嵌入式 PC的 喷水推进装置监控系统 的设计与实现.pdf

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1、南通航运职业技术学院学报Vo 1,8No,4JOURNAL OF NANT0NG OCATIO&AL&TECNICAL s HIPPINC COLLEGE De c。2o o 9d 103%叻、阢1臼1-989190090+013第8卷第4期09年12月嵌入式PC的喷水推进装置监控系统的设计与实现袁 木 冯明波2(1中国船舶重工集团公司 第711研究所,上海201108;2,南通航运职业技术学院 轮机工程系,江苏 南通 9910)摘 要:攻口今在高速船舶领域,喷水推进装置正被广泛的应用,在很大程度上取代 了传统的螺旋桨驱动方式。由于计算机和通讯技 术的发展,很多新技 术被应用到喷水推进装置监控

2、 系统上,取得 了良好的效果。文章首先对喷水推进装置进行 了简要的介绍,然后根据工程的实际需求,设计并实现 了基 于嵌入式PC的喷水推进监控 系统。关键词:喷水推进;船舶监控;嵌入式PC中图分类号:U“4.340 前言文献标识码:AX蔫訇 囱 责 号:16719891(2009)04004504随着我国船舶制造业的快速发展,越来越多的新型配套设备被制造厂家安装使用。喷水推进装置被广泛的应用在高速船舶领域,取代了相当部分的螺旋桨的市场份额。高速船舶的性能指标中,航速是否达到设汁要求是比较关键的,因此厂家都希望配套设备要重量轻、体积小,进而减轻船舶的负载,提高航速。传统的监控系统以单片机和工控机为

3、主,难以满足要求。面对上述情况,嵌入式PC的快速发展,提供了最佳的解决方案,解决了传统监控系统的不足。嵌入式PC的广泛应用得益于集成度高的嵌入式芯片的发展,嵌入式芯片可以将很多输入输出和控制功能集成到一个单一的芯片中,它带来的直接变化是可以在采用较少的芯片、占用很小的空问、较低功耗的情况下,为l 监控系统的开发提供了设计平台。目前国内已经有多个厂家推出了成熟的产品,并得到了广泛的应用。嵌入式系统是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统有以下几大优势:嵌入式开发是一项系统工程,嵌入式系统厂商不仅提供嵌入

4、式软硬件系统本身,同时还提供强大的硬件开发I具和软件包支持;嵌入式处理器可以支持TCP/IP协议、IEEE1394、Us B、CAN、Bl u e t o o t h 或Ir DA通信接 口中的一种或者几种:精简系统内核、算法,降低功耗和软硬件成本。嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备,为了减低功耗和成本,设计者尽量精简系统内核,只保留和系统功能紧密相关的软硬件,利用最低的资源实现最适当的功能。七一一研究所作为国内船舶监控设备配套企业,以满足客户的需求为出发点,采用成熟的技术,设计并实现了基于嵌入式PC的喷水推进装置监控系统。该系统在相应的喷水推进船舶上应用,市场反映十分 良好,进而提高了船舶配套

5、设备的国产化率。1 系统结构设计喷水推进不同于常见的螺旋桨推进方式。它是通过推进水泵喷出的水流的反作用力来获得动力的,并通过操纵方向舵的左右摆动和倒航斗的收放来实现对船体的转向和进退。喷水推进装置通常由一台高速船用柴油机、弹性联轴节、减速齿轮箱、推进水泵、相应的轴系及操控系统组成。目前国际上知名的推进器专业制造商,有Ps,ICAMEWA等。本系统的设计对象是左右装有一套喷水推进器的高速双片体船,其结构示意图如图 l 所示。系统的控制对象是方 向舵和倒航斗,其控制部件 电磁阀位于泵舱 内,而很多控制单元则安装在驾驶室控收稿 日期:2009-Os-09作者简介:袁木(1994),男,山东日照人,中

6、国船舶重工集团公司第711研究所工程师,硕士。C:锋盼4l|;C);l 妇】丑八矿 氵 斌e 狡“c o 夤惑 奄 胥:】c c 耆f c R;c 铲u b 认s 抵盲 狃g 蚤￥廴 层s 扌.擗扩 奋g 凯睿 讠r c s e 豸c 逋、l l 扩:/v v w c 讼k;.热C嚣南通航运职业技术学院学报2009年制台,根据方便控制的原则,将控制系统的核心功能分为三大部分:主站、左从站和右从站。图1 喷水推进装置监控系统结构示意图主站装配在驾驶室控制台内,用于采集和处理来 自操纵单元和控制单元的信号,控制台面上安装有方向舵和倒航斗指示仪表、主机转速指示表、报警指示、两只手柄、一只手轮、控制选

