一種電子同軸車鐘系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

蹇安安，戴 晶，戴金鵬

（武漢第二船舶設(shè)計研究所 湖北 武漢　430064）

一種電子同軸車鐘系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

蹇安安，戴 晶，戴金鵬

（武漢第二船舶設(shè)計研究所 湖北 武漢430064）

本電子同軸車鐘系統(tǒng)是基于電機驅(qū)動技術(shù)、單片機技術(shù)和CAN總線通信技術(shù)的一種現(xiàn)代船用車鐘系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)的各車鐘控制單元，分別配備步進(jìn)電機，各控制單元之間通過高速現(xiàn)場CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)各控制車鐘之間信號的同步和控制權(quán)切換。本文給出了一種電子同軸車鐘系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，著重介紹了電氣控制部分的設(shè)計與實現(xiàn)。并在此基礎(chǔ)上，生產(chǎn)研制出了產(chǎn)品樣機，目前該裝置已經(jīng)投入使用。

電子同軸；CAN通信；步進(jìn)電機；C8051F045

隨著造船及航運業(yè)的不斷發(fā)展，船舶自動化作為實現(xiàn)節(jié)能、減少船用人數(shù)和確保航行安全的重要手段，越來越受到人們的重視。船舶車鐘系統(tǒng)作為船舶控制系統(tǒng)中的一種主要設(shè)備，是建立駕駛室與機艙之間的通信橋梁，是船舶控制系統(tǒng)的核心［1］。

本文介紹了一種通用型的電子同軸車鐘系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，該電子同軸車鐘系統(tǒng)大大提高了船用車鐘系統(tǒng)的可操作性、實時性和安全性，填補了國內(nèi)船舶車鐘系統(tǒng)在該領(lǐng)域的空白［2］。

本文所設(shè)計的電子同軸車鐘系統(tǒng)，就是基于C8051F045芯片以及CAN總線通信技術(shù)的嵌入式控制系統(tǒng)。

操作人員只能對具有主控權(quán)的車鐘進(jìn)行操作，跟隨狀態(tài)下的車鐘，以電子軸的形式，跟隨主控車鐘進(jìn)行同步動作。

被控車鐘的控制單元，通過CAN通信，實時接收由主控車鐘控制單元發(fā)送的操作車鐘的位置信息，被控車鐘對比本單元的當(dāng)前位置信息，做出對應(yīng)的正/反跟隨的同步操作。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

1　系統(tǒng)功能

電子同軸車鐘系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

在該船舶車鐘操作系統(tǒng)中，同一時間只有一個車鐘處于主控狀態(tài)，非主控車鐘均處于跟隨狀態(tài)。主控狀態(tài)車鐘接受主控請求，將控制權(quán)切換信息通過CAN通信傳遞給系統(tǒng)中的其他車鐘，釋放控制權(quán)，轉(zhuǎn)為跟隨狀態(tài)。車鐘控制單元對對應(yīng)車鐘的控制狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測及更新，實時反饋主控權(quán)/被控權(quán)狀態(tài)，指示當(dāng)前車鐘的主控/受控狀態(tài)。

本系統(tǒng)電氣控制的硬件設(shè)計主要是對終端控制器的設(shè)計，終端控制器主要包括：電源轉(zhuǎn)換模塊、步進(jìn)電機控制器模塊、步進(jìn)電機模塊、電位器采樣模塊、CPU+CAN控制器模塊、CAN總線收發(fā)器模塊以及轉(zhuǎn)換按鈕模塊。終端控制器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1電源轉(zhuǎn)換模塊原理圖

電源模塊主要是通過穩(wěn)壓芯片，對24 V船用控制直流電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為CPU和外圍芯片提供穩(wěn)定的3.3 V和5 V直流電壓供電。如圖4所示，選用開關(guān)電源芯片LM2575將24 V穩(wěn)壓成5 V，模塊最大輸出功率為5W，滿足芯片供電需求［3］。5 V電壓經(jīng)過低壓線性穩(wěn)壓器AS1117，穩(wěn)壓為3.3 V，為CPU芯片提供穩(wěn)定可靠的低壓電源。

2.2電位器采樣模塊及CPU控制器模塊原理圖

圖1　電子同軸車鐘系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)框圖Fig.1　Electronic shaft system of electric control system's block diagram

圖2　終端控制器系統(tǒng)框圖Fig.2　Terminal controller system block diagram

模擬信號采集，主要是采集電位器的電阻值。通過可控精密穩(wěn)壓源TL431，輸出精準(zhǔn)的2.5 V電壓至電位器兩端，CPU通過采集變換的電壓值來判斷當(dāng)前控制單元的位置狀態(tài)，從而保證位置跟隨的精準(zhǔn)度。

電機控制模塊通過高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列芯片ULN2003對CPU輸出信號進(jìn)行放大，控制步進(jìn)電機驅(qū)動器，驅(qū)動步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)［4］。

