基于AVR單片機的船舶氣象儀測試系統的設計與實現

郭顏萍，張志偉，劉 濤，李春立

（山東省科學院 海洋儀器儀表研究所，山東 青島266001）

船舶氣象儀是船舶導航系統設備之一，可測量船舶所在位置海區的風速、風向、溫度、濕度、氣壓等多項氣象要素，可向船舶的導航系統傳送實時的氣象參數。船舶氣象儀一旦出現故障，將會影響船舶操作人員對各種氣象要素的估計和判斷，甚至導致航行船舶失控、擱淺、觸礁、傾覆等嚴重事故。為了保障船舶氣象儀能夠時刻處于良好的狀態，需要先進的測試技術和便攜式的測試設備對船舶氣象儀的運行情況進行檢測。但是，目前市面上還沒有出現一套完整的測試系統來完成對現有船舶氣象儀的檢測任務，以滿足船舶操作人員的使用和保障需求。針對目前船舶上普遍使用的氣象儀器專門設計的船舶氣象儀測試系統，能夠很好地完成船舶氣象儀的故障測試任務，縮短船舶氣象儀的測試診斷時間，滿足船舶氣象儀的快速維修要求，其操作簡便，測試效率高，大大降低了氣象儀的維修費用。

1 系統總體設計

在分析船舶氣象儀軟硬件原理和結構的基礎上，充分考慮船舶的維修環境，確定了便攜式、模塊化設計思想。由于船舶氣象儀主要由主儀器和各種氣象要素傳感器兩大部分組成，因此分別設計了主儀器檢測模塊和傳感器檢測模塊。信息處理終端是船舶氣象儀測試系統的控制核心，提供人機交互界面和操作按鍵，響應用戶的操作命令并顯示檢測信息。系統總體框圖如圖1所示。圖中虛線框內為檢測對象，虛線箭頭表示船舶氣象儀測試系統進行自檢測時的連接方向。

圖1系統總體框圖Fig.1 Overall diagram of system

考慮到船舶工作環境相對惡劣，加上電子裝備甚多，電磁干擾嚴重，因此船舶氣象儀測試系統各模塊之間采用CAN總線進行通信。CAN總線是一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的網絡通信控制方式[1]。

2 系統工作原理

2.1 檢測船舶氣象儀主儀器

利用船舶氣象儀測試系統可以對船舶氣象儀主儀器進行逐級測試，從而對主儀器及其內部功能模板是否故障作出快速判斷。

檢測時，主儀器檢測模塊仿真輸出3檔（低檔、中檔、高檔）傳感器信號，維修人員按照從內到外或者從外到內的順序將其逐級連接到船舶氣象儀主儀器相應的接插件上，同時觀察船舶氣象儀顯示屏上風速、風向、溫度、濕度、氣壓的測量數據，如果這些測量數據跟隨船舶氣象儀測試系統設定值的變化而變化，可以確定這一級沒有故障，否則可以確定故障就在這一級。

2.2 檢測船舶氣象儀傳感器

利用船舶氣象儀測試系統可以對船舶氣象儀傳感器信號進行實時監測，從而對傳感器及其傳輸線路是否故障作出快速判斷。

檢測時，傳感器檢測模塊檢測傳感器信號，信息處理終端顯示實時測量值和檢測結果，維修人員按照操作規程使傳感器信號發生一個特定的變化，信息處理終端根據傳感器信號是否發生了預期的變化，得出傳感器是否故障的診斷結果。

2.3 船舶氣象儀測試系統自檢測

船舶氣象儀測試系統自檢測可以排除船舶氣象儀測試系統本身故障的可能。檢測時，把主儀器檢測模塊和傳感器檢測模塊分別連接到船舶氣象儀測試系統信息處理終端的CAN總線接口上，并把主儀器檢測模塊的風、溫濕、壓的輸出接口與傳感器檢測模塊對應的輸入接口連接起來。信息處理終端接收傳感器檢測模塊的采樣數據，并與主儀器檢測模塊輸出的數據比較，根據二者是否一致，得出船舶氣象儀測試系統本身是否故障的診斷結果。

