基于單片機(jī)的船舶主機(jī)遙控車鐘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦珩，陳生春

（海軍大連艦艇學(xué)院，大連 116018）

0 引言

駕控臺(tái)設(shè)于船舶駕駛室，是艦船的控制中心，集中了船舶航行的全部設(shè)備與系統(tǒng)，其中主機(jī)遙控系統(tǒng)在駕駛臺(tái)的主要設(shè)備是遙控車鐘。在船舶機(jī)艙集控室中，同樣設(shè)置有集中控制臺(tái)，主要控制和監(jiān)測(cè)船舶主動(dòng)力裝置（主機(jī)）的運(yùn)行，其中主機(jī)遙控車鐘同樣是集控臺(tái)的主要設(shè)備，負(fù)責(zé)接收和傳送主機(jī)車令信號(hào)。機(jī)旁同樣設(shè)置有主機(jī)遙控車鐘，負(fù)責(zé)機(jī)旁與駕駛室車令的接收與傳送。主機(jī)遙控車鐘的作用就是將駕駛室的主機(jī)操作指令送達(dá)集控室和機(jī)旁，同時(shí)將集控室和機(jī)旁的操作回令送達(dá)駕駛室，從而實(shí)現(xiàn)艦船主機(jī)操作指令的雙向互傳。

某型綜合運(yùn)輸船主機(jī)主機(jī)遙控車鐘采用模擬電路實(shí)現(xiàn)車鐘功能，包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針指示、車令不一致時(shí)報(bào)警等功能。這種模擬電路分立元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，維修不便。大連艦艇學(xué)院研制的HG-X型船舶主機(jī)主機(jī)遙控車鐘，以MCS-51單片機(jī)為核心，加上高性能的外部元件，構(gòu)成高集成度，小體積，使用靈活的船用遙控主令車鐘，根據(jù)不同需求，簡(jiǎn)單修改程序可以很方便的應(yīng)用于各種艦船。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：船舶主機(jī)遙控車鐘通常是3臺(tái)同時(shí)使用，形成一套完整的船舶主機(jī)遙控車鐘系統(tǒng)，如圖1所示。其中一臺(tái)放置在駕駛室上，一臺(tái)放置集控室，另外一臺(tái)放置機(jī)旁。

圖1 船舶主機(jī)遙控車鐘系統(tǒng)

2）系統(tǒng)功能

（1） 每臺(tái)主機(jī)遙控車鐘具有兩個(gè)外部車鐘輸入通道V1和V2，用于接收另外兩臺(tái)主機(jī)遙控車鐘送來的信號(hào)。

（2）通過內(nèi)部開關(guān)K1切換，選擇V1和V2中的一路信號(hào)送入比較器作為外部車鐘信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

（3） 比較器1用于比較外部車鐘信號(hào)與本地車鐘內(nèi)部指針位置信號(hào)V3。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸與一可調(diào)電阻相聯(lián)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)可調(diào)電阻旋轉(zhuǎn)，可調(diào)電阻輸出電壓V3。當(dāng)外部車鐘信號(hào)大于V3時(shí)，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，則將驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，直到兩者一致為止。

（4）步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)與RW1車鐘指針軸相關(guān)聯(lián)。 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)RW1車鐘指針軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，RW1的指針指示當(dāng)前車鐘位置。操作者在扳動(dòng)手動(dòng)操作器RW2時(shí)，可以進(jìn)行方便直觀的觀察。

圖2 主機(jī)遙控車鐘功能示意圖

（5）比較器模塊COMP2用于比較外部車鐘信號(hào)與本地的車鐘信號(hào)V4，當(dāng)兩者不匹配時(shí)，將驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警，提醒操作者注意；通常操作者接到報(bào)警信號(hào)后調(diào)整手動(dòng)操作器RW2，使V4與外部車鐘信號(hào)一致，即本地車鐘操縱手柄檔位與外部車鐘檔位一致，此時(shí)報(bào)警器停止報(bào)警。

（6）放大器模塊A1能將RW2的車鐘信號(hào)V4進(jìn)行放大，一路送入比較器模塊COMP2，另一路作為外部車鐘信號(hào)V1和V2提供給其它兩臺(tái)主機(jī)遙控車鐘。

（7）整個(gè)系統(tǒng)由船載電源提供DC24V輸入電源，經(jīng)內(nèi)部穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成所需工作電源。

1.2 設(shè)計(jì)方案

1）ADC部分：ADC采用TLC2543，TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器[1]，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源，且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。11個(gè)模擬輸入通道完全可以滿足主機(jī)遙控車鐘的要求。

2）單片機(jī)采用華邦的W78E58B，40個(gè)IO端口，32 k Byte的flash，256 Byte的RAM，其他資源與標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51相同，滿足了該項(xiàng)目需要有較大ROM和RAM的要求[2]。

