基于ARM嵌入式调距桨控制系统设计方案

陈 伟， 蒋 凯

(1.中船重工集团第七〇四研究所， 上海 200031； 2.浙江大学生物医学工程与仪器科学学院， 浙江 杭州 310027)

基于ARM嵌入式调距桨控制系统设计方案

陈 伟1， 蒋 凯2

(1.中船重工集团第七〇四研究所， 上海 200031； 2.浙江大学生物医学工程与仪器科学学院， 浙江 杭州 310027)

调距桨广泛应用于各类舰船上，微机化调距桨控制系统是一个重要的发展趋势。基于高性能ARM嵌入式调距桨控制系统设计方案，提高了调距桨智能化水平，实现了高速匹配算法控制及高效可靠信息传送机制。分布式模块化设计的控制系统具有易维护、可移植、可扩展的特点，为现代船舶工业全船监控网络发展奠定技术基础。

嵌入式系统 调距桨 智能IO

1 引言

可调螺旋桨(简称调距桨)可以充分吸收主机的全功率，有较高的螺旋桨平均效率，在部分负荷时可以实现螺旋桨与主机转速的最佳匹配，具有提高操控性、降低能耗和提高安全性等功能[1]，目前已被广泛地应用于各种军舰和商船。因此，对调距桨控制系统的研究与开发具有现实意义。

调距桨控制系统的核心技术是数字控制器和相关的传感检测系统。随着单片机技术越来越广泛地应用于机电控制系统，尝试将具有高性能，高稳定性的嵌入式系统应用到调距桨控制系统成为一个重要的发展方向[2] 。本文针对船用嵌入式系统要求，采用高性能Philips ARM7 2200系列芯片等作为主控芯片，实现了具有信息处理、匹配算法控制、状态检测、主机过载保护、信息保存等功能的分布式模块化调距桨控制系统设计。

2 系统整体方案

调距桨控制系统控制螺旋桨、螺旋桨驱动等机械部件，通过电液比例系统驱动动作[3]。调距桨控制系统由电控系统中心、集控室、驾控室、液晶显示、信号输入输出连接中心、PC软件控制端等6个子系统组成，整个系统整体方案如图1所示。各部分功能如下所述：

图1 调距桨控制系统整体方案

(1) 电控中心是系统核心部分，负责与各个子系统协同工作，是完成数据处理、信号传输、输出控制、信息存储等功能的核心部件，是系统的中枢控制区。

(2) 信号输入输出连接中心负责采集相关传感器检测信号，发送控制命令信号。

(3) 集控室与驾控室是系统状态监测与控制操作指令输出系统，它们从电控中心获取当前系统状态数据，并向电控中心发送操作指令。集控室与驾控室对执行机构的控制权切换也需要通过电控中心协调完成。

(4) 液晶显示模块自带操作键盘，用户可以输入螺距、主机转速匹配表及控制算法参数等信息，并可以以曲线形式显示输入的信息。

(5) PC软件控制端主要用于软件调试工作。

本文根据整体方案，设计了一套高性能嵌入式调距桨控制系统：采用具有4CAN总线接口的Philips LPC2292系统的ARM7控制器为CPU；以带CAN总线接口的SOC芯片C8051F040作为数据采集与控制输入输出接口芯片；系统内部以CAN总线作为数据传输协议。

3 电控系统中心

电控系统中心的核心任务是完成螺距的精确控制。电控系统中心根据检测螺距操纵手柄的信息后，进行闭环控制，通过PID算法高速计算调整，精确控制液压比例阀的输出，使螺距值快速稳定在目标控制值。

当出现紧急状况，电控系统中心需要主动关闭比例阀，停止闭环控制算法，打开卸荷阀，让出螺距控制权。因此，电控系统中心需要具备实现“闭环系统”与“备用通道控制”的切换功能。

另外，电控系统中心还必须具备系统参数采集与报警功能。实时监测当前系统的控制模式、液压系统各油路的油压、主油箱油温、压力滤器状态等信息，比如出现油压过低、油温过高、负荷过高[3]等非正常状况时，发送报警信息，反馈到外部监控显示。

电控系统中心的硬件结构，如图2所示。电控系统中心以高性能ARM7 LPC2294芯片为核心，以多路隔离CAN总线为通讯手段，配置大容量程序存储器、数据存储器和大容量固态数据记录芯片。可以完成实时嵌入式操作系统与调距桨系统所有数据的汇总、交换、运算、高性能闭环控制算法以及相关的数据记录等功能，设计最高闭环运行频率为100 Hz以上，实际运行频率为30 Hz，具有较大的扩展空间和扩展能力。

