駕駛室航行值班報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃曉中

(上海融德機(jī)電工程設(shè)備有限公司 研發(fā)部，上海 200135)

0 引言

根據(jù)國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)海上安全委員會(huì)(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(bào)警系統(tǒng)(Bridge Navigational Watch Alarm System，BNWAS)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)BNWAS.該系統(tǒng)的目的是檢測駕駛室的活動(dòng)，當(dāng)發(fā)覺操作人員能力喪失、值班駕駛員(Officer Of Watch，OOW)意識(shí)狀態(tài)降低或當(dāng)該值班人員因某種因素未履行值班員職責(zé)可能導(dǎo)致航海事故時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)通過指示燈和警報(bào)聲及時(shí)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(shí)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(bào)警系統(tǒng)(BNWAS)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)》、IEC 62616-2010《駕駛室航行值班報(bào)警系統(tǒng)》、IEC 60945-2002《海上導(dǎo)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(rèn)可測試也更為嚴(yán)格.

1 系統(tǒng)主要功能

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(yùn)行、待機(jī)和自動(dòng).所謂自動(dòng)即自動(dòng)受控運(yùn)行，當(dāng)船舶上的航向或跟蹤控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可自動(dòng)停止運(yùn)行BNWAS;而在船舶上的航向或跟蹤控制系統(tǒng)停止工作時(shí)，自動(dòng)運(yùn)行BNWAS.

BNWAS 指示和報(bào)警的運(yùn)行順序見圖1.圖中Tdx為選擇的休眠期.

圖1 BNWAS 指示和報(bào)警的運(yùn)行順序

圖1中，當(dāng)BNWAS 處在運(yùn)行狀態(tài)，被復(fù)位后維持3～12 min 的休眠期(Td1)，在該休眠期結(jié)束時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)將觸發(fā)置于駕駛臺(tái)的可視指示(即第1 級光報(bào)警).

BNWAS 在該可視指示觸發(fā)15 s(Td2)后在駕駛臺(tái)發(fā)出第1 級聲報(bào)警.第1 級聲報(bào)警旨在提醒OOW，設(shè)計(jì)中讓聲報(bào)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(bào)警聲能在駕駛室OOW 合理預(yù)期應(yīng)處于的所有操作位置聽到.如果第1 級聲報(bào)警15 s(Td3)后還沒有被應(yīng)答(復(fù)位)，則在后備值班員處再發(fā)出第2 級聲光報(bào)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(bào)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(yuǎn)程聲光報(bào)警.［2］

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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)

2.1 主控制單元

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(dòng)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(yùn)動(dòng)傳感器、延伸應(yīng)急按鈕及運(yùn)行控制等信號(hào)輸入口.

2.2 主操作面板

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(jī)交互.值班員選擇、運(yùn)行狀態(tài)指示、各類報(bào)警燈及計(jì)時(shí)值數(shù)碼顯示表明當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài).此外，面板上配備有［復(fù)位］按鈕和［應(yīng)急呼叫］按鈕，按下［復(fù)位］按鈕系統(tǒng)進(jìn)入休眠期，并重新開始計(jì)時(shí)，已發(fā)生的報(bào)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(bào)警，5 s 后引發(fā)第2 級聲光報(bào)警，繼續(xù)計(jì)時(shí)引發(fā)第3 級聲光報(bào)警.為了防止［應(yīng)急呼叫］按鈕誤操作，還設(shè)計(jì)5 s 后悔期(其間再次按動(dòng)［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(dòng)、停止或?qū)\(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定.可設(shè)定的參數(shù)包括當(dāng)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(chǔ)記錄在主控制單元的Flash ROM中予以保護(hù).

2.3 復(fù)位擴(kuò)展按鈕盒

復(fù)位擴(kuò)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(fù)位擴(kuò)展按鈕盒，其復(fù)位按鈕和聲光報(bào)警器功能與操作面板相同.

2.4 后備值班員報(bào)警盒和全員聲光報(bào)警器

這些報(bào)警盒(報(bào)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(huì)議室、食堂及公共走道)，當(dāng)?shù)? 級報(bào)警發(fā)生時(shí)，選定的后備值班員房間的報(bào)警盒將發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)，而當(dāng)?shù)? 級報(bào)警發(fā)生時(shí)全部報(bào)警單元一起動(dòng)作.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(rèn)可，測試主要包括:系統(tǒng)功能測試以檢驗(yàn)系統(tǒng)的功能要求是否達(dá)標(biāo);電磁兼容性試驗(yàn)包括磁羅經(jīng)安全距離、傳導(dǎo)發(fā)射、靜電放電抗擾度等十幾項(xiàng)，用于檢驗(yàn)系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，避免系統(tǒng)對外電路實(shí)施干擾;環(huán)境試驗(yàn)和外殼防護(hù)等級試驗(yàn)用于檢驗(yàn)環(huán)境溫度對系統(tǒng)的影響及系統(tǒng)機(jī)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(jì).

