基于ARM的艦船車鐘記錄儀設(shè)計(jì)

陳小米 張 浩

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064)

0 引言

艦船車鐘記錄儀是用于自動(dòng)記錄艦船航行和控制過(guò)程中的一些重要數(shù)據(jù)，如駕控室車令、集控室或機(jī)艙回令、螺旋槳轉(zhuǎn)速等。在艦船發(fā)生重大海損或事故后，車鐘記錄儀可作為事故原因分析調(diào)查的重要依據(jù)之一，即是俗稱的“船上黑匣子”。在平時(shí)的航行中也可通過(guò)其記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄考察艦船的運(yùn)行狀況[1]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，許多現(xiàn)代化艦船操縱系統(tǒng)已采用了計(jì)算機(jī)控制及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，船舶的車令及運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄方式也發(fā)生了很大改變。本文通過(guò)采用基于 ARM9的硬件平臺(tái)，以嵌入式WinCE操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，研制了一種通過(guò)液晶屏提供豐富圖形化人機(jī)界面、便于調(diào)試及操作的新型艦船車鐘記錄儀[2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

為了保證車鐘記錄儀的高性能，硬件系統(tǒng)采用韓國(guó)三星公司研發(fā)S3C2410A處理器，該處理器是的一款基于ARM9內(nèi)核ARM9TDMI架構(gòu)的16/32位高性能微處理器。它片上集成了豐富的外設(shè)資源：獨(dú)立16KB數(shù)據(jù)緩存和16KB指令緩存、存儲(chǔ)器管理單元、LCD控制器、NAND FLASH接口、系統(tǒng)管理功能、3通道串口、4通道DMA控制器、4通道帶PWM 的定時(shí)器、I/O接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、8通道10位分辨率ADC、LCD接口、IIC總線、IIS總線、USB接口、SD接口、2通道SPI接口和鎖相環(huán)等。因此，可以基于該處理器構(gòu)建一個(gè)功能強(qiáng)大的系統(tǒng)[3]。

在充分利用S3C2410A片上資源的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的車鐘記錄儀主要實(shí)現(xiàn)了以下四個(gè)功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)打印、人機(jī)界面顯示和設(shè)置，如圖1所示。

其中數(shù)據(jù)采集功能用于獲取主令車鐘信號(hào)、應(yīng)急車鐘信號(hào)及推進(jìn)螺旋槳轉(zhuǎn)速信號(hào)；

數(shù)據(jù)保存功能主要將采集的各種指令信號(hào)保存起來(lái)，保證在掉電情況下數(shù)據(jù)仍然能夠長(zhǎng)期保持，并擴(kuò)展了支持1G容量SD卡的接口；

數(shù)據(jù)打印功能主要通過(guò)一臺(tái)微型熱敏打印機(jī)實(shí)現(xiàn)，由觸摸屏控制，隨時(shí)打印保存的數(shù)據(jù)；

人機(jī)界面功能主要由一塊3.5英寸LCD觸摸屏組成，可以實(shí)時(shí)顯示采集的車令及轉(zhuǎn)速信息，在線對(duì)車鐘記錄儀功能做出相關(guān)的設(shè)置。

1.2 數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計(jì)

記錄儀每隔 20s（采樣時(shí)間可以通過(guò)觸摸屏在線設(shè)置）就分別對(duì)主令車鐘信號(hào)、應(yīng)急車鐘信號(hào)車鐘及推進(jìn)螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。由于上述信號(hào)均為4~20 A電流信號(hào)，而A／D轉(zhuǎn)換器采集接收的是電壓信號(hào)，所以在主控板中專門設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，如圖2所示。

根據(jù)總體施工規(guī)劃，降水井布設(shè)于隧道兩側(cè)，距離隧道外邊線約8 m，位于盾構(gòu)施工影響的三倍洞徑范圍內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中會(huì)不可避免地?cái)_動(dòng)周圍地層，使得地層發(fā)生擠壓和變形等。由于水泥管剛度低于鋼管，水泥管的抗彎、抗拉、抗壓強(qiáng)度，以及接頭側(cè)向受力更是明顯低于鋼管，在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中可能出現(xiàn)井管局部錯(cuò)位變形的可能，進(jìn)而導(dǎo)致不能正常降水甚至降水井損壞。

經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的轉(zhuǎn)換和濾波后輸出0~3.3 V的電壓信號(hào)，再經(jīng)片上ADC轉(zhuǎn)換器傳至S3C2410A處理器進(jìn)行處理。

圖2 主控板信號(hào)調(diào)理電路圖

1.3 數(shù)據(jù)保存功能設(shè)計(jì)

在記錄儀主控板上，擴(kuò)展了 32M 的 NAND FLASH作為程序存儲(chǔ)器，用來(lái)存儲(chǔ)ARM WinCE操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序。同時(shí)，設(shè)計(jì)擴(kuò)展32M的SDRAM 作為系統(tǒng)的內(nèi)存。同時(shí)利用該芯片豐富的外設(shè)接口，可以方便地進(jìn)行外部設(shè)備的擴(kuò)展，本系統(tǒng)為了異地讀取數(shù)據(jù)的方便，特意擴(kuò)展了SD卡接口，用來(lái)將采集到的各種數(shù)據(jù)保存到容量為1G的SD卡中，從而實(shí)現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)。

1.4 數(shù)據(jù)打印功能設(shè)計(jì)

