一种电子同轴车钟系统的设计与实现

蹇安安，戴 晶，戴金鹏

（武汉第二船舶设计研究所 湖北 武汉　430064）

一种电子同轴车钟系统的设计与实现

蹇安安，戴 晶，戴金鹏

（武汉第二船舶设计研究所 湖北 武汉430064）

本电子同轴车钟系统是基于电机驱动技术、单片机技术和CAN总线通信技术的一种现代船用车钟系统。系统内的各车钟控制单元，分别配备步进电机，各控制单元之间通过高速现场CAN总线进行数据传输，实现各控制车钟之间信号的同步和控制权切换。本文给出了一种电子同轴车钟系统的实现方式，着重介绍了电气控制部分的设计与实现。并在此基础上，生产研制出了产品样机，目前该装置已经投入使用。

电子同轴；CAN通信；步进电机；C8051F045

随着造船及航运业的不断发展，船舶自动化作为实现节能、减少船用人数和确保航行安全的重要手段，越来越受到人们的重视。船舶车钟系统作为船舶控制系统中的一种主要设备，是建立驾驶室与机舱之间的通信桥梁，是船舶控制系统的核心［1］。

本文介绍了一种通用型的电子同轴车钟系统的实现方式，该电子同轴车钟系统大大提高了船用车钟系统的可操作性、实时性和安全性，填补了国内船舶车钟系统在该领域的空白［2］。

本文所设计的电子同轴车钟系统，就是基于C8051F045芯片以及CAN总线通信技术的嵌入式控制系统。

操作人员只能对具有主控权的车钟进行操作，跟随状态下的车钟，以电子轴的形式，跟随主控车钟进行同步动作。

被控车钟的控制单元，通过CAN通信，实时接收由主控车钟控制单元发送的操作车钟的位置信息，被控车钟对比本单元的当前位置信息，做出对应的正/反跟随的同步操作。

2　系统硬件设计

1　系统功能

电子同轴车钟系统的电气控制系统框图如图2所示。

在该船舶车钟操作系统中，同一时间只有一个车钟处于主控状态，非主控车钟均处于跟随状态。主控状态车钟接受主控请求，将控制权切换信息通过CAN通信传递给系统中的其他车钟，释放控制权，转为跟随状态。车钟控制单元对对应车钟的控制状态进行监测及更新，实时反馈主控权/被控权状态，指示当前车钟的主控/受控状态。

本系统电气控制的硬件设计主要是对终端控制器的设计，终端控制器主要包括：电源转换模块、步进电机控制器模块、步进电机模块、电位器采样模块、CPU+CAN控制器模块、CAN总线收发器模块以及转换按钮模块。终端控制器的系统框图如图2所示。

2.1电源转换模块原理图

电源模块主要是通过稳压芯片，对24 V船用控制直流电压进行转换，为CPU和外围芯片提供稳定的3.3 V和5 V直流电压供电。如图4所示，选用开关电源芯片LM2575将24 V稳压成5 V，模块最大输出功率为5W，满足芯片供电需求［3］。5 V电压经过低压线性稳压器AS1117，稳压为3.3 V，为CPU芯片提供稳定可靠的低压电源。

2.2电位器采样模块及CPU控制器模块原理图

图1　电子同轴车钟系统的电气控制系统框图Fig.1　Electronic shaft system of electric control system's block diagram

图2　终端控制器系统框图Fig.2　Terminal controller system block diagram

模拟信号采集，主要是采集电位器的电阻值。通过可控精密稳压源TL431，输出精准的2.5 V电压至电位器两端，CPU通过采集变换的电压值来判断当前控制单元的位置状态，从而保证位置跟随的精准度。

电机控制模块通过高压大电流达林顿晶体管阵列芯片ULN2003对CPU输出信号进行放大，控制步进电机驱动器，驱动步进电机的正反转［4］。

2.3CAN总线收发器模块原理图

CAN通信模块采用3.3 V高速CAN收发器SN65HVD232，适用于较高通讯速率、良好抗干扰能力和高可靠性CAN总线的串行通信［5］。

图3　电源转换模块电路原理图Fig.3　Power supply module circuit principle diagram

CAN总线以其较高的通讯速率、良好的抗电磁干扰能力可实现高可靠性串行通信，因而在实际应用中具有极高的应用价值［6］。不过，随着集成技术的不断发展，为了节省功耗，缩小电路体积，一些新型CAN总线控制器的逻辑电平均采用LVTTL，这就需要和之相适应的总线收发器，SN65HVD232型电路非常好地解决了这个问题。

SN65HVD232是3.3CAN总线收发器，主要是和带有CAN控制器的CPU配套使用，该收发器具有差分收发能力，最高速率可达1Mb/s［7］。

3　系统软件设计

本系统电气控制的软件设计，主要实现：CAN通信数据交互、步进电机驱动、模数转换以及数字量的输入输出等功能。主程序流程图如图6所示。

4　结束语

图4　电位器采样模块及CPU控制器模块原理图Fig.4　Analog signal acquisition and CPU module circuit principle diagram

图5　CAN总线收发器模块原理图Fig.5　The CAN communication module circuit principle diagram

本文给出了一种电子同轴系统设计的新方法、新思路，将CAN通信、嵌入式系统引入船舶车钟控制系统［8］。系统具备高扩展性和通用性，为数据集成、功能拓展预留了充足的接口，并可将该电气控制系统运用至不同型号和规格的船用车钟系统［9］。

样机系统，已用过相关试验，实现了从控操作单元与主控操作单元的准确跟随，以及各个操作单元主控状态和从控状态的自由切换。目前该型船用车钟控制系统，已在某型拖轮上正式投入使用，反馈良好［10-11］。

经试验表明，该设计合理，方案可行，研制出的产品性能可靠，为今后类似产品的研制开发及使用具有重要的参考价值［12］。

参考资料：

［1］陆金金，杜佳璐，杨承恩.模型船的船舶运动控制系统设计［D］.大连：大连海事大学，2010.

图6　主程序流程图Fig.6　Main program flow chart

［2］牛立佳，杨承恩.船舶模型控制器的设计［D］.大连：大连海事大学，2007.

［3］阳宪惠.现场总线技术及其应用［M］.北京：清华大学出版社，1999.

［4］姚竹亭，吴立新，潘宏侠，等.基于CAN总线的车辆控制系统设计与实现［J］.火力与指挥控制，2009（6）：138-140.

［5］邱关源.电路［M］.北京：高等教育出版社，1999．

［6］童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［7］朱宇，王伟.步进电动机的应用［J］.微电机：伺服技术，2002 （4）：55-58.

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

［9］杨宜民.新型驱动器及其应用 ［M］.北京：机械工业出版社，1997.

［10］黄海燕，王德禹.舰船多学科协同设计优化软件系统设计［J］.船海工程，2011（1）：47-50.

［11］贾培刚 ，耿云波 ，赵鹏飞 ，等.高浓度印染废水电化学-厌氧-好氧处理工艺［J］.西安工程大学学报，2011（5）：674-678.

［12］马文敏，王志刚，王新磊.基于CANopen的自动化船舶监控系统［J］.电子科技，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稿件编号：201503276

蹇安安（1990—），女，湖北松滋人，硕士研究生。研究方向：特种机电设备设计研制。