系统各项指标如下：包括1～2块智能输入输出模块；ARM7 LPC2294 CPU运算速度为32位字长，30 MIPS以上；存储器容量为2 MB以上FLASH，512 KB以上铁电，8 MB以上SRAM；4路CAN通讯端口，其中三路为光电隔离信号；+24 V输入电源；输出隔离+5 V，±12 V电源；模块功耗小于2 W；输出电源功率大于10 W；200 kHz以上 CAN总线通讯方式。

4 信号输入输出连接中心

根据嵌入式控制系统的硬件接口需求，船用信号有以下5种信号类型[4]：

(1) 模拟信号输入(AI)：主要为4～20 mA输入信号；

(2) 模拟信号输出(AO)：主要为4～20 mA输出信号，部分采用电压信号；

(3) 数字开关信号输入(DI)：光电隔离+5～ +24 V开关量信号输入；

(4) 数字开关信号输出(DO)：光电隔离+5～ +24 V开关量信号输出；

(5) 数字脉冲信号和计数信号输入(PULSIN)：主要为转速信号等信号。

输入输出连接中心将各种船用信号进行数字化，并通过CAN总线与电控系统中心进行数据交换。因此调距桨控制系统采用高性能SOC芯片C8051F040作为智能I/O单元的主控制芯片，该SOC芯片具有完善的A/D、D/A、数字I/O和计数信号输入输出等接口。信号输入输出连接中心设计方案如图3所示。

系统各项指标如下：4路精度12位模拟信号输入(AI)，采用差动输入，可兼容电压和电流信号；4路精度12位模拟信号输出(AO)，采用4～20 mA和±10 V兼容双输出；16路数字开关信号输入(DI)为光电隔离+5～ +24 V开关量信号输入；16路数字开关信号输出(DO)为光电隔离+5～ +24 V开关量信号输出；1路最高频率100 kHz的数字脉冲信号和计数信号输入(PULSIN)，主要为转速信号等；开关量驱动+5 V，±12 V，+24 V供电电源；功耗小于2 W；200 kHz以上 CAN总线通讯方式；有效采样频率大于2 kHz。

图2 电控系统中心设计方案

5 智能显示

为了提高系统运行可靠性，调距桨控制系统专门设计一套人机交互和数据显示模块。模块包含由ARM7CPU控制完成320×240黑白显示液晶屏和操作键盘。人机交互和数据显示模块通过CAN总线将设置的参数传给嵌入式电控系统中心，同时通过CAN总线将系统实时运行状态在该液晶屏上显示，实现对设备的实时监控。该液晶屏具有独立工作的特点，不干预主控制单元的正常工作。基于CAN总线独立的人机交互和数据显示模块具有很强的数据和图形处理能力，使得主控制单元不必处理图形显示及人机交互功能，从而降低了主控制单元的系统复杂度，提高了系统整体可靠性和可维护性。

6 结论

本文介绍基于ARM嵌入式调距桨螺距控制系统设计方案，以高速可靠CAN总线为数字信息的传输载体，高性能的ARM7芯片为CPU，实现信息处理、最佳匹配控制、系统状态监测、主机过载保护、信息保存等功能。调距桨控制系统的模块化设计更有利于系统的维护与升级。目前，系统开发调试完成，运行效果符合设计目标。将嵌入式系统应用到调距桨控制系统中，可以显著提高调距桨装置的性能、智能化和可靠性，同时，也为全船监控网络化[5]的发展方向奠定技术基础，这将是调距桨控制系统发展的必然趋势。

[1] 汪涌泉，聂延生.调距桨推进装置特性及控制原理分析[J].世界海运，2003，5：44-45.

[2] 贵忠东.单片机在调距桨螺距控制系统中应用[J].机电设备， 2007，1：61-64.

[3] 陈华清.负荷控制技术在船舶推进系统设计中的应用[J].船舶工程，2009，3：43-45.

[4] 邱晓峰，陈昌鄂，候秀举.船舶主推调距桨方案设计与实现[J].航海工程，2006，6：23-25.

[5] 宋丽军.调距桨控制系统的演变和发展[J].机电设备，1997，5：12-13.

ARM-based Embedded Pitch Propeller Control System Design

CHEN Wei1， JIANG Kai2

(1.No.704 Research Institute of CSIC， Shanghai 200031， China; 2.College of Biomedical Engineering and Instrument Science Zhejiang University， Hangzhou Zhejiang 310027， China)

Controllable pitch propeller has been widely used on various types of ships. Computerized pitch propeller control system is an important trend. This article introduces the design of controllable pitch propeller control system based on the ARM embedded systems. The design improves the intelligence level of controllable pitch propeller, achieving high-speed matching algorithm control, efficient and reliable message delivery mechanism. Modular design of distributed control systems is easy to maintain, and has portable, scalable features. The technology helps lay the technical foundation of modern shipbuilding industry for the development of monitoring network.

Embedded systems Controllable pitch propeller Intelligent IO

浙江省科技厅优先主题项目(2010C11027)。

陈 伟(1978-)，男，高级工程师。

U662

A