3 系統硬件電路設計

3.1 信息處理終端硬件組成

信息處理終端硬件設計結構框圖如圖2所示，由微處理器、顯示屏、按鍵、CAN總線接口電路、供電單元組成。信息處理終端微處理器選用Atmel公司AVR單片機[2]AT90CAN128[3]，它內部資源豐富，集成了A/D轉換器，CAN控制器，因而只需少量外圍測量電路便可組成集控制、通信功能于一體的單片系統，既減小了系統的規模，又提高了系統的可靠性。供電采用外接交流220 V電源和可充電鋰電池2種方式。

圖2信息處理終端結構框圖Fig.2 Structure diagram of information processing terminal

主儀器檢測模塊和傳感器檢測模塊的微處理器也選用AT90CAN128，供電方式與信息處理終端相同。

3.2 主儀器檢測模塊硬件組成

主儀器檢測模塊的主要功能是提供多種接口插座適配各類接插件，仿真輸出各類傳感器信號，包括風速、風向、溫度、濕度、氣壓信號。為了與船舶氣象儀測試系統其他模塊通信，設計了CAN總線接口電路。主儀器檢測模塊硬件設計結構框圖如圖3所示。

圖3主儀器檢測模塊結構框圖Fig.3 Structure diagram of testing module of main instrument

3.3 傳感器檢測模塊硬件組成

傳感器檢測模塊的主要功能是提供多種接口插座適配各類接插件，對各類傳感器信號進行調理，包含的氣象要素信號與主儀器檢測模塊相同，只是處理電路不同。傳感器檢測模塊硬件設計結構框圖如圖4所示。

圖4傳感器檢測模塊結構框圖Fig.4 Structure diagram of testing module of sensors

4 系統軟件設計

4.1 設計方法

系統軟件設計采用AVR Studio+Winavr的集成開發平臺。AVR Studio是在Windows 9x/Me/NT/2000/XP操作系統下編寫和調試AVR應用程序的嵌入式開發環境（IDE），Winavr是一組開放源代碼的程序集，用于AVR系列單片機的開發[4]，AVR Studio配合 Winavr能夠支持 AVR C/C++程序的編輯、編譯、連接以及生成目標代碼，同時配合Atmel公司設計的實時在片仿真器JTAGICE mkⅡ[5]能夠實現系統的在線硬件仿真調試功能和目標代碼的下載功能[6]。

4.2 信息處理終端程序

信息處理終端根據用戶的按鍵操作，向船舶氣象儀測試系統檢測模塊發送檢測命令，根據檢測模塊發回的反饋數據及時更新檢測信息。信息處理終端主程序流程圖如圖5所示。

圖5信息處理終端主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main programe of information processing terminal

4.3 主儀器檢測模塊程序

主儀器檢測模塊按照信息處理終端的指令仿真輸出傳感器信號，代替實際傳感器與船舶氣象儀主儀器接插件連接，對主儀器傳感器接口及其內部通道、主儀器內部各個相關模塊進行檢測，并將檢測結果反饋到CAN總線上。主儀器檢測模塊主程序流程圖參見圖6。

圖6主儀器檢測模塊流程圖Fig.6 Flow chart of main instrument testing module

4.4 傳感器檢測模塊程序

傳感器模塊按照信息處理終端的指令采集傳感器信號，對信號進行計算處理后，將數據返回給信息處理終端。傳感器檢測模塊主程序流程圖參見圖7。

5 結束語

針對目前船舶上普遍使用的氣象儀器進行專門設計的船舶氣象儀測試系統，克服了人工排查故障費時費力的缺點，降低了維修難度，提高了維修效率，從而能夠滿足普通船舶操作人員的使用和保障需求。

圖7傳感器檢測模塊流程圖Fig.7 Flow chart of sensors testing module

[1]饒運濤.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2]胡漢才.高檔AVR單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3]Atmel Corporation.8-bit microcontroller with 32K/64K/128K bytes of ISP Flash and CAN controller AT90CAN32/AT90CAN64/AT90CAN128[EB/OL].（2008-08）[2010-01].http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc7679.pdf.

[4]佟長福.AVR單片機GCC程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版，2006.

[5]Atmel Corporation.8-bit microcontrollers JTAGICE mkⅡquick start guide[EB/OL].（2006-07）[2010-01].http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2562.pdf.

[6]馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.