黃曉中
(上海融德機電工程設(shè)備有限公司 研發(fā)部,上海 200135)
根據(jù)國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)海上安全委員會(Maritime Safety Committee,MSC)2002 年5 月20 日通過的MSC.128(75)決議《駕駛室航行值班報警系統(tǒng)(Bridge Navigational Watch Alarm System,BNWAS)執(zhí)行標準》,設(shè)計和生產(chǎn)BNWAS.該系統(tǒng)的目的是檢測駕駛室的活動,當發(fā)覺操作人員能力喪失、值班駕駛員(Officer Of Watch,OOW)意識狀態(tài)降低或當該值班人員因某種因素未履行值班員職責可能導致航海事故時,系統(tǒng)可自動通過指示燈和警報聲及時提醒船長或其他勝任的值班人員,如大副、二副或三副.此外,BNWAS 還配備讓值班人員通過應(yīng)急呼叫得到及時援助的設(shè)施.[1]
BNWAS 完全符合IMO 的MSC.128(75)決議《駕駛室航行值班報警系統(tǒng)(BNWAS)執(zhí)行標準》、IEC 62616-2010《駕駛室航行值班報警系統(tǒng)》、IEC 60945-2002《海上導航和無線電通信設(shè)備及系統(tǒng)/一般要求/測試方法和要求的測試結(jié)果》的規(guī)定.
相對于陸用工業(yè)設(shè)備而言,船用測控設(shè)備系統(tǒng)必須具有更高的抗干擾能力、可靠性、安全性,相關(guān)船舶規(guī)范要求的型式認可測試也更為嚴格.
BNWAS 授權(quán)船長通過面板上的鑰匙開關(guān)選擇工作模式,分別為運行、待機和自動.所謂自動即自動受控運行,當船舶上的航向或跟蹤控制系統(tǒng)運行時,可自動停止運行BNWAS;而在船舶上的航向或跟蹤控制系統(tǒng)停止工作時,自動運行BNWAS.
BNWAS 指示和報警的運行順序見圖1.圖中Tdx為選擇的休眠期.
圖1 BNWAS 指示和報警的運行順序
圖1中,當BNWAS 處在運行狀態(tài),被復位后維持3~12 min 的休眠期(Td1),在該休眠期結(jié)束時,報警系統(tǒng)將觸發(fā)置于駕駛臺的可視指示(即第1 級光報警).
BNWAS 在該可視指示觸發(fā)15 s(Td2)后在駕駛臺發(fā)出第1 級聲報警.第1 級聲報警旨在提醒OOW,設(shè)計中讓聲報警具有音量漸響和聲調(diào)調(diào)節(jié)特性,使OOW 在不受到驚嚇的情況下得到提醒.該報警聲能在駕駛室OOW 合理預期應(yīng)處于的所有操作位置聽到.如果第1 級聲報警15 s(Td3)后還沒有被應(yīng)答(復位),則在后備值班員處再發(fā)出第2 級聲光報警,后備值班員包括船長或其他勝任的值班人員,如大副、二副或三副.如果第2 級聲光報警后仍沒有被應(yīng)答,90~180 s(Td4)后,系統(tǒng)將在能夠采取正確處置措施的船員場所(公共場所)再發(fā)出第3級遠程聲光報警.[2]
本系統(tǒng)以主控制單元為核心,通過船用電纜連接系統(tǒng)各功能單元,見圖2.
圖2 BNWAS 結(jié)構(gòu)
主控制單元安裝在駕駛室內(nèi),接有兩路系統(tǒng)電源:分別是主電源AC 110/220 V 及船用蓄電池提供的備用電源DC 24 V,系統(tǒng)具備電源自動切換功能.主控制單元除了連接系統(tǒng)各功能單元外還設(shè)有連接船用黑匣子(VDR)通信接口、紅外人體運動傳感器、延伸應(yīng)急按鈕及運行控制等信號輸入口.
