基于單片機的船舶通用型延伸報警裝置設(shè)計

唐 勇，張 冰，黃巧亮

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

隨著我國船舶工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，船舶機艙監(jiān)測和報警系統(tǒng)技術(shù)飛速提升。延伸報警系統(tǒng)是監(jiān)測報警系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)船舶自動化和智能化的關(guān)鍵系統(tǒng)[1]。船舶是一個特殊的應(yīng)用環(huán)境，對系統(tǒng)的性能要求很高。目前應(yīng)用在延伸報警系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)主要是圍繞RS485構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，各類延伸報警裝置也層出不窮，但現(xiàn)有的延伸報警裝置通用性較差，有些整合在機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)中；有些整合了輪機員呼叫主機功能，不適合所有船舶；有些報警信號輸入方式、總線方式單一。筆者介紹的是一種基于RS485、CAN總線、以太網(wǎng)等多種通信方式的設(shè)計方法，大大提升了該延伸報警裝置的通用性。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

船用延伸報警系統(tǒng)一般由多個延伸報警裝置組成。其主要作用是，船舶機艙集控臺上的延伸報警裝置（主單元）及時地將船舶機艙發(fā)生的報警情況傳送至駕駛室、公共場所、值班員住所等處的延伸報警裝置（從單元）[2]。整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 延伸報警系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 Structure of the extend alarm system

延伸報警裝置主單元通過通信模塊與各延伸報警裝置從單元一起組成整個延伸報警系統(tǒng)，并通過多種方式和上位機進行通信。上位機將得到的報警信息發(fā)送到延伸報警裝置主單元，主單元根據(jù)自身的設(shè)置將報警信息及時有效地傳遞到各終端。在延伸報警裝置主單元上可以通過旋鈕開關(guān)或人機交互進行值班設(shè)置和報警信息輸入方式的設(shè)置，通過按鍵可以進行消音、確認等本地報警操作，并及時將報警和值班設(shè)置信息形成數(shù)據(jù)包，發(fā)送到整個網(wǎng)絡(luò)上。各延伸報警裝置從單元通常安裝在輪機長室、二管輪、三管輪、電機員以及餐廳，駕控臺等公共區(qū)域。當(dāng)報警發(fā)生時，主單元和系統(tǒng)設(shè)置的當(dāng)前值班的從單元發(fā)出聲光報警信號。如果在報警信號發(fā)出后，在設(shè)定時間內(nèi)相關(guān)值班人員不在或未能對報警信號進行應(yīng)答消音處理，系統(tǒng)將自動在每個從單元發(fā)出報警信號，進行全局呼叫。在延伸報警裝置從單元上可以通過旋鈕開關(guān)或人機交互設(shè)置值班轉(zhuǎn)移，通過按鍵進行消音和確認操作。

當(dāng)報警發(fā)生后，系統(tǒng)將記錄該報警的相關(guān)信息，值班人員可以在每個終端上通過人機交互進行查詢相關(guān)信息、日歷時鐘設(shè)置、報警編號及名稱的修改或添加等操作。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

延伸報警裝置主從單元的硬件構(gòu)成如圖2所示。主要包括微控制器、存儲單元、開關(guān)量輸入模塊、通信模塊、LCD模塊，鍵盤、撥碼開關(guān)等部分。筆者著重介紹微處理器、通信模塊的設(shè)計方法。

圖2 延伸報警單元硬件組成框圖Fig.2 Structure diagram of hardware system of the extend alarm unit

2.1 微控制器

系統(tǒng)中的微控制器主要作用是對輸入輸出口進行控制，實現(xiàn)LCD顯示，并且能夠完成RS485、CAN、以太網(wǎng)通信功能，實現(xiàn)接收和傳送相關(guān)數(shù)據(jù)，因此在選用芯片時要選用具有較多通用I/O口的，外圍資源豐富的微處理器。本系統(tǒng)采用性能優(yōu)越的C8051F430單片機，該單片機是一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型的微處理器，具有片內(nèi)上電復(fù)位、電壓調(diào)整器、看門狗定時器和時鐘振蕩器；FLASH存儲器還具有系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件[3]。

