HMI在船舶角度指示器中的應用

王鵬，秦珩

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HMI在船舶角度指示器中的應用

王鵬，秦珩

（海軍青島地區裝備修理監修室，山東青島 266002）

本文分析了船舶角度指示器的功能特點，工作原理。重點介紹了威綸HMI在該項目中的應用，譬如HMI的界面設計，EB8000軟件的使用方法，如何實現HMI的自由通訊協議，如何編寫宏指令等。正是因為HMI的強大功能，才使得該項目方案的硬件結構十分簡單，用戶只需花很少的精力去處理HMI以外的工作。而圖控軟件EB8000不僅可以編輯圖形界面，還可以運用宏指令編寫一些功能特殊的函數，為HMI的開發提供了極大的便利。

角度指示器 HMI 宏指令

0 引言

在船舶工程應用中，很多地方都會用到角度指示器，例如艙門的開啟和閉合、吊橋的開啟和閉合、艏舵、艉舵等。測量準確、圖形顯示直觀的角度指示器，給船舶操控者帶來很大的幫助。

我們研制的HG-A-001型角度指示器采用精密的角度傳感器采集角度信號，精度可達0.1°；顯示部分采用帶觸摸功能彩色液晶屏，配以精美的顯示圖片和宏指令，具有操控方便，界面顯示形象直觀，工作穩定可靠的特點。

HMI是Human Machine Interface的縮寫，“人機接口”，也叫人機界面。是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現信息的內部形式與用戶可以接受形式之間的轉換。高度智能化的HMI能夠自動完成畫面切換和輸入法等功能。

1 系統設計

1.1 工作原理

HG-A-001型角度指示器主要由三部分組成，角度傳感器、信號采集部分、角度顯示部分。其功能框圖如下圖所示。

圖1 系統方框圖

工作過程如下：信號采集模塊采集角度傳感器的4~20 mA信號，經過ADC轉換為數字信號，并通過RS232送到HMI進行顯示。HMI除了顯示角度數據，還要完成報警功能和設置功能。

1.2 設計方案

1) 角度傳感器：輸出4~20 mA電流，密封防水設計，外觀精美，安裝在被測物體的轉軸上，被測物體轉動時帶動角度傳感器一起轉動。其主要特性如下：

電氣行程：0-360°

機械行程：0-360°

供電電壓：15-24VDC

輸出電壓：4-20 mA

分辨率：0.088°

圖2 角度傳感器

2) 信號采集模塊：以MCS-51單片機為主控制芯片，具有成本低，結構簡單，性能穩定的特點。其工作原理為：接收角度傳感器的4~20 mA電流信號，經ADC轉換，形成數字信號，送入單片機。單片機再將轉換結果通過串口送HMI顯示。

該模塊可同時采集四路角度信號，設計上采用電子開關分時切換，共用一個ADC的方法來實現。

3）顯示部分：使用的威綸HMI，型號MT6070iH，軟件EB8000V465.02。其主要特性如下：

顯示器：7”、Widescreen

處理器：32 Bit RISC 400MHz

COM1 (RS-232/RS-485 2W/4W)

COM2 (RS232); COM3(RS232/RS-485 2W)

USB host: USB 1.1x1

USB Client: USB 2.0x1

電源輸入：24±20%VDC,250Ma@24VDC

內存（DRAM）：64MB DDR2 on board

閃存：128MB flash memory on board

通訊口：3組異步式串行通訊端口

由以上信息可以看出，威綸HMI不僅僅是顯示器，其自帶的高性能處理器，可以進行各種邏輯運算和復雜的數據運算。另外還帶有記憶保持單元，失電后能保持數據不被修改。

2 系統功能實現

2.1 系統需求分析

系統工作過程中需要處理的判斷和操作很多，歸納如下：

1) 四路角度信號輸入；

2) 測量精度0.5°，顯示精度1°；

3) 角度顯示要平穩，不可以跳動；

4) 可以設置報警角度；

5) 報警狀態具有自動清除和手動清除功能；

6) 具有設置校零功能；

7) 具有設置角度正反向功能。

2.2 信號采集模塊程序

使用KEIL2進行開發，主要包括系統初始化函數、ADC轉換函數、定時器處理函數、串口處理函數等。

由于電路采用的是12位的ADC芯片，當角度為0時，輸出4 mA電流，AD值為819；當角度為360時，輸出20 mA電流，AD值為4096；由此計算測量結果的分辨率為：

完全可以滿足系統要求。

為了達到平滑連貫的角度顯示效果，采集模塊需要進行多次采集，取平均值后，再將數據送HMI顯示，且必須至少0.5 s內更新一次角度值。

該ADC為串行芯片，一次轉換大約需要800 μs的時間，為此計算掃描一次的時間為

=1××= 800×64×4

=204800 μs

式中，1為單次ADC轉換時間，為一個通道重復采集的次數，為要采集的通道數。計算得出掃描周期為20.48 ms，低于系統要求的50 ms。

2.3 HMI圖形界面的實現

該項目使用EB8000圖控軟件編輯圖形界面，EB8000是一款人機界面領域的經典軟件，也是目前市場上最流行的軟件之一。

EB8000擁有豐富的元件庫。這里使用了多狀態指示燈、表針元件、數值顯示元件、數值輸入元件等構成主工作界面。

另外，該項目還設計了一個密碼輸入界面和一個參數設置界面。

2.4 HMI自由通訊協議的實現

威綸HMI支持開放的自由通訊協議，可通過宏指令編寫通訊程序，實現與非標準通訊協議設備的連接。由于該項目中HMI連接的是單片機，而不是PLC，所以必須使用HMI的自由通訊協議功能。