7、择板、备用控制板、离合器控制板等。左从站和右从站分别装配在左舷泵舱和右舷泵舱内,直接对方向舵和倒航斗进行控制。主站、左从站和右从站之间采用双冗余总线来实现数据的传输,总线CAN-A和CANB当其中个出现异常的情况时,启用另外一个维持系统的正常作。主要的数据流程如下:从站将卞站传来的控制信号转换为控制电流,通过输出控制板来控制喷水推进系统的电磁阀的通断,进而控制方向舵和倒航斗的运动位置。从站将采集到的方向舵和倒航斗反馈数据进行闭环控制,同时将控制结果通过双CAN通讯系统传输到主站。2 硬件配置本系统采用盛溥公司的基于PC/104总线的系列模块来进行硬件配置。配置如图2所示:图2 喷水推进系统硬件

8、配置图盛搏科技公司推出的基于PC/104的嵌入式PC模块被广泛用于各种高可靠的监控设备中。嵌入式PC与BM-PC100%兼容,但叉不同于商业用途的一般计算机,也不同于般意义 上的靠后期加固的工业PC,它具有高品质、占用帘间小(PC/104标准尺寸90m m 汴%m m)、功耗低、可靠性高等特点。由于船舶的电磁千扰严重,因此选择抗干扰强的CAN作为数据通讯的传输协议。它是一种有效支持分布式控制系统或实时控制的串行通信网络,是一个多主总线,总线上的各节点都有权随时向其他节点发送信息,总线冲突时通过总线仲裁方式决定占用总线的节点。CAN的通信介质选为双绞线。它可以通过简单的嘁诠寐摈簸奋齑獬 夺捻 簸

9、奉演 螂 济 谬 胳 锇 藜 捻第4期袁木,冯明波:嵌人式PC的喷水推进装置监控系统的设汁与实现协议,实现在电磁干扰环境下远距离实时数据的可靠传输。其中CPU模块选择的型号为s CM6240,它 采用增强型的80486处理器,是整个系统的核心部件,负责程序的运行与数据的处理。主站的I/O模块选择的型号为M|a d t 600,它 可以与CPU模块构成一个高性能的数据采集与控制系统,手轮和手柄的输入电压的量程可以通过将M-a d t 600模块跳线选为10V到+10V。然后转换成 12位 的数据,传输到相关的存储器中。CAN模块选择的型号是M-c s m-35,核心功能是CAN控制器及串、并行通

10、信口。3 软件设计程序设计L采用了模块化的设计思路。为了便于模块化设计,软件是在Bo a n d c+3.1环 境中进行编制,同时大量调用了系统本身附带的库函数。通过对函数的参数的设置,可以很方便的实现各种控制功能。程序主要 由数据采样、CAN通讯采集、CAN故障、操舵模式信号处理等模块组成。主流程图如图3所示。其中的数据采样模块的功能是收集手轮、手柄、控制模式、离合器等控制信号,通过总线传输到从站,来实施控制功能。CAN通讯故障模块的功能是若总线收数计数器在规定秒 内没收到数据,置CAN通讯故障标志,若CAN-A故障,则将数据传给CANB。控制故障模块的功能是如果方向舵和倒航斗的位置,在设定

11、的时间内没有达到设定的位置,发出报警,并将方向舵和倒航斗锁定,主机降至怠速。图3 喷水推进系统主流程图CAN通讯的基本原理是:由一个主机向双绞总线发一个包含有8个数据(随机数)的扩展格式的报文(1个字节的帧格式信息,4个字节报文识别符,8个字节数据,共13个字节),总线上的其他从机收到该报文后,将报文中的8个随机数取出,加上帧格式、识别符构成新的报义上发给主机。下面以CAN通讯模块中的一段程序为例,简要介绍如何在Bo r l a n d c+3,1环境中调用库函数,进行程序设计。假如应用程序名为x x x。c,程序必须包含头文件c a n.h,头文件拷贝至i n c l u d e 目录下。库

12、函数c a n s.l i b 拷贝至应用程序目录下:进入编译环境,选择Pr 臼e c t|Op e n 项,在Pr 叻e c t n a n l e 对话框中输入工程文件名z z z,冈:选择Pr 丬e d|Ad d i t e m 项,加入x x x。c 和Ga n s。;直接编译连接即可。库函数包含下列函数:i n t In i t a d d(l o n g i n t s e a d d、初始化地址函数v o i d Tx s m e s s a g e(i n t h a n d l e,“m c t c a n t x s 伙m J);发送单个报文函数v o i d Tx m m