主操作面板安裝在駕駛室上值班駕駛員伸手可及之處,提供一系列的按鈕和指示燈用于人機交互.值班員選擇、運行狀態(tài)指示、各類報警燈及計時值數(shù)碼顯示表明當前的運行狀態(tài).此外,面板上配備有[復位]按鈕和[應(yīng)急呼叫]按鈕,按下[復位]按鈕系統(tǒng)進入休眠期,并重新開始計時,已發(fā)生的報警則全部停止;[應(yīng)急呼叫]按鈕按下后直接觸發(fā)第1 級聲光報警,5 s 后引發(fā)第2 級聲光報警,繼續(xù)計時引發(fā)第3 級聲光報警.為了防止[應(yīng)急呼叫]按鈕誤操作,還設(shè)計5 s 后悔期(其間再次按動[應(yīng)急呼叫]按鈕可解除應(yīng)急呼叫狀態(tài)).
面板上的鑰匙開關(guān)由船長掌管,用于控制系統(tǒng)啟動、停止或?qū)\行中的各項參數(shù)進行設(shè)定.可設(shè)定的參數(shù)包括當前的備用值班員、操作模式、休眠期和聲調(diào)等.設(shè)定后的參數(shù)被存儲記錄在主控制單元的Flash ROM中予以保護.
復位擴展按鈕盒安裝在與主操作面板有一定距離的駕駛室內(nèi)適合觀察和操作的地方,便于駕駛員在較大面積駕駛室內(nèi)也能就近操作.根據(jù)需要,可選擇配備一到兩只復位擴展按鈕盒,其復位按鈕和聲光報警器功能與操作面板相同.
這些報警盒(報警器)分別安裝在4 位后備值班員(船長、大副、二副、三副)房間和公共場所(如會議室、食堂及公共走道),當?shù)? 級報警發(fā)生時,選定的后備值班員房間的報警盒將發(fā)出相應(yīng)的警報,而當?shù)? 級報警發(fā)生時全部報警單元一起動作.
在抗干擾能力、可靠性、安全性等方面船用測控設(shè)備比陸用工業(yè)設(shè)備要求更高,而駕駛室設(shè)備更有其特殊之處.根據(jù)船舶規(guī)范要求必須通過型式認可,測試主要包括:系統(tǒng)功能測試以檢驗系統(tǒng)的功能要求是否達標;電磁兼容性試驗包括磁羅經(jīng)安全距離、傳導發(fā)射、靜電放電抗擾度等十幾項,用于檢驗系統(tǒng)的抗電磁干擾能力,避免系統(tǒng)對外電路實施干擾;環(huán)境試驗和外殼防護等級試驗用于檢驗環(huán)境溫度對系統(tǒng)的影響及系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)是否牢固.[3]
兼顧上述使用性能和電磁兼容及抗干擾能力、系統(tǒng)可靠性、安全性的要求,對系統(tǒng)各部分采取如下有針對性的設(shè)計.
由圖2可以看到BNWAS 的控制核心實際是由主操作面板的人機交互操作和主控制單元對擴展單元的I/O 控制兩部分構(gòu)成的.相對于安裝在金屬殼體內(nèi)的PCB 板卡而言,各部分之間的連接線纜是干擾源的主要輸入途徑,想要提高系統(tǒng)的電磁兼容性能,關(guān)鍵在于電源的抗干擾和各部分連接線的光電隔離.本設(shè)計放棄傳統(tǒng)的易受電磁干擾影響的信號線連接方式,采用主、副CPU 硬件結(jié)構(gòu),兩者之間采用光電隔離的CAN 現(xiàn)場總線相連接.
主操作面板中的CPU為副CPU,其功能主要是人機對話:把采集面板上按鍵及鎖開關(guān)狀態(tài)送往主CPU,同時根據(jù)接收到的主CPU 發(fā)來的信息進行各項顯示和報警.副CPU 還不斷檢測CAN 總線狀態(tài)及按鍵狀態(tài),當總線異?;虬存I長時間不應(yīng)有的接觸時發(fā)出報警.主控制單元中的主CPU 除了與副CPU 交換信息外,主要是根據(jù)BNWAS 的報警運行順序進行報警輸出處理和對系統(tǒng)運行狀態(tài)的檢測,并按通信協(xié)議標準把有關(guān)信息隨時發(fā)往其他船用設(shè)備(例如VDR).