2.2 通信模塊

本延伸報警系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠通信。由于現(xiàn)階段船舶自動化領(lǐng)域主要采用的是RS485和CAN通信技術(shù)，所以在設(shè)計通信模塊時都加以考慮，在實際應(yīng)用時可根據(jù)需要選擇RS485、CAN總線、以太網(wǎng)三種通信方式中的一種。考慮到使用的方便性，在設(shè)計是通過撥碼開關(guān)進行選擇通信方式。下面分別介紹3種通信方式的接口方式。

2.2.1 RS485接口部分

船用報警系統(tǒng)大多采用RS485通信方式。本延伸報警裝置在每個通信模塊都設(shè)計了485接口，具體的連接方式如圖3所示。芯片選用MAX485，由于工程環(huán)境比較復(fù)雜，現(xiàn)場常有各種形式的干擾源，所以485總線的傳輸端一定要加有保護措施。在電路設(shè)計中采用穩(wěn)壓管D1、D2組成吸收回路。為防止信號之間的干擾，采用光耦TIL117進行隔離，保證通信的可靠性[4]。

圖3 通信模塊RS485接口連接圖Fig.3 Diagram of the RS485 communication module interface connection

2.2.2 CAN接口部分

CAN控制器局域網(wǎng)是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的通信網(wǎng)絡(luò)。CAN為串行通信協(xié)議，能夠有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制，在船舶自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本延伸報警裝置通信模塊采用SJA1000來實現(xiàn)這一功能。SJA1000是Philips公司生產(chǎn)的一種獨立控制器，它在BasicCAN的基礎(chǔ)上增加了一種新的工作模式PeliCAN，支持CAN2.0B協(xié)議[5]。SJA1000和CAN總線收發(fā)器PCA82C251的連接圖如圖4所示。SJA1000的串行數(shù)據(jù)輸出線（TX）和串行數(shù)據(jù) 輸 入線 （RS）接到 收發(fā) 器 PCA82C251。 收 發(fā)器PCA82C251通過有差動發(fā)送和接收功能的兩個總線終端CANH和CANL連接到總線電纜。

2.2.3 以太網(wǎng)接口部分

1）以太網(wǎng)接口連接方式

以太網(wǎng)控制芯片選用CP2200。目前在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，比較常用的獨立的以太網(wǎng)控制器如RTL8019AS、CS8900A等這些芯片體積大，引腳多，操作復(fù)雜，系統(tǒng)開銷也很大。CP2200是集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）、10Base－T 物理層（PHY）和 8 kB 非易失性 FLASH 存儲器的單芯片以太網(wǎng)控制器，采用 28腳 QFN（5×5mm）或48腳TQFP封裝。CP2200可以為具有11個以上端口 I/O引腳的任何微控制器或主處理器增加以太網(wǎng)通信功能。8位并行總線接口支持Intel和Motorola總線方式，可以使用復(fù)用或非復(fù)用方式尋址。在非復(fù)用方式下，數(shù)據(jù)傳輸速度可超過30Mbps[6]。本系統(tǒng)采用非復(fù)用的方式，CP2200外圍硬件連接圖如圖5所示。地址總線端口A[0～7]和數(shù)據(jù)總線端口D[0～7]通過 74HC573接單片機 F340的管腳端 P4.0～P4.7，F(xiàn)340通過這兩條總線對CP2200進行尋址和接收發(fā)送數(shù)據(jù)。F340通過譯碼器接CP2200的CS引腳，INT接F340的管腳P0.0；單片機通過譯碼器控制 CP2200的工作使能，而CP2200通過管腳INT給單片機發(fā)出中斷請求信號。

圖4 通信模塊CAN總線接口連接圖Fig.4 Diagram of the CAN bus communication module interface connection

圖5 CP2200外圍硬件連接圖Fig.5 Diagram of the CP2200 hardware connection

2）CP2200的配置方法

單片機與CP2200連接好后，需要對CP2200進行配置。配置窗口如圖6所示。程序編譯環(huán)境使用Silicon Laboratories，利用TCP/IP Configuration Wizard環(huán)境配置網(wǎng)絡(luò)的IP地址、MAC地址等參數(shù)，然后運行Silicon Laboratories IDE會自動生成所需的單片機程序架構(gòu)，然后在按照實際需要對其中的子函數(shù)指令內(nèi)容進行具體編寫，從而實現(xiàn)以太網(wǎng)功能。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本延伸報警系統(tǒng)的軟件部分主要包括主機模塊和從機模塊。它們又主要涉及主程序、通信模塊程序，中斷服務(wù)程序等。通信模塊程序主要包括CAN通信程序和以太網(wǎng)通信程序。限于篇幅，筆者主要介紹系統(tǒng)的主程序流程。本系統(tǒng)采用C語言編寫程序，可移植性強，便于調(diào)試和維護。根據(jù)系統(tǒng)所要達到的功能，其主要流程圖如圖7所示。