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖2可以看到BNWAS 的控制核心實(shí)際是由主操作面板的人機(jī)交互操作和主控制單元對擴(kuò)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(jì)放棄傳統(tǒng)的易受電磁干擾影響的信號(hào)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(jī)對話:把采集面板上按鍵及鎖開關(guān)狀態(tài)送往主CPU，同時(shí)根據(jù)接收到的主CPU 發(fā)來的信息進(jìn)行各項(xiàng)顯示和報(bào)警.副CPU 還不斷檢測CAN 總線狀態(tài)及按鍵狀態(tài)，當(dāng)總線異常或按鍵長時(shí)間不應(yīng)有的接觸時(shí)發(fā)出報(bào)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(bào)警運(yùn)行順序進(jìn)行報(bào)警輸出處理和對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的檢測，并按通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)把有關(guān)信息隨時(shí)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(jī)LPC2368，該芯片功能強(qiáng)大、集成度高，并可提供多達(dá)4個(gè)串口、IrDA 接口、USB Device 接口、2個(gè)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(jī)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(gè)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(jī)通信或作為下載口使用.［6］復(fù)位電路使用帶Flash存儲(chǔ)器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI-30，在提高系統(tǒng)可靠性的同時(shí)保存設(shè)置的參數(shù).INT0/INT1和INT2中斷口分別用于遠(yuǎn)程復(fù)位信號(hào)和(紅外)人體運(yùn)動(dòng)探測器信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)接收到復(fù)位脈沖時(shí)觸發(fā)一段復(fù)位處理程序，系統(tǒng)進(jìn)入休眠期，重新開始計(jì)時(shí).

3.2 現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)之一.作為符合國際標(biāo)準(zhǔn)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(jī)LPC2368 其自身集成一個(gè)完整的CAN(遵循CAN 規(guī)范V2.0B 協(xié)議)控制器，具有強(qiáng)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(fù)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(diǎn)，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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)、實(shí)時(shí)可靠的特點(diǎn).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(fù)雜的握手管理、資源分配等內(nèi)容，并使用預(yù)定義數(shù)據(jù)組合的方式管理CAN-bus總線上的節(jié)點(diǎn).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(shí)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)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)

3.3 電源和信號(hào)

本系統(tǒng)共有兩路供電電源，分別來自船用發(fā)電機(jī)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(jìn)行監(jiān)控并有自動(dòng)切換功能，當(dāng)任一電源停止供給時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)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(yàn)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(dǎo)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(hào)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(dòng)等情況.

兼顧各方面要求，系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)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(dòng)切換組件到達(dá)主控制單元.主控制單元電源入口處并聯(lián)一個(gè)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(dǎo)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(hù)、輸出過壓保護(hù)、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(jìn)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

3.4 系統(tǒng)自檢和故障報(bào)警

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(jì)系統(tǒng)硬件時(shí)，主控制單元與外部擴(kuò)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(diǎn)，來很好地解決外電路與主機(jī)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(fù)位擴(kuò)展按鈕盒］與主機(jī)的接口電路

圖6中，INT1和INT2 分別是檢測斷線信號(hào)和按鍵信號(hào)輸入口，OUT1和OUT2 分別是聲光報(bào)警信號(hào)輸出口.左側(cè)為［復(fù)位擴(kuò)展按鈕盒］內(nèi)電路，右側(cè)為主控制單元電路.

當(dāng)復(fù)位鍵RST 未被按下時(shí)，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(shí)施內(nèi)部控制的重要性和意義認(rèn)識(shí)不足，認(rèn)為內(nèi)控把簡單的事情復(fù)雜化，相關(guān)內(nèi)控制度流于形式，缺乏可操作性。從而在實(shí)際工作中，僅認(rèn)為財(cái)會(huì)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(cái)會(huì)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(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)提供決策參考。

使光電耦合器GL1 輸出管導(dǎo)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(diǎn)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(dāng)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(dǎo)通，INT1為低電平，表明按鍵按下，回路電阻的選擇保證此時(shí)光電耦合器GL1 的輸入電流應(yīng)在工作電流范圍內(nèi):

光報(bào)警信號(hào)由OUT2 輸出，經(jīng)光電耦合器GL3輸出使LG1 亮，實(shí)現(xiàn)光報(bào)警輸出.當(dāng)系統(tǒng)未接此［復(fù)位擴(kuò)展按鈕盒］時(shí)，可把JP1 短接，使主控制單元不會(huì)因此產(chǎn)生不應(yīng)有的斷線故障信號(hào).