主CPU 選用NXP 公司的ARM7 TDMI-S 核單片機LPC2368,該芯片功能強大、集成度高,并可提供多達4個串口、IrDA 接口、USB Device 接口、2個CAN-bus 接口、SD/MMC 卡接口、MODEM 接口、以太網(wǎng)接口等.[5]根據(jù)需要,本系統(tǒng)使用其局部功能,見圖3.
圖3 主CPU 接口分配框圖
單片機LPC2368 的RD1/TD1 口接CAN 收發(fā)器用于與主操作面板的輔CPU 通信,而TXD1/RXD1和TXD2/RXD2 兩個串行口分別接到RSM485CHT和MAX3232 電平轉(zhuǎn)換芯片.前者為帶光電隔離的RS485 通信總線接口,用于連接航行記錄儀或其他外設(shè);后者為RS232 通信接口,可作為近距離PC 機通信或作為下載口使用.[6]復位電路使用帶Flash存儲器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI-30,在提高系統(tǒng)可靠性的同時保存設(shè)置的參數(shù).INT0/INT1和INT2中斷口分別用于遠程復位信號和(紅外)人體運動探測器信號,當系統(tǒng)接收到復位脈沖時觸發(fā)一段復位處理程序,系統(tǒng)進入休眠期,重新開始計時.
現(xiàn)場總線技術(shù)是當前自動化技術(shù)的熱點之一.作為符合國際標準的現(xiàn)場總線之一,CAN-bus 已在世界范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用.
本系統(tǒng)的主、副CPU 之間使用CAN 總線連接.所選用的CPU 單片機LPC2368 其自身集成一個完整的CAN(遵循CAN 規(guī)范V2.0B 協(xié)議)控制器,具有強大的診斷監(jiān)控功能,并在很大程度上簡化器件編制難度.考慮到現(xiàn)場電磁環(huán)境的復雜性,為確保通信可靠,選用CTM1050 作為本系統(tǒng)的CAN 收發(fā)器芯片.CTM1050是一款帶隔離的高速CAN 收發(fā)器模塊,該模塊內(nèi)部集成了所有必需的CAN 隔離及CAN 收、發(fā)器件,模塊的主要功能是將CAN 控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN 總線的差分電平并且具有DC 2 500 V的隔離功能.該芯片還有電磁輻射EME低、電磁抗干擾EMI 性高和高低溫特性好的特點,能滿足工業(yè)級產(chǎn)品技術(shù)要求.[7]
具體的主控單元和操作面板連接見圖4.主、副CPU 芯片LPC2378 的RD1和TD1 口分別接到各自的CTM1050 收發(fā)器芯片上,并在輸出口CANH和CANL 之間配備可選用的120 Ω 終端阻抗匹配電阻,而收發(fā)器的屏蔽地則通過1M 電阻和103 pF 電容接外殼地,兩個CPU 之間使用帶屏蔽的通信電纜相連,通信電纜屏蔽層同樣接外殼地.在現(xiàn)場安裝時要求所有的外殼地必須使用3 mm2以上的專用接地線與船殼連接以獲得最佳的電磁屏蔽效果.[8]
圖4 主控單元和操作面板連接
在應(yīng)用層協(xié)議方面,本系統(tǒng)選用近來國內(nèi)常用的iCAN(Industry CAN-bus Application Protocol)協(xié)議,是現(xiàn)場總線CAN-bus 的最新應(yīng)用層協(xié)議之一,具有理解簡單、易于實現(xiàn)、實時可靠的特點.iCAN 協(xié)議采用與CANopen和DeviceNet 協(xié)議基本相同的連接管理方式,刪除比較復雜的握手管理、資源分配等內(nèi)容,并使用預定義數(shù)據(jù)組合的方式管理CAN-bus總線上的節(jié)點.定稿的iCAN 協(xié)議雖然只有DeviceNet 協(xié)議完整內(nèi)容的1/10,但實現(xiàn)的iCAN 網(wǎng)絡(luò)卻比DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大,適應(yīng)面比較廣泛,應(yīng)用方式也非常靈活,尤其適合各種不同工業(yè)環(huán)境條件中的分布式數(shù)據(jù)控制網(wǎng)絡(luò).[4]
一個典型的CAN 數(shù)據(jù)幀由幀信息、幀ID和幀數(shù)據(jù)組成.為方便起見,程序中接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)都用一幀(CANINFO 結(jié)構(gòu)體)表示.