13、 c s s a g 雨n t l l a Il d l e,乩m c a n t x m t x m e、发送多个报文函数v o i d Rx=m e s s a g e(i Il t h a n d l e,蜕r Ll c t c a n r x 艹r 卩J);接收 函 数v o i d In t e r Re Ce(i n t h a n d l e,e l l u m IRQ IRQ);设置中断号函数v o i d In(i n t h a n d Ie 封m c t c a n o n i t c a n i n i t、全局设置函数发送单个报文函数的具体应用程序如下:i n t h

14、 a n d 1e;t x m e,f t,/p e=D;0 受 珍9谷氵 营 铲)1】;钭a Ac 茯d l l“c k 讼传忿 晏 紊 丨 蕊c c 酊r 心;c h l l 衤炳$轹;琵昏;小s 扌。虍 峨 受;$h l r c$c 专c 斌 抵 酊 蓊P9、v、娥:c 弘k|掘C钉47接腱择辂琴指泽轮瀑穰蠛啷邋)南通航运职业技术学院学报2009左Ft x m e,b y t e l e n=EIGHT;t m _e,i d 1=0 x 08;t x n 1 e.i d 2=0 x 00;t x _m e,i d 3=0 x c d;t x m e.i d 4=0 x a 0;t x m

15、 e,d a t a l Ol=r a n d o m 55);t x m e.d a t a l 11=r a n d o m 55b q Jn d a t a l 剑=r a n d o m 55);t x m Jd 肘a 3卜r a n d o m 55、t 辶 Jd a t a l 刽=r a n d o m 5s,;t、Fn r 狨a 5卜r a n d o m(2s s、t x m d a t a l 刨=r a n d o m 55);饫m e.d a t a r 刂=r a l l d o m 55);Tx s m e s s a g h a n d l e,阝 e,;表示发送

16、报文格式为扩展格式,数据慎,报文数据长度为8。报文标识符分别为0 x 08,0 x 00,0 c d,a O,八个数据为随机数。4 结束语同传统的船舶监控系统相比较,本系统由于在硬件上采用了模块化配置,因此缩短了开发月期。最终供给船厂的设备也具有体积小、重量轻的优势。系洎联调时,通过简单的参数设置就满足了实时控制要求。对于方向舵和倒航斗的控制都比较稳定、可靠、在恶劣的海况下,也能很好的实现控制功能。而且设备简单明了,也十分方便售后维护,值得在相应的船舶上推广应用。参考文献:1金平仲。船舶喷水推进M北京:国防工业出版社,1986.Th e De s i g n a n d Re a z a o

17、n o f Wa t e r Je t Pr o p u l s i o n Ba s e do n Em b e d d e d PCYUAN Mu l,FENG l i n g b(1.Re s e a r c h In s t i t u t e,s h a n g h a i Ma r i n e Di e s e l En g i n e Gr o u p,s h a n g h a i 201108,Ch i n a;2,De p t.o f Ma n a g e m e n t a n d In f o r m a t i o n,Na n t o n g Vo Ga t i o

18、 n a 1&Te c h n i c a l s h i p p i n g(3o l l e g e,Na n t o n g 226010,Ch i n a)Ab s t r a c t:Wa t e r j e t p r o p t l l s i o n,诵d e l y u s e d h t h e a r e a d f a s t s p e e d s h s n o w a d a y s,h a s i n c r e a s i n g l y t a k e nt h e p l a c e o f t r a d i o n a 1p r o p e l l e

19、 Wi t h t h e d e e l o p m e n t o f c o m p u t e r a n d c o m n 1u n i c a t i o n,m o r e a n d m o r e n e、vc OIa t r o l d e 呐c h a v e b e e n a p p l i e d t o w 甜e r j e t p r o p u l s i o n。Th e p a p c h i e n y i n t r o d u c e s t h e 0h a r a c t e r i s t i c s a n ds t r Ll c t u

20、r e o f w 扯e r j e t p r o p u 1s i o n a c r d i n g t o t h e p 顶e“a n d f o c u s e s o n t h e d e s i g n a Il d r e d i z 耐o n o f t l l e w 扯 e r j e tp r o p u l s i o n b a s e d o n e m b e d d e d PC.、Ke y w o r d s:Wa t e r j e t p r o p u l o Mo t o r i n g a l l d c o n t r o l s y s t e m o f s p s;Em b e d d e d PC