水下航行體應急控制系統設計與實現

周隆英

（昆明船舶設備研究試驗中心，昆明650051）

水下航行體應急控制系統設計與實現

周隆英

（昆明船舶設備研究試驗中心，昆明650051）

水下航行體在科研階段的安全性已經越來越重要，它關乎科研成本的巨大浪費，更關乎科研數據的丟失，無法分析辛苦得來的寶貴數據，更嚴重的是，航行體的丟失，使得科研無法繼續進行，耽誤科研的進度。因此水下航行體應急控制系統顯得尤其重要。本水下應急控制系統采用C8051F040單片機為控制核心，Am29F040Flash存儲器為存儲單元，C語言為編程環境來實現。它的實現，確保了航行體的安全，對整個科研起到至關重要的作用。實際應用證明，該系統具有較高可靠性和實用性，為保證水下航行體安全提供了一種有效方法。

水下航行體；應急控制系統；安全；C8051F040單片機；存儲器；CAN總線

1 引 言

水下航行體應急控制系統，主要用于航行體在正常航行過程中，對航行體重要狀態的實時監測，用于預防由于航行體控制系統突然掉電、航行深度超出設定深度、航行時間超出設定時間等因素引起的航行異常。同時采取應急控制措施，控制航行體安全可靠的浮出水面并定位，便于安全回收。

作為應急系統，其工作時間長，系統穩定性和抗干擾性要求高，記錄數據量大，建立一套穩定可靠的通訊方式具有重要意義。該系統采用CAN總線通信方式，CAN總線系統工作可靠、穩定［1］，具有很高的抗干擾性，CAN控制器局域網具有體系開放、廣播式的新一代網絡通信協議，有效支持分布式控制和實時數據傳輸。由于其采用兩線差分串行傳輸，單工或半雙工工作模式，速度高，很適用于中小型的、實時要求高的系統［2］。因此確定使用CAN總線構建應急系統通信方式。

2 設計原理

水下航行體應急控制系統工作原理框圖如圖1所示，主要由控制模塊，數據存儲模塊，時鐘讀取模塊，信號監測模塊和驅動模塊組成。

圖1 應急控制系統工作原理框圖

3 系統硬件設計

系統硬件部分以C8051F040單片機為核心［3］，配備4M位閃速FLASH存儲器TMS29F040芯片、DS12887時鐘芯片、CAN總線通訊芯片、RS－232串口通信芯片、信號驅動芯片、繼電器、JTAG芯片等。其中C8051F040單片機是整個應急系統的大腦中樞，FLASH存儲器芯片存儲關鍵數據，DS12887時鐘提供關鍵數據時間點，CAN總線通訊芯片作為通訊的收發器件，RS－232串口通信芯片用于軟件調試，信號驅動芯片驅動輸出端口，JTAG芯片用于程序下載。

3.1 C8051F040單片機電路設計

C8051F040單片機為整個應急系統的大腦中樞，實時快速監測水下航行體的航行姿態，同時每0.1s間隔記錄從傳感器采集到的深度數據。出現緊急情況時，控制各路信號的輸出，并讀取時鐘芯片內時間作為關鍵信息的時間點存儲到FLASH存儲器。

3.2 FLASH存儲器電路設計

應急系統配備4M位閃速FLASH存儲器Am 29F040芯片，Am29F040Flash存儲器由8個獨立區段構成［4］，區段結構如下表1所示，A18、A17、A16為選擇8個區段之一的地址位［5］。在存儲航行體不同種類數據時，可分區段和地址位存儲產品所要記錄的數據。其主要用途為存儲應急參數，關鍵CAN信息數據及時間，航行體航行深度數據（0.1s間隔）。

表1 存儲器結構

3.3 時鐘電路設計

采用DS12887芯片設計的時鐘電路無需任何外圍電路和器件，具有良好的微機接口［6］。DS12887芯片具有微功耗、外圍接口簡單、精度高、工作穩定可靠等優點。內含一個鋰電池，斷電后運行十年以上不丟失數據。計秒，分，時，天，星期，日，月，年，并有閏年補嘗功能［7］。根據應急系統存儲時間的要求，DS12887芯片完全滿足運行穩定可靠、工作時間長、時間精確度高等要求。

4 軟件設計

軟件是應急控制系統的指控中樞。應急控制系統硬件在軟件的統一調度、管理和配置下，實現對水下航行體各系統主要信號的監測，同時記錄水下航行體工作異常時的重要數據，控制應急控制系統各功能模塊輸出驅動信號，確保水下航行體安全、快速的浮出水面。

4.1 軟件功能與結構

軟件功能主要包括：①實航深度信號及航行時間監測；②關鍵電源信號狀態監測；③數據記錄；④信號驅動控制；⑤CAN總線通訊。

該應急系統軟件監測航行體航行深度信號、航行時間和關鍵的5路電源信號，并在該監測信號發生異常時，通過CAN總線向控制系統報警以及警戒停機控制；在航行體由應急控制系統實施警戒停機后，由應急控制系統控制航行體安全浮出水面。