表1 CAN 標準幀結(jié)構(gòu)
CANDAT為數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū),每幀可收發(fā)8 字節(jié)數(shù)據(jù),見表2.
表2 CANDAT 每幀發(fā)送的數(shù)據(jù)
本系統(tǒng)共有兩路供電電源,分別來自船用發(fā)電機的主電源AC 110/220 V 及來自船用蓄電池的備用電源DC 24 V,要求系統(tǒng)對兩路電源進行監(jiān)控并有自動切換功能,當任一電源停止供給時系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)的報警提示.除了以上的供電保障功能要求外,船舶規(guī)范要求一系列電磁兼容性試驗大多與電源相關(guān),大致也可分為3 類:本系統(tǒng)通過電源導線對其他船用設(shè)備的干擾;模擬其他船用設(shè)備通過電源和信號線對本系統(tǒng)的影響;模擬雷擊、斷電、電源倒置、電壓異常波動等情況.
兼顧各方面要求,系統(tǒng)電源電路設(shè)計增加相應(yīng)措施,見圖5.主電源AC 110/220 V 及備用電源DC 24 V分別先經(jīng)抗干擾濾波器后接入系統(tǒng),經(jīng)由電源自動切換組件到達主控制單元.主控制單元電源入口處并聯(lián)一個瞬態(tài)抑制二極管ZIN1.ZIN1是一種雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管,用該器件吸收尖峰高壓有很好的效果.而二極管VDIN1 用于限制電源的導通方向,經(jīng)過L1,C1,C2 濾波,然后通過DC/DC 模塊將電源隔離并穩(wěn)壓至5 V,專給CPU 及其接口芯片供電.本系統(tǒng)選用的DC/DC 模塊具有輸入電壓范圍大、輸出過流保護、輸出過壓保護、輸出電壓精度高等功能.為了降低噪聲和干擾,還將模擬電路的電源與數(shù)字電路的電源高頻噪聲進行隔離,圖5中的L2,L3 及C5,C6 等就是用于電源高頻隔離的元件.
圖5 系統(tǒng)電源框圖
這是船用測控設(shè)備的高可靠性重要體現(xiàn).為提高BNWAS 的抗干擾能力及可靠性,設(shè)計系統(tǒng)硬件時,主控制單元與外部擴展配件間的線路全部采用光電隔離,并設(shè)置斷線檢測的回路.系統(tǒng)根據(jù)光電耦合器的工作電流特性,利用穩(wěn)壓二極管擊穿前電流微小、擊穿后穩(wěn)壓的特點,來很好地解決外電路與主機之間既有電隔離又必須有外回路斷線檢測的難題.典型的接口電路見圖6.
圖6 [復位擴展按鈕盒]與主機的接口電路
圖6中,INT1和INT2 分別是檢測斷線信號和按鍵信號輸入口,OUT1和OUT2 分別是聲光報警信號輸出口.左側(cè)為[復位擴展按鈕盒]內(nèi)電路,右側(cè)為主控制單元電路.
當復位鍵RST 未被按下時,斷線檢測電流從+24 V電源經(jīng)LI1(LED 指示燈)(光電耦合器GL1輸入端(RI1(DI1(LR1(RR1(VSS,回路電流IG10約為
式中:LI1,LR1 與GL1 的輸入LED 管電壓降均約1.6 V,而DI1 電壓降為0.7 V.