3）比較器模塊：車鐘信號(hào)經(jīng)過濾波電路，被送入TLC2543的模擬輸入通道，單片機(jī)通過讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，并比較各個(gè)通道的電壓高低，實(shí)現(xiàn)軟件比較器的功能。軟件比較器具有延時(shí)和濾波更靈活的特點(diǎn)。

4）步進(jìn)電機(jī)：使用臺(tái)灣東方馬達(dá)公司的小型步進(jìn)電機(jī)PK243-03A 118’/STEP 2相DC0.3A 38.5 Ω。驅(qū)動(dòng)芯片使用美國Allegro公司生產(chǎn)的二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片A3955SB，一片A3955SB可驅(qū)動(dòng)一相電機(jī)繞組[2]。其工作電壓可達(dá)50 V，電流可達(dá)1.5 A。A3955SB內(nèi)部的3位非線性數(shù)模轉(zhuǎn)換器與內(nèi)部的PWM電流控制相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的全、1/2、1/4、1/8運(yùn)行模式。而內(nèi)部的PWM電流控制電路和外部參考電壓相結(jié)合，則可決定電流的工作模式（快衰減模式、慢衰減模式、混合衰減模式）。同時(shí)，A3955SB還提供完善的保護(hù)措施，其中包括過溫保護(hù)、過流保護(hù)及欠壓保護(hù)功能。本設(shè)計(jì)將使用A3955SB的1/8運(yùn)行模式和混合電流衰減模式。

5）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢會(huì)影響車鐘調(diào)整的時(shí)間，工作過程中需要根據(jù)時(shí)間情況進(jìn)行設(shè)定。裝置中設(shè)計(jì)了一個(gè)可調(diào)電阻，中間抽頭接ADC的輸入端，這樣，單片機(jī)通過讀TLC2543，可以知道可調(diào)電阻的位置，從而改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

6）比較器的死區(qū)范圍設(shè)定：?jiǎn)纹瑱C(jī)軟件比較器在比較外部車鐘信號(hào)時(shí)需要一個(gè)允許誤差范圍，在這個(gè)誤差范圍內(nèi)，單片機(jī)對(duì)車鐘信號(hào)不做響應(yīng)。否則，由于外部干擾和電壓波動(dòng)，單片機(jī)會(huì)不停的調(diào)整步進(jìn)電機(jī)和啟停報(bào)警器。死區(qū)范圍設(shè)定是通過可調(diào)電阻來完成的?？烧{(diào)電阻的中間抽頭接ADC的輸入端，這樣，單片機(jī)通過讀TLC2543，可以知道可調(diào)電阻的位置，從而改變比較器的死區(qū)范圍。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 ADC模擬輸入通道的分配

前已提及，TLC2543是12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有11個(gè)模擬輸入通道，根據(jù)前面的分析，對(duì)模擬輸入通道分配如下：

1） 通道1：接外部車鐘信號(hào)1，即V1。

2） 通道2：接外部車鐘信號(hào)2，即V2。

3）通道3：接步進(jìn)電機(jī)相關(guān)聯(lián)可調(diào)電阻輸出信號(hào)，即V3。

4）通道4：接手動(dòng)操作器的輸出信號(hào)，即自身的車鐘信號(hào)V4。

5）通道5：接步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可調(diào)電阻。

6） 通道6：接比較器模塊COMP1的死區(qū)范圍設(shè)定可調(diào)電阻。

7） 通道7：接比較器模塊COMP2的死區(qū)范圍設(shè)定可調(diào)電阻。

8）其它通道：保留。

2.2 程序流程

該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要有ADC芯片TLC2543的讀寫操作和步進(jìn)電機(jī)芯片A3955SB的驅(qū)動(dòng)。

軟件開發(fā)平臺(tái)使用KEIL C51 IDE集成開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。單片機(jī)軟件主流程如圖4所示。

圖4 軟件主流程圖

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要內(nèi)容是對(duì)A3955SB的程序控制。按電平步序表編寫C語言程序，在一個(gè)通電循環(huán)內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角恒為一個(gè)齒距角，所以，可以通過改變步進(jìn)電機(jī)通電循環(huán)次序來改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可以通過改變通電頻率來改變其角頻率。

程序中使用單片機(jī)的定時(shí)器T1產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)通電頻率，T1每次進(jìn)入中斷，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角，改變T1的初始值，即可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)論

HG-X型船舶主機(jī)遙控車鐘采用單片機(jī)為核心的硬軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了駕駛室與主機(jī)集控室（機(jī)艙）之間的車令信號(hào)雙向傳送，操作簡(jiǎn)單直觀，工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠。

[1] 李映穎.王海軍.孟祥謙.串行AD轉(zhuǎn)換器TLC2543與51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì).上海：儀表技術(shù),2004,（1）:22-23.

[2] 韓英桃.胡亞山.A3955SB步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及其應(yīng)用.西安:國外電子元器件,2003,（2）:58-60.