船舶綜合報(bào)警器的設(shè)計(jì)

胡佳文，馬鶴鳴，俞紅杰

（1.浙江海洋學(xué)院機(jī)電學(xué)院，浙江舟山 316004；2.寧波海運(yùn)股份有限公司，浙江寧波 315020）

海上航行，安全至關(guān)重要。隨著船舶自動(dòng)化程度的不斷提高，各種用于保障船舶航行中人身、設(shè)備安全的裝置應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)代海運(yùn)船舶通常裝備的報(bào)警設(shè)施有：通用警報(bào)裝置、火災(zāi)報(bào)警器、水密門報(bào)警器、冷藏庫報(bào)警器、起拋錨報(bào)警器、供水報(bào)警器、CO2施放預(yù)告報(bào)警器、無人值守報(bào)警器、船舶機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)等。大多數(shù)的報(bào)警裝置或報(bào)警提示裝置會(huì)安裝在駕駛室內(nèi)，而這些報(bào)警裝置一般都使用類似的聲光報(bào)警提示。由于報(bào)警裝置眾多，又分布在駕駛室內(nèi)各個(gè)位置，因而在報(bào)警信號產(chǎn)生時(shí)，值班人員需要花費(fèi)一定的時(shí)間查找報(bào)警源，從而延長了處理緊急情況的時(shí)間。

據(jù)調(diào)查了解，目前在航、在建的國內(nèi)或國際航線的船舶根據(jù)自動(dòng)化程度的高低裝備了數(shù)量不等的報(bào)警設(shè)備，有的多達(dá)十幾種報(bào)警信號源，其分布范圍已大大超過值班人員的視覺范圍，對于查找報(bào)警信號源極為不利，因此設(shè)計(jì)一種船舶綜合報(bào)警器十分必要。而國內(nèi)外市場上尚未見此獨(dú)立、通用的船舶綜合報(bào)警器產(chǎn)品，檢索相關(guān)研究論文也無果。

筆者研究并設(shè)計(jì)了一個(gè)電子裝置，可以在不改變或很少改動(dòng)原有報(bào)警系統(tǒng)的條件下，把所有的報(bào)警信號綜合到一起，當(dāng)報(bào)警信號出現(xiàn)時(shí)，可以容易發(fā)現(xiàn)報(bào)警源，進(jìn)而在第一時(shí)間采取相應(yīng)措施應(yīng)對緊急情況。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)船舶規(guī)范要求，報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)滿足：所有的報(bào)警應(yīng)同時(shí)發(fā)出視覺和聽覺報(bào)警信號；報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)能對同時(shí)發(fā)生的所有故障發(fā)出報(bào)警信號；報(bào)警設(shè)備可設(shè)有消除聽覺報(bào)警信號（消聲）的裝置；如單個(gè)報(bào)警在機(jī)艙集控站（室）已有顯示，則也應(yīng)在其他相關(guān)的控制站顯示報(bào)警信號，但可采用組合報(bào)警的方式顯示；報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)具有自檢功能，即對自身的故障自動(dòng)進(jìn)行檢測和報(bào)警（或指示），以防止有警不報(bào)或誤報(bào)警[1]。

現(xiàn)代船舶裝備了各種類型的報(bào)警器或報(bào)警系統(tǒng)，可以滿足不同的應(yīng)用需求。筆者設(shè)計(jì)的綜合報(bào)警器是這些報(bào)警系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的延伸。通常，船舶上的報(bào)警裝置都有報(bào)警信號輸出的接口，可以作為本系統(tǒng)的輸入信號。少數(shù)沒有輸出接口的設(shè)備，只需稍加改造，在蜂鳴器處并聯(lián)1個(gè)繼電器作為輸出信號即可。因此本系統(tǒng)的輸入信號為開關(guān)量信號。筆者設(shè)計(jì)了16路獨(dú)立輸入接口，可以接入16種不同的報(bào)警設(shè)備，足以滿足現(xiàn)代船舶應(yīng)用的需要。

另外，考慮到報(bào)警信號要輸入到VDR（船舶黑匣子），設(shè)計(jì)了與輸入對應(yīng)的16路輸出接口。該接口也可應(yīng)用于其他延伸報(bào)警。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

整個(gè)報(bào)警器系統(tǒng)由1個(gè)主控制器和2個(gè)信號接線板組成，系統(tǒng)主要電路都設(shè)計(jì)在主控制器內(nèi)，信號接線板主要用于輸入輸出信號的接線。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊，由于船舶內(nèi)空間有限，采用該結(jié)構(gòu)可以節(jié)省空間，并且方便安裝、調(diào)試。

主控制器內(nèi)電路包含電源部分、16路開關(guān)量信號輸入電路、16路開關(guān)量信號輸出電路、16路LED指示燈、32位撥碼開關(guān)、4只按鈕和1只蜂鳴器?？刂破髟砣鐖D2所示。