圖3 主工作界面

利用自由通信協議時必須進行以下設置：

1）PLC類型要設置為Free Protocol

2）雙方通信參數設置要完全一致。EB8000在【編輯】->【系統參數設置】中做如下設置：

COM: COM1；

波特率: 9600；

數據位: 8Bits；

校驗: None；

停止位: 1Bit。

3）在收發宏指令收到一組數據時要及時清除串口緩沖寄存器的內容,如PURGE(1)就是清除串口1緩沖寄存器內容

4）自由通信協議需要用到收發宏指令(OUTPORT為觸摸屏發送數據到下位機,INPORT為下位機發送數據到觸摸屏)。

2.5 宏指令設計

威綸HMI的宏指令是由各種語句組成的。這些語句包含常數、變量和各種運算符。宏指令提供了應用程序之外附加的你所需要的功能。它可以擔負執行譬如復雜的運算、字符串處理，和使用者與工程之間的交流等功能。

一個宏指令必須有一個且只有一個主函數，用來開始宏指令的執行。格式為：

macro_command 函數名稱()

程序語句

end macro_command

本項目的多個地方需要用到宏指令。下面就以登錄界面的輸入密碼功能為例進行說明。

在EB8000界面中點擊“工具/宏指令”，在彈出的窗口中點擊“新增”，打開宏指令編輯窗口，編寫程序如下。

macro_command main()

int password_1

char char1 = 0

GetData(password_1, "Local HMI", LW, 8, 1)

if password_1 == 600949 then

char1 = 12

SetData(char1, "Local HMI", LW, 5, 1)

end if

char1 = 0

SetData(char1, "Local HMI", LW, 8, 1)

end macro_command

給這個宏指令取名為“micro_password”,其實現功能就是當輸入密碼后，點擊確認鍵，判斷輸入的密碼是否正確。如果密碼正確，則打開設置界面。

關閉宏指令窗口后，返回到輸入密碼畫面，選取“確認鍵”，右擊“確認鍵”，選取“屬性”，打開屬性窗口。

在“一般屬性里”，選取“觸發宏指令”，并在宏指令選擇框里，選擇“micro_password”。這樣，用戶在點擊“確認鍵”后，就可以觸發“micro_password”里的程序了。我們可以使用EB8000的“在線模擬”和“離線模擬”功能進行驗證。

該系統還需建立以下幾個宏指令：

接收單片機串口數據的宏指令；

消音鍵處理宏指令；

校零鍵處理宏指令；

反向鍵處理宏指令；

等待。

3 結論

本文介紹了一個船舶上使用的角度指示器的設計和實現的要點。該設備與現有的數碼管顯示的產品相比，具有精度高，測量準確，畫面生動直觀的特點；與現有的工控機產品相比，具有體積小，價格低廉的特點。

該產品在某艦艇上成功投入使用一年多時間，實踐證明，該產品可靠性好，抗干擾能力強，硬件接線簡單，易于維護。HMI現場操作簡單方便，穩定可靠，這些優點使得該產品在船舶自動化控制中有很大的應用前景。

本文的創新點在于將HMI監控技術引入船舶角度指示器領域，增強了產品功能，拓展了船舶角度指示器的應用范圍，降低了產品成本，具有較好的經濟效益。

[1] 譚一川，陳曾漢. HMI在煙草行業能源管理系統中的應用.計算機信息. 管控一體化, 2009, 25(3) : 31-32.

[2] EB8000人機界面使用說明書和軟件使用手冊. 臺灣威綸科技公司, 2009.

[3] 陳光東. 單片微型計算機原理及其C語言程序設計. 武漢：華中理工大學出版社, 2004: 184-185.

The Applications of HMI to Ship Angle Indicator

Wang Peng, Qin Hen

（Repairing and Supervising Room of Naval Equipment in Qindao Area, Qindao 266002, Shandong, China）

This paper analyzes the features and working principle of an angle indicator for ship. It highlights the applications of Wei Lun highlights HMI to a project, such as HMI interface design, the use of EB8000 software, how to achieve freedom HMI communication protocol, and how to program macros. It is precise because the HMI powerful, which makes the hardware structure of the project plan simple. For this, users only need to pay less attention to the out of HMI. Not only the control software EB8000 can edit the graphical interface, but also you can use macros to write some features special functions for the development of HMI provides a great convenience.

angle indicator; HMI; Macro

TP391

A

1003-4862（2014）12-0039-03

2014-08-12

王鵬（1979-），男，工程師。研究方向：艦船動力系統。