圖6 TCP/IP配置窗口Fig.6 TCP/IP configuration window

系統(tǒng)在程序開始后，首先進行裝置初始化，初始化主要包括微處理器初始化、LCD模塊初始化以及根據(jù)撥碼開關(guān)的狀態(tài)初始化相應(yīng)的通信模塊。初始化完成后，系統(tǒng)判斷延伸報警裝置是主單元還是從單元。

主單元部分的主要流程如圖左側(cè)所示。系統(tǒng)進入主單元后，首先根據(jù)撥碼開關(guān)的狀態(tài)確定值班轉(zhuǎn)移的設(shè)置方式，開啟通信中斷，然后判斷是否有未處理的報警信號，如果有發(fā)出聲光報警，如果沒有，開啟定時器1中斷；隨后判斷是否人機交互，人機交互處理主要包括報警歷史情況查詢、日歷時鐘設(shè)置、報警編號及名稱的修改或添加、值班設(shè)置等，若報警編號/名稱發(fā)生變化，則將相應(yīng)的信息發(fā)送到通信總線上。隨后判斷是否值班轉(zhuǎn)移，若是，則進行值班轉(zhuǎn)移處理。值班轉(zhuǎn)移處理主要包括讀取值班狀態(tài)，判斷是否有值班要求，若有則將值班要求信息發(fā)送到通信總線上。最后是判斷是否按鍵處理，按鍵處理部分主要包括讀取按鍵值，判斷是哪個按鍵按下，若是“試燈”鍵按下，則所有指示燈亮、蜂鳴器響；若是“LCD測試”鍵按下，則顯示LCD測試用顯示內(nèi)容；若是“通信測試”鍵按下，則向所有延伸報警裝置從單元發(fā)出通信測試指令。

圖7 系統(tǒng)程序流程圖Fig.7 Flow chart of the system

當(dāng)系統(tǒng)判斷為從單元時，首先根據(jù)撥碼開關(guān)狀態(tài)設(shè)置報警信號輸入方式和值班轉(zhuǎn)移設(shè)置方式。隨后判斷FLASH中是否有報警信號和名稱，若有，發(fā)出聲光報警并LCD顯示輸入報警信號和名稱。若沒有，開啟通信中斷，啟動定時器，判斷是否人機交互處理，包括報警歷史記錄查詢、日歷時鐘設(shè)置、值班轉(zhuǎn)移設(shè)置等；隨后判斷是否值班轉(zhuǎn)移處理[7]，若有，則作出相應(yīng)處理并將值班轉(zhuǎn)移信息發(fā)送到通信總線上。最后判斷按鍵處理，包括讀取按鍵值，判斷是哪個鍵按下，若是“試燈”鍵按下，則所有指示燈亮、蜂鳴器響；若是“LCD測試”鍵按下，則顯示LCD測試用顯示內(nèi)容；若是“通信測試”鍵按下，則向所有延伸報警裝置從單元發(fā)出通信測試指令并啟動定時器；若是“消音”鍵按下，則使蜂鳴器不響、閃爍的燈變?yōu)槠焦猓蝗羰恰按_認”鍵按下，則將值班應(yīng)答信息或值班轉(zhuǎn)移應(yīng)答信息發(fā)送到通信總線上。

4 結(jié) 論

基于單片機的船舶通用型延伸報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能齊全，交互性好。用戶在使用時可以選擇不同的通信方式，可以有選擇的設(shè)定延伸報警從機的數(shù)量，也可以增加一些非常規(guī)的功能。本系統(tǒng)已經(jīng)在多艘油輪上使用，結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠性高、誤報警率低、使用簡單、成本低廉，不僅及時有效地傳遞了報警信息，還整合了輪機員值班等功能，能夠提高船舶報警的可靠性，具有很高的應(yīng)用價值。

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