電源部分為整個(gè)報(bào)警器系統(tǒng)提供電能。由于船用設(shè)備可靠性要求很高，所以電源的設(shè)計(jì)也尤為重要。本系統(tǒng)采用交流、直流雙電源輸入，經(jīng)過各自的電壓變換電路后，通過二極管隔離后并聯(lián)，互為備用，大大提高了電源的可靠性。現(xiàn)代船舶通常有兩路以上的供電，一般主電源是220 V交流，由船用發(fā)電機(jī)提供，備用電源是24 V直流，由充放電板（蓄電池）提供。24 V直流可以直接接入報(bào)警器的直流輸入端，220 V交流則通過變壓器降壓到24 V再接入報(bào)警器的交流輸入端。在電源穩(wěn)壓電路調(diào)試的時(shí)候，適當(dāng)將交流那一路穩(wěn)壓輸出的電壓調(diào)到稍高于直流輸出的那一路，這樣可使在有220 V主電源供給的正常航行狀況下，報(bào)警器主要使用主電源，從而減少對24 V備用電源的消耗。

圖1 船舶綜合報(bào)警器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of integrated navigation alarmer

圖2 船舶綜合報(bào)警器主控制器原理框圖Fig.2 Block diagram of main controller

16路開關(guān)量信號輸入是報(bào)警器工作的依據(jù)。通常由其他船舶報(bào)警器提供的開關(guān)量報(bào)警信號都較為穩(wěn)定、可靠，但考慮到信號傳輸導(dǎo)線比較長，而且船舶上機(jī)電設(shè)備眾多，導(dǎo)線上串入的干擾信號也不可忽視，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了抗干擾的濾波電容，以及光電隔離措施以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠。

16路繼電器輸出的設(shè)計(jì)可應(yīng)用于將報(bào)警信號傳送至VDR，實(shí)時(shí)記錄船舶航行過程中各種設(shè)備的報(bào)警情況，在出現(xiàn)意外進(jìn)行事故分析或責(zé)任認(rèn)定的時(shí)候可以提取數(shù)據(jù)。此外，也可將輸出信號延伸至全船報(bào)警，以便在出現(xiàn)報(bào)警而無人值班室，能鳴響全船高音喇叭，提醒船員處理。

在綜合報(bào)警器主控器面板上，安裝16路組合式LED指示燈，用于指示每一路的報(bào)警情況。LED指示燈具有功耗小、壽命長、顏色鮮艷、光線柔和的特點(diǎn)[2]。本報(bào)警器采用的組合式LED指示燈不但結(jié)構(gòu)緊湊，而且透明的燈帽內(nèi)可以由用戶貼入標(biāo)簽，使得報(bào)警情況一目了然，非常直觀和實(shí)用。

由于船用報(bào)警設(shè)備生產(chǎn)廠家眾多，品牌型號各不相同，輸出信號觸點(diǎn)類型有常開，也有常閉。本報(bào)警器設(shè)計(jì)了32位撥碼開關(guān)，可以對每一路的輸入信號單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置，可以設(shè)為常開或常閉報(bào)警。另外也可以對輸出觸點(diǎn)信號進(jìn)行設(shè)置，設(shè)為常開有效或常閉有效。

報(bào)警器設(shè)計(jì)了4個(gè)按鈕，設(shè)置功能為試驗(yàn)、消音、復(fù)位與調(diào)光。根據(jù)船舶規(guī)范的要求，報(bào)警設(shè)備應(yīng)當(dāng)有試驗(yàn)功能，以測試報(bào)警設(shè)備自身是否有故障，防止誤報(bào)警或不報(bào)警。在報(bào)警產(chǎn)生后，可以有消除聲響的裝置，但要保留報(bào)警指示。在故障排除后，報(bào)警信號應(yīng)當(dāng)自動(dòng)或人工消除。另外，在駕駛室的發(fā)光設(shè)備，必須具備調(diào)光功能，以免因光線太強(qiáng)而影響船員夜間駕駛。

蜂鳴器用于在報(bào)警產(chǎn)生時(shí)進(jìn)行聲音提醒?？梢杂孟舭粹o消除某一通道本次產(chǎn)生的報(bào)警聲音，但不影響其他通道或本通道下一次聲音的產(chǎn)生。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

（1）開關(guān)量信號輸入電路：輸入電路采用了光電隔離技術(shù)，當(dāng)外接的其他報(bào)警設(shè)備的無源觸點(diǎn)閉合后，電流經(jīng)R35流過LED再通過光耦，這樣光耦的輸出端就可以輸出一個(gè)被單片機(jī)檢測到的信號，從而完成開關(guān)量信號的采集。二極管D7為反電壓提供通路，保護(hù)了光耦。電容C36可以過濾高頻干擾信號。開關(guān)量信號輸入電路如圖3所示。

（2）開關(guān)量輸出電路：輸出電路的設(shè)計(jì)也采用了光耦隔離技術(shù)，單片機(jī)輸出的信號經(jīng)光耦輸出，并設(shè)計(jì)了LED指示輸出狀態(tài)，三極管放大后驅(qū)動(dòng)繼電器。設(shè)計(jì)中將繼電器的常開、常閉觸點(diǎn)都引出，方便不同的應(yīng)用需要，如圖4所示。