2.3CAN總線收發(fā)器模塊原理圖

CAN通信模塊采用3.3 V高速CAN收發(fā)器SN65HVD232，適用于較高通訊速率、良好抗干擾能力和高可靠性CAN總線的串行通信［5］。

圖3　電源轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖Fig.3　Power supply module circuit principle diagram

CAN總線以其較高的通訊速率、良好的抗電磁干擾能力可實現(xiàn)高可靠性串行通信，因而在實際應(yīng)用中具有極高的應(yīng)用價值［6］。不過，隨著集成技術(shù)的不斷發(fā)展，為了節(jié)省功耗，縮小電路體積，一些新型CAN總線控制器的邏輯電平均采用LVTTL，這就需要和之相適應(yīng)的總線收發(fā)器，SN65HVD232型電路非常好地解決了這個問題。

SN65HVD232是3.3CAN總線收發(fā)器，主要是和帶有CAN控制器的CPU配套使用，該收發(fā)器具有差分收發(fā)能力，最高速率可達(dá)1Mb/s［7］。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)電氣控制的軟件設(shè)計，主要實現(xiàn)：CAN通信數(shù)據(jù)交互、步進(jìn)電機驅(qū)動、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)字量的輸入輸出等功能。主程序流程圖如圖6所示。

4　結(jié)束語

圖4　電位器采樣模塊及CPU控制器模塊原理圖Fig.4　Analog signal acquisition and CPU module circuit principle diagram

圖5　CAN總線收發(fā)器模塊原理圖Fig.5　The CAN communication module circuit principle diagram

本文給出了一種電子同軸系統(tǒng)設(shè)計的新方法、新思路，將CAN通信、嵌入式系統(tǒng)引入船舶車鐘控制系統(tǒng)［8］。系統(tǒng)具備高擴展性和通用性，為數(shù)據(jù)集成、功能拓展預(yù)留了充足的接口，并可將該電氣控制系統(tǒng)運用至不同型號和規(guī)格的船用車鐘系統(tǒng)［9］。

樣機系統(tǒng)，已用過相關(guān)試驗，實現(xiàn)了從控操作單元與主控操作單元的準(zhǔn)確跟隨，以及各個操作單元主控狀態(tài)和從控狀態(tài)的自由切換。目前該型船用車鐘控制系統(tǒng)，已在某型拖輪上正式投入使用，反饋良好［10-11］。

經(jīng)試驗表明，該設(shè)計合理，方案可行，研制出的產(chǎn)品性能可靠，為今后類似產(chǎn)品的研制開發(fā)及使用具有重要的參考價值［12］。

參考資料：

［1］陸金金，杜佳璐，楊承恩.模型船的船舶運動控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.大連：大連海事大學(xué)，2010.

圖6　主程序流程圖Fig.6　Main program flow chart

［2］牛立佳，楊承恩.船舶模型控制器的設(shè)計［D］.大連：大連海事大學(xué)，2007.

［3］陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999.

［4］姚竹亭，吳立新，潘宏俠，等.基于CAN總線的車輛控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.火力與指揮控制，2009（6）：138-140.

［5］邱關(guān)源.電路［M］.北京：高等教育出版社，1999．

［6］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［7］朱宇，王偉.步進(jìn)電動機的應(yīng)用［J］.微電機：伺服技術(shù)，2002 （4）：55-58.

［8］夏琦，龔昌奇.運動型游艇造型分析［J］.船海工程，2010，（3）：66-68.

［9］楊宜民.新型驅(qū)動器及其應(yīng)用 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

［10］黃海燕，王德禹.艦船多學(xué)科協(xié)同設(shè)計優(yōu)化軟件系統(tǒng)設(shè)計［J］.船海工程，2011（1）：47-50.

［11］賈培剛 ，耿云波 ，趙鵬飛 ，等.高濃度印染廢水電化學(xué)-厭氧-好氧處理工藝［J］.西安工程大學(xué)學(xué)報，2011（5）：674-678.

［12］馬文敏，王志剛，王新磊.基于CANopen的自動化船舶監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電子科技，2009（7）：77-81.

The design and implementation of an electronic shaft system

JIAN An-an，DAI Jing，DAI Jin-peng
（Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

This electronic shaft system is based on motor drive technology，micro-controller technology and CAN bus communication technology of a kind of modern ship transport system.The telegraph in the system control unit，equipped with stepper motor，the control unit，high-speed through the CAN bus for data transfer between signals between each control vehicles clock synchronization and control of the switch.This paper presents an electronic shaft system is implemented，emphatically introduces the electrical control part of the design and implementation.And on this basis，the production product prototype is developed，the device has been put into use at present.

electronic shaft；CAN communication；stepper motor；C8051F045

TN7

A

1674－6236（2016）03-0112-03

2015-03-20稿件編號：201503276

蹇安安（1990—），女，湖北松滋人，碩士研究生。研究方向：特種機電設(shè)備設(shè)計研制。