具體表現(xiàn)在對單位實施內(nèi)部控制的重要性和意義認識不足,認為內(nèi)控把簡單的事情復雜化,相關(guān)內(nèi)控制度流于形式,缺乏可操作性。從而在實際工作中,僅認為財會人員工作就是收收付付,而沒有參與單位的決策業(yè)務(wù)工作。財會人員無法提供相應(yīng)的專業(yè)的意見和建議,無法為降低單位財務(wù)風險提供決策參考。
使光電耦合器GL1 輸出管導通,INT0 輸出低電平,通電指示燈(兼按鈕夜間照明)LR1 亮;如果接口電路斷開,此回路斷路,通電指示燈LR1 滅,GL1輸入端回路因斷路而無電流通過,輸出管截止,INT0 出現(xiàn)高電平表明接口電路斷線.
此回路正常狀態(tài)下a,b 兩點間電壓由于Vab約為8.4 V,光電耦合器GL2 回路上穩(wěn)壓二極管Z1(9 V)的串入,不能擊穿,光電耦合器GL2,輸入端無電流(極小電流)通過,INT1為高電平.
當按鍵按下后,由于按鍵短路LR1和RR1,Vab=24 V-0.7 V=23.3 V,穩(wěn)壓二極管Z1 擊穿后穩(wěn)壓于9 V,按鍵電流從+24 V 經(jīng)Z1→LI2(按鍵指示燈)→光電耦合器GL2 輸入端→RI2→DI1→按鍵→VSS,光電耦合器GL2 輸入電流.
光電耦合器GL2 輸出管導通,INT1為低電平,表明按鍵按下,回路電阻的選擇保證此時光電耦合器GL1 的輸入電流應(yīng)在工作電流范圍內(nèi):
光報警信號由OUT2 輸出,經(jīng)光電耦合器GL3輸出使LG1 亮,實現(xiàn)光報警輸出.當系統(tǒng)未接此[復位擴展按鈕盒]時,可把JP1 短接,使主控制單元不會因此產(chǎn)生不應(yīng)有的斷線故障信號.
為了簡化駕駛?cè)藛T的操作,系統(tǒng)還配備紅外人體運動傳感器復位信號輸入接口,當有人員在駕駛室正?;顒訒r,傳感器對系統(tǒng)自動產(chǎn)生復位請求.
紅外人體運動傳感器無論是采用BOSCH 公司的DS936 型,還是DS939 型或DS940T 型,輸出信號完全一樣,工作模式均為:通電預熱50 s 后,若未檢測到人體運動,其輸出觸點閉合;若檢測到人體運動,其輸出觸點斷開;若檢測到持續(xù)有人體運動,其輸出觸點斷開但每隔5 s 閉合1 s.
若系統(tǒng)只外接一只紅外人體運動傳感器,則可把傳感器輸出觸點一端接地,另一端接上拉電阻后由單片機LPC2368中斷口INT2 口輸入:那么INT2口為低電平(觸點閉合)傳感器工作正常,監(jiān)測區(qū)無人活動;INT2 口為高電平,但每5 s 下降到低電平1 s則是持續(xù)有人體運動;INT2 長時間(大于5 s)持續(xù)處在高電平則是斷路故障(因為傳感器斷線時輸入信號線懸空).本系統(tǒng)充分利用單片微機INT2 口的輸入特性(即輸入信號持續(xù)為高或低電平不變時不會產(chǎn)生中斷信號,但仍可讀取的接口電平),用INT2 口的下降沿觸發(fā)中斷對系統(tǒng)自動產(chǎn)生復位請求,10 s(大于5 s)內(nèi)讀取的INT2 口電平始終為高電平則是斷路故障,使傳感器輸出信號與CPU 獲得恰到好處的配合.
在大型船舶上,一只紅外人體運動傳感器無法覆蓋較大的駕駛室,為了節(jié)省CPU 的I/O 接口和軟件開支,用多個傳感器時采用觸點串聯(lián)方法,傳感器觸點信號輸入前附加少量預處理電路:在任意一只傳感器輸出觸點從斷開態(tài)轉(zhuǎn)向閉合的瞬間,該電路可在CPU 的INT2 口產(chǎn)生負脈沖,而且可在任意一只傳感器斷線故障時在該口上獲得故障信息.