為了提高記錄儀打印功能的可靠性，本文采用了市場(chǎng)上成熟的SPRT-DIIIB微型熱敏打印機(jī)。它體積小、重量輕、支持國(guó)標(biāo)GB2312的24*24點(diǎn)陣字庫(kù)打印，擁有標(biāo)準(zhǔn)的 10線針型扁平電纜插座，與RS232C標(biāo)準(zhǔn)兼容。由于S3C2410A處理器上已經(jīng)集成了3個(gè)串口通道，記錄儀利用上面的通道1作為與微型熱敏打印機(jī)的通訊接口。

1.5 人機(jī)界面功能設(shè)計(jì)

S3C2410A處理器內(nèi)部集成了液晶顯示屏(LCD)控制器，本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上外接一快SHARP公司的65526色320×240分辨率的3.5英寸的帶觸摸屏的LCD，為友好的圖形界面做好了硬件基礎(chǔ)。

觸摸屏采用的是四線電阻式觸摸屏，觸摸屏的控制采用專用控制器ADS7843芯片。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文采用嵌入式WinCE操作系統(tǒng)平臺(tái)，利用Embedded Visual C++5.0工具基于模塊化的思想開發(fā)了車鐘記錄儀的軟件程序。對(duì)在Windows CE操作系統(tǒng)下程序的構(gòu)成主要分三個(gè)層次：首先是啟動(dòng)程序，然后是的各種驅(qū)動(dòng)程序，最后是應(yīng)用程序，三者缺一不可。軟件程序的層次如圖3所示[4]。

2.1 啟動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

啟動(dòng)程序的功能主要是根據(jù)記錄儀硬件平臺(tái)的需要進(jìn)行Windows CE操作系統(tǒng)的定制，生成操作系統(tǒng)鏡像。創(chuàng)建一個(gè)功能完善的 Boot Loader，是開發(fā)WinCE系統(tǒng)的第一步。

圖3 基于WinCE的記錄儀軟件層次圖

2.2 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

Windows CE的驅(qū)動(dòng)程序有兩種模型：本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由原始設(shè)備制造商創(chuàng)建的，用以驅(qū)動(dòng)如鍵盤、觸摸屏、音頻設(shè)備等。接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則是由第三方生產(chǎn)商提供，以支持添加到系統(tǒng)的設(shè)備。WinCE下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在與應(yīng)用程序相同的保護(hù)級(jí)上工作。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)程序是由設(shè)備管理進(jìn)程加載的，所有的這些啟動(dòng)程序?qū)⒐蚕硗粋€(gè)進(jìn)程地址空間。本文中主要編寫了以下驅(qū)動(dòng)程序：

（1）本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)：實(shí)時(shí)時(shí)間模塊；

（2）LCD驅(qū)動(dòng)：用于圖形顯示操作界面，人機(jī)交互顯示；

（3）本地存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)：存儲(chǔ)內(nèi)核鏡像，文件系統(tǒng)鏡像，數(shù)據(jù)庫(kù)等，掉電保留；

（4）移動(dòng)存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)：SD卡驅(qū)動(dòng)；

（5）微型打印機(jī)驅(qū)動(dòng)：打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

2.3 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

在應(yīng)用程序中，根據(jù)系統(tǒng)的功能，本文主要編制了以下子程序：

（1）A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波子程序：采用多次復(fù)用采集，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并編制相應(yīng)的數(shù)字濾波程序，實(shí)現(xiàn)軟件的抗干擾；

（2）數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)子程序：將采集的數(shù)據(jù)按順序存入FLASH中，并標(biāo)定時(shí)間記錄；

（3）串行通信子程序：按照約定的數(shù)據(jù)幀格式，實(shí)現(xiàn)與熱敏打印機(jī)的數(shù)據(jù)單向傳送；

(4)GUI顯示處理子程序：實(shí)現(xiàn)參數(shù)和采集數(shù)據(jù)的顯示，以及觸摸程序的識(shí)別和處理，完成與觸摸屏的雙向數(shù)據(jù)交換。其中，人機(jī)交互界面，主要由三部分組成：主界面、功能界面、子功能界面。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文就基于ARM硬件平臺(tái)和WinCE操作系統(tǒng)艦船車鐘記錄儀的功能和設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。充分利用嵌入式ARM芯片處理強(qiáng)大的運(yùn)算能力和豐富的接口功能，集成度高、抗擾性能好等優(yōu)點(diǎn)，以及利用C++語(yǔ)言在Embedded Visual C++5.0環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用軟件的便捷性，成功構(gòu)建一個(gè)圖形界面友好，操作方便，集數(shù)據(jù)采集、顯示、打印于一體的車鐘記錄系統(tǒng)，具有很好的發(fā)展前景，滿足了今后艦船航行記錄的要求。

[1]陶勇, 龍飛等. TCJ-1型通用車鐘記錄儀的研制. 船電技術(shù)[J], 2007(1), 31-33.

[2]孫秀強(qiáng), 宋延民. 單片機(jī)在通用船舶車鐘記錄儀中的應(yīng)用[J].天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2001(2),23-26.

[3]陳方亮, 王勁等. 一種基于C8051F020單片機(jī)和TL16C554串行通信接口的車鐘記錄儀[J]. 船電技術(shù), 2007（增刊）, 52-55.

[4]屈博, 楊耿煌等. 基于ARM9 Linux的手持電能質(zhì)量分析儀[J]. 電子測(cè)量技術(shù), 2007（8）, 94-98.

[5]繆兵. 基于ARM9內(nèi)核的嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器, 2010（1）, 70-73.