí)際運(yùn)行頻率為30 Hz，具有較大的擴(kuò)展空間和擴(kuò)展能力。

系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)如下：包括1～2塊智能輸入輸出模塊；ARM7 LPC2294 CPU運(yùn)算速度為32位字長(zhǎng)，30 MIPS以上；存儲(chǔ)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(hào)；+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(hào)輸入輸出連接中心

根據(jù)嵌入式控制系統(tǒng)的硬件接口需求，船用信號(hào)有以下5種信號(hào)類型[4]：

(1) 模擬信號(hào)輸入(AI)：主要為4～20 mA輸入信號(hào)；

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

(3) 數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入(DI)：光電隔離+5～ +24 V開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入；

(4) 數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出(DO)：光電隔離+5～ +24 V開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出；

(5) 數(shù)字脈沖信號(hào)和計(jì)數(shù)信號(hào)輸入(PULSIN)：主要為轉(zhuǎn)速信號(hào)等信號(hào)。

輸入輸出連接中心將各種船用信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并通過(guò)CAN總線與電控系統(tǒng)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此調(diào)距槳控制系統(tǒng)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(shù)字I/O和計(jì)數(shù)信號(hào)輸入輸出等接口。信號(hào)輸入輸出連接中心設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)如下：4路精度12位模擬信號(hào)輸入(AI)，采用差動(dòng)輸入，可兼容電壓和電流信號(hào)；4路精度12位模擬信號(hào)輸出(AO)，采用4～20 mA和±10 V兼容雙輸出；16路數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入(DI)為光電隔離+5～ +24 V開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入；16路數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出(DO)為光電隔離+5～ +24 V開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出；1路最高頻率100 kHz的數(shù)字脈沖信號(hào)和計(jì)數(shù)信號(hào)輸入(PULSIN)，主要為轉(zhuǎn)速信號(hào)等；開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)+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(tǒng)中心設(shè)計(jì)方案

5 智能顯示

為了提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，調(diào)距槳控制系統(tǒng)專門(mén)設(shè)計(jì)一套人機(jī)交互和數(shù)據(jù)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(pán)。人機(jī)交互和數(shù)據(jù)顯示模塊通過(guò)CAN總線將設(shè)置的參數(shù)傳給嵌入式電控系統(tǒng)中心，同時(shí)通過(guò)CAN總線將系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)在該液晶屏上顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該液晶屏具有獨(dú)立工作的特點(diǎn)，不干預(yù)主控制單元的正常工作。基于CAN總線獨(dú)立的人機(jī)交互和數(shù)據(jù)顯示模塊具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)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(jī)交互功能，從而降低了主控制單元的系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)整體可靠性和可維護(hù)性。

6 結(jié)論

本文介紹基于ARM嵌入式調(diào)距槳螺距控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以高速可靠CAN總線為數(shù)字信息的傳輸載體，高性能的ARM7芯片為CPU，實(shí)現(xiàn)信息處理、最佳匹配控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、主機(jī)過(guò)載保護(hù)、信息保存等功能。調(diào)距槳控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)更有利于系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)。目前，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)調(diào)試完成，運(yùn)行效果符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到調(diào)距槳控制系統(tǒng)中，可以顯著提高調(diào)距槳裝置的性能、智能化和可靠性，同時(shí)，也為全船監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化[5]的發(fā)展方向奠定技術(shù)基礎(chǔ)，這將是調(diào)距槳控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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

[2] 貴忠東.單片機(jī)在調(diào)距槳螺距控制系統(tǒng)中應(yīng)用[J].機(jī)電設(shè)備， 2007，1：61-64.

[3] 陳華清.負(fù)荷控制技術(shù)在船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(diào)距槳方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航海工程，2006，6：23-25.

[5] 宋麗軍.調(diào)距槳控制系統(tǒng)的演變和發(fā)展[J].機(jī)電設(shè)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(yōu)先主題項(xiàng)目(2010C11027)。

陳 偉(1978-)，男，高級(jí)工程師。

U662

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