（3）主控單片機(jī)電路：主控單片機(jī)選用的是Atmel公司的AVR系列單片機(jī)。AVR單片機(jī)是Atmel公司于1997年研發(fā)推出的，采用了精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set CPU）結(jié)構(gòu)的單片機(jī)。AVR單片機(jī)運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)，在前一條指令執(zhí)行的時(shí)候就取出現(xiàn)行的指令，然后以單周期執(zhí)行指令，所以在相同的時(shí)鐘頻率條件下，具有更高運(yùn)行速度。ATmega系列屬于AVR單片機(jī)中的中高檔產(chǎn)品，它承襲了AT90系列所有的優(yōu)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上增加了更多接口功能，而且在省電性能、穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性等方面設(shè)計(jì)得更加周全和完善[3]。

ATmega16單片機(jī)有豐富的接口可以滿足報(bào)警器眾多外圍設(shè)備連接的需求，內(nèi)置的定時(shí)器具有PWM波產(chǎn)生的功能，可以用于LED指示燈的調(diào)光。在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)采用了8 MHz的時(shí)鐘頻率，利用JETAG接口對單片機(jī)進(jìn)行程序下載和仿真調(diào)試。主控單片機(jī)電路如圖5所示。

圖3 開關(guān)量信號輸入電路原理圖Fig.3 Digital signal input schematic

圖4 開關(guān)量輸出電路原理圖Fig.4 Digital signal output schematic

3 軟件設(shè)計(jì)

報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)采用C語言編寫程序。C語言有結(jié)構(gòu)化、能產(chǎn)生高效代碼等優(yōu)勢，可以大幅度加快開發(fā)進(jìn)度，特別是開發(fā)一些復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)[4]。

報(bào)警器的主程序流程如圖6所示。系統(tǒng)上電復(fù)位，開始運(yùn)行程序，首先進(jìn)行初始化和系統(tǒng)自檢等工作，初始化及自檢完成后，主程序?qū)ο到y(tǒng)自身狀況進(jìn)行判斷，若有故障，則退出程序，并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器、閃亮LED指示燈報(bào)警；若初始化及自檢正常，則繼續(xù)進(jìn)入主程序運(yùn)行。主程序報(bào)警工作的過程首先是通過掃描16路輸入端口讀入開關(guān)量信號，然后掃描32位撥碼開關(guān)讀入設(shè)置信號，對兩種信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算和關(guān)系判斷，得出報(bào)警與否的結(jié)論，然后驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的16路繼電器輸出報(bào)警或不報(bào)警的信號，同時(shí)閃爍或點(diǎn)亮或不點(diǎn)亮對應(yīng)的16路LED指示燈，并根據(jù)是否有報(bào)警產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲或不發(fā)聲。然后進(jìn)行4路按鍵掃描，若檢測到有按鍵按下，則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能程序，例如試驗(yàn)按鍵被按下時(shí)就執(zhí)行系統(tǒng)自檢，并點(diǎn)亮所有的LED指示燈及鳴響蜂鳴器；消音按鍵被按下則停止蜂鳴器發(fā)聲，并將閃爍報(bào)警的LED指示燈改為平光顯示；復(fù)位按鍵被按下時(shí)則根據(jù)報(bào)警信號是否消除有選擇地將對應(yīng)通道的報(bào)警信號撤銷；調(diào)光按鍵每被按下一次，則將LED指示燈的亮度提高一級，總共分8級，達(dá)到最大亮度，再按則恢復(fù)到最低亮度。

圖5 主控單片機(jī)電路原理圖Fig.5 Main microcontroller schematic

4 小結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的船舶綜合報(bào)警器，滿足船級社和國際海事組織對船舶報(bào)警設(shè)備的要求。由于采用了高性能的AVR單片機(jī)，報(bào)警反應(yīng)迅速、性能穩(wěn)定可靠。創(chuàng)新性的交流、直流雙電源輸入設(shè)計(jì)，極大程度地保障了該報(bào)警器在多種突發(fā)情況仍能保持穩(wěn)定不間斷地工作。采用組合式LED指示燈的設(shè)計(jì)，使得該報(bào)警器通用性較好，可以適應(yīng)各種的船舶的綜合報(bào)警需求，并且用戶可以自定義指示燈標(biāo)簽，可以更適合用戶直觀地了解報(bào)警情況。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flowchart

[1]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[2]秉 時(shí),杜 浩.LED指示燈的應(yīng)用趨勢[J].紅外,1999（12）：51-51

[3]馬 潮,詹衛(wèi)前,耿德根.ATmega8原理及應(yīng)用手冊[M].北京：清華大學(xué)出版社,2003.

[4]沈 文,LEE E,詹衛(wèi)前.AVR單片機(jī)C語言開發(fā)入門指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2003.