多個運動傳感器的接口電路見圖7.在圖7中假定系統(tǒng)應(yīng)用4 只紅外人體運動傳感器PM1~PM4,它們的4個輸出觸點PK1~PK4 串聯(lián)在輸入觸點回路上,用LM317和RJ1 組成10 mA 恒流源向傳感器觸點回路供電,當4個輸出觸點處于某種穩(wěn)定狀態(tài)(或某幾個斷開、某幾個閉合)時,Va值由流過電阻RP1,RP2,RP3和RP4中的某幾個(觸點閉合的被短路)的電壓降值確定,而Vb=12 V·RJ3/(RJ2 +RJ3)≈1 V,c 點電壓為Va與Vb的分壓值,被電容CJ1 保持.出現(xiàn)以下情況會使CPU 的INT2口得到相應(yīng)的電平或負脈沖信號:
圖7 紅外人體運動傳感器接口
(1)傳感器電路斷線.Va被穩(wěn)壓二極管限壓在9 V,那么Va>Vc>Vb.經(jīng)運算放大器IC2A 比較后,由IC2B 跟隨器輸出高電平,LJ1 滅,INT2 持續(xù)處在高電平而且無下降沿,則為斷路故障.
(2)傳感器電路接線正常,而監(jiān)測區(qū)無人活動時,全部傳感器輸出觸點閉合,Va=0 V,則Va<Vc<Vb.經(jīng)運算放大器IC2A 比較后,由IC2B 跟隨器輸出低電平,LJ1 閃亮,INT2 持續(xù)處在低電平.
(3)監(jiān)測區(qū)有人活動時,某個傳感器輸出觸點處于斷開狀態(tài),并且每隔約5 s 閉合一下,由于閉合瞬間Vc不會突變,Va產(chǎn)生2 V(10 mA ×200 Ω)的壓降,使得Va瞬間小于Vc.經(jīng)運算放大器IC2A 比較后,由IC2B 跟隨器輸出低電平脈沖,LJ1 閃亮,INT2 也輸入低電平脈沖,觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷使BNWAS 復位.
上述附加電路巧妙地利用電容的電壓不能突變,以保持原有幾個傳感器輸出觸點閉合時的狀態(tài)電壓,當某個傳感器輸出觸點由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)向閉合時,運算放大器兩輸入端瞬間產(chǎn)生差壓,經(jīng)比較輸出低電平脈沖,以獲得CPU 所需負脈沖信號,可解決多個傳感器只需一個輸入中斷口INT2 的難題.
MSC.128(75)決議對系統(tǒng)時間精度作了明確要求:“在使用情況下,報警系統(tǒng)應(yīng)當能達到4.1.2 節(jié)中規(guī)定的計時要求:其精度為5%或5 s,以較小為好.”[1]本系統(tǒng)中,主CPU 程序的最主要程序是定時程序,主CPU 定時器每50 ms中斷一次,除執(zhí)行其他定時操作外,根據(jù)BNWAS 的不同計時階段散轉(zhuǎn),進行計時后作出判斷,并作相應(yīng)處理.圖8為主CPU定時程序主要流程.
圖8 主CPU 定時程序流程
所設(shè)計的BNWAS 在軟件配合下,硬件上采取主、副CPU 結(jié)構(gòu),CAN 現(xiàn)場總線,電源設(shè)計和外部配件的光電隔離及故障檢測,不但具有較高的抗干擾能力、可靠性及安全性,而且功能完善.
[1]IMO RESOLUTION MSC.128(75).Performance standards for a Bridge Navigational Watch Alarm System (BNWAS)[S].IMO:20 May 2002.
[2]IMO RESOLUTION A.1021(26).Code on alerts and indicators[S].IMO:18 January 2010.
[3]IEC 62616.Maritime navigation and radio communication equipment and systems-bridge navigational watch alarm system[S].IEC:2010(E).
[4]周立功.ICAN 現(xiàn)場總線原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.
[5]周立功.ARM 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.
[6]鐘鳴泉,黃學武,鄭華耀.基于ARM 微處理器的多串口多協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)備設(shè)計[J].上海海事大學學報,2008,29(1):62-66.
[7]毛興武.新型電子元器件及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2010.
[8]夏永明,孔凡花,王洋,等.船用智能同步檢測、指示、控制儀表[J].上海海事大學學報,2010,31(4):40-44.