為了方便設計與后續的完善、修改，采用模塊化設計。各功能模塊完成各自不同的軟件功能，它包括狀態信號監測程序、深度信號監測程序、驅動控制程序、數據記錄程序、CAN總線通訊程序五個功能模塊。連接到定時循環的主模塊中形成自主循環檢測和中斷響應程序。其功能模塊框圖如圖2所示。

圖2 功能模塊框圖

4.2 主程序設計

主程序主要完成端口的初始化設置以及單片機的寄存器初始化，包括串口初始化、定時器初始化、系統時鐘初始化、I/O初始化、CAN通訊初始化、ADC0初始化等。初始化完成后，等待監測指令，收到監測指令后，監測航行體，根據監測信號進入相應的子程序模塊。當有結束提示或命令時，退出主程序。有關程序中用到的CAN及傳遞參數的全局變量數據類型也需要在此程序框架中定義，以便在系統異常時隨時正常調用各功能模塊。

4.3 監測程序設計

狀態信號監測軟件模塊主要監測航行體5路狀態信號的實時狀態，判斷各路信號是否出現異常。當全航行體任一信號出現異常時，軟件即設置該狀態異常標志位，并由驅動程序進行相關的警戒停機動作。其軟件模塊流程圖如圖3所示。

圖3 狀態信號監測軟件模塊流程圖

對要進行監測的輸入端口標志位進行判讀，在此軟件中，標志位“0”為正常信號狀態，標志位“1”為異常信號狀態。通過c語言里的判斷語句，對輸入端口進行判讀，達到監測信號的目的。

深度信號監測子程序主要是監測航行體航行過程中的實時深度信號，判斷航行體深度是否過深。當航行深度過深時，軟件設置深度異常標志位，并由驅動程序進行相關的警戒停機動作。通過提取深度傳感器的實時航行深度數據，對比外部寄存器Am29F040B內設定的深度警戒參數，來達到監測深度的異常。

4.4 數據記錄程序設計

深度數據記錄子程序實時記錄航行體航行的深度數據。它對采樣的深度信號進行轉換，把模擬量數據轉換成數字量數據，經濾波處理后存儲到應急系統的數據存儲區；當深度信號異常時，把深度信號異常數據存儲到記錄異常數據的特定存儲區。記錄的航行深度，有利于試驗后對深度數據進行分析。

其數據記錄軟件模塊流程圖如圖4所示。

圖4 數據記錄軟件模塊流程圖

狀態信號異常數據記錄子程序主要記錄狀態信號異常時的數據，在航行體航行過程中，當航行體航行深度信號、航行時間和控制5路信號，只要其中任何一路信號出現異常時，把異常數據存儲到記錄異常數據的特定存儲區。記錄當前時刻的異常數據，試驗后通過對安全控制電路記錄數據取數，可以清楚的知道在航行體航行過程中，是哪一路信號在何時出現了異常，便于問題的查找，縮短查找問題的時間。

4.5 CAN通信設計

CAN總線通信軟件模塊是對CAN總線通信接口卡硬件的操作。根據產品的CAN總線通信規程協議，上電運行控制程序中，程序初始化過程就完成CAN的初始化，完全根據各信號狀態、航行深度信號以及航行時間是否異常進行CAN發送信息和接收對應節點的CAN總線信息。由于每種命令的CAN總線通信幀的8個字節為核心內容，因此只需要把CAN總線通信功能設計發送和讀取函數，再用不同的調試命令調用CAN總線單元函數實現CAN通信。

通過CAN中斷，判斷是否接收或發送CAN消息，其實現如下：

其中，在CAN發送函數里，將*p數據寫入can消息發送，len為數據長度；在CAN接收函數里，將接收數據存入*p指針中，len為接收長度。Msg-Num為消息號，id為CAN總線上的節點號。

5 結束語

詳細介紹了某水下應急系統的設計與實現，該產品屬于嵌入式自動化設備，具備智能化、小型化與模塊化的設計特點。經測試，系統運行穩定，能可靠實現對水下航行體實航的狀態監測，在航行體工作異常時，快速做出應急響應，確保水下航行體的安全性。

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Design and Im plementation of Underwater Bodies Emergency Control System s

Zhou Longying
（Kunming Shipborne Equipement Research＆Test Center，Kunming 650051，China）

The safety of underwater bodies，concerning about the research costs and the research data，has been more and more important in research stage.What＇smore，the loss of the bodiesmakes scientific research interrupt and delays the progress of the research.The underwater bodies emergency control system is so important that it is paid more attention.The system uses C8051F040 singlechip as control core，Am29F040Flash memory for storage unit and C language as programming environment.Its implementation is conducted to ensure the safety of navigation and play a crucial role for the whole research.The practical application indicates that the system has high reliability and practicability and provides an effectivemethod for underwater navigation safety.

Underwater bodies；Emergency control system；Safety；C8051F040 microcontrolle；Memory；CAN bus

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.019

TP277

A

1002－2279（2015）05－0072－04

周隆英（1981－），男，廣西人，工程師，主研方向：監測設備研制與開發。

2015－03－10