3.5 紅外人體運(yùn)動(dòng)傳感器

為了簡化駕駛?cè)藛T的操作，系統(tǒng)還配備紅外人體運(yùn)動(dòng)傳感器復(fù)位信號(hào)輸入接口，當(dāng)有人員在駕駛室正常活動(dòng)時(shí)，傳感器對系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位請求.

紅外人體運(yùn)動(dòng)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(hào)完全一樣，工作模式均為:通電預(yù)熱50 s 后，若未檢測到人體運(yùn)動(dòng)，其輸出觸點(diǎn)閉合;若檢測到人體運(yùn)動(dòng)，其輸出觸點(diǎn)斷開;若檢測到持續(xù)有人體運(yùn)動(dòng)，其輸出觸點(diǎn)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(yùn)動(dòng)傳感器，則可把傳感器輸出觸點(diǎn)一端接地，另一端接上拉電阻后由單片機(jī)LPC2368中斷口INT2 口輸入:那么INT2口為低電平(觸點(diǎn)閉合)傳感器工作正常，監(jiān)測區(qū)無人活動(dòng);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(yùn)動(dòng);INT2 長時(shí)間(大于5 s)持續(xù)處在高電平則是斷路故障(因?yàn)閭鞲衅鲾嗑€時(shí)輸入信號(hào)線懸空).本系統(tǒng)充分利用單片微機(jī)INT2 口的輸入特性(即輸入信號(hào)持續(xù)為高或低電平不變時(shí)不會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，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(dòng)產(chǎn)生復(fù)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(hào)與CPU 獲得恰到好處的配合.

在大型船舶上，一只紅外人體運(yùn)動(dòng)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(gè)傳感器時(shí)采用觸點(diǎn)串聯(lián)方法，傳感器觸點(diǎn)信號(hào)輸入前附加少量預(yù)處理電路:在任意一只傳感器輸出觸點(diǎn)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(fù)脈沖，而且可在任意一只傳感器斷線故障時(shí)在該口上獲得故障信息.

多個(gè)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)傳感器PM1～PM4，它們的4個(gè)輸出觸點(diǎn)PK1～PK4 串聯(lián)在輸入觸點(diǎn)回路上，用LM317和RJ1 組成10 mA 恒流源向傳感器觸點(diǎn)回路供電，當(dāng)4個(gè)輸出觸點(diǎn)處于某種穩(wěn)定狀態(tài)(或某幾個(gè)斷開、某幾個(gè)閉合)時(shí)，Va值由流過電阻RP1，RP2，RP3和RP4中的某幾個(gè)(觸點(diǎn)閉合的被短路)的電壓降值確定，而Vb=12 V·RJ3/(RJ2 +RJ3)≈1 V，c 點(diǎn)電壓為Va與Vb的分壓值，被電容CJ1 保持.出現(xiàn)以下情況會(huì)使CPU 的INT2口得到相應(yīng)的電平或負(fù)脈沖信號(hào):

圖7 紅外人體運(yùn)動(dòng)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(yùn)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(dòng)時(shí)，全部傳感器輸出觸點(diǎn)閉合，Va=0 V，則Va＜Vc＜Vb.經(jīng)運(yùn)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(dòng)時(shí)，某個(gè)傳感器輸出觸點(diǎn)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(huì)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(yùn)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(jī)產(chǎn)生中斷使BNWAS 復(fù)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(gè)傳感器輸出觸點(diǎn)閉合時(shí)的狀態(tài)電壓，當(dāng)某個(gè)傳感器輸出觸點(diǎn)由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)向閉合時(shí)，運(yùn)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(fù)脈沖信號(hào)，可解決多個(gè)傳感器只需一個(gè)輸入中斷口INT2 的難題.

3.6 軟件流程圖(報(bào)警處理和時(shí)間精度)

MSC.128(75)決議對系統(tǒng)時(shí)間精度作了明確要求:“在使用情況下，報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能達(dá)到4.1.2 節(jié)中規(guī)定的計(jì)時(shí)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(shí)程序，主CPU 定時(shí)器每50 ms中斷一次，除執(zhí)行其他定時(shí)操作外，根據(jù)BNWAS 的不同計(jì)時(shí)階段散轉(zhuǎn)，進(jìn)行計(jì)時(shí)后作出判斷，并作相應(yīng)處理.圖8為主CPU定時(shí)程序主要流程.

圖8 主CPU 定時(shí)程序流程

4 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)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(jì)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(xué)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(xué)出版社，2008.

［6］鐘鳴泉，黃學(xué)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(jì)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(4):40-44.