一種船舶機電信息系統多源數據模擬器研究與設計

摘要：本論文設計了一種船舶機電信息系統多源數據模擬器，能夠仿真輸出船舶標準航行與助航設備的信號。該模擬器基于軟硬件集成，構建了用于測試船舶智能系統平臺及應用產品的仿真環境，可模擬船舶運行數據和設備狀態信號，滿足測試驗證需求。

關鍵詞：船舶；模擬器；多源數據；現場總線；數據采集；可配置

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）15-0097-03

0引言

真實的船舶航行試驗成本高昂且機會有限，難以滿足現代船舶電子信息系統軟硬件測試的需求。因此，船舶電子設備的開發通常依賴于模擬實驗[1]。為更好地測試國產新型智能化船用電子信息系統，本文設計了一種船舶機電信息系統多協議數據模擬器，其能夠仿真輸出全船標準航行與助航設備的信號。該模擬器構建了一個軟硬件集成的仿真環境，用于測試船舶智能系統平臺及應用產品，并滿足模擬船舶運行數據和設備狀態信號的需求，從而滿足對船舶智能系統平臺及應用產品的測試驗證要求。該模擬器具有以下功能：仿真輸出全船標準航行與助航設備信號及機艙監測報警通信信號數據；仿真輸出常用船舶設備狀態表示及狀態模擬量信號；協調控制系統仿真平臺，實現實時同步設定狀態數據，并可模擬注入仿真故障數據和數據通信故障等常見故障；監測受測試系統的狀態，并基于輸入和反饋信號對受測試系統運行性能進行監測和故障反饋[2]。該模擬器有效地完成了船用智能化軟件的測試工作，縮短了測試周期，提高了軟件開發效率。

1模擬器組成與原理

計算機技術的快速發展使得船舶電子信息系統可以通過仿真平臺進行模擬實現。開發本模擬器可以還原真實環境下的船舶電子信息系統的運行，降低維護運營成本，并在實驗室環境下進行模擬測試[3]。本模擬器由4臺操作機控制6臺CAN通信模塊、5臺16口串口設備聯網服務器、16口交換機、48口交換機、帶防火墻的4口路由器和一臺打印機等硬件組成。具體硬件配置如下：6臺CAN通信模塊提供12個CAN總線通信端口（其中1個用于檢測）；2臺16口串口設備聯網服務器提供32個485/422通信端口；3塊16通道開關量TTL輸出模塊提供48路TTL開關量輸出；4塊8通道開關量繼電器輸出模塊提供32路繼電器開關量輸出，總計80路開關量信號輸出；13塊4通道電壓輸出模塊和13塊4通道電流輸出模塊提供104路模擬量信號輸出；5塊485轉MVB模塊提供5個MVB總線端口（其中1個用于檢測）；5塊485轉HART模塊提供5個HART總線端口（其中1個用于檢測）；48口交換機預留32個端口用于與測試驗證環境和被測系統進行網絡通信；3G/4G通信設備用于與外部設備進行無線通信；便攜式振動臺用于校準振動和加速度傳感器。

船用機電與信息系統多協議數據模擬器硬件組成及原理框圖如圖1所示。

模擬器功能參數如下：

1）標準信號發生質量：1g加速度正弦信號，196Hz；

2）硬件模擬信號協議要求：能夠按照工業總線協議發送指定格式的數據，可設定通信頻率，硬件端口滿足以下協議的配置輸出：NEMA0183通信協議；FSK-485總線協議；MVB-485總線協議；以太網總線協議；CAN-bus總線協議；MOD-BUS通信協議[4]；

3）數據遠程傳輸模擬環境：能夠測試以太網與無線網絡環境通信平臺，可搭載被測試軟件進行通信測試，包含：GPRS通信測試設備、Wi-Fi網絡連接測試設備、公網通信測試設備[5]；

4）模擬導航與助航設備數據輸出接口：GPS、風速風向儀、電羅經、磁羅經、自動舵、ECDIS、測深儀、計程儀、氣象站等；

5）模擬電壓（0～10V）端口52路，精度不大于0.1%；

6）模擬電流（4～20mA）端口52路，精度不大于0.1%；

7）開關量端口80路（TTL端口48路，繼電器端口32路）；

8）RS485/422總線，端口數量32路，提供隔離與保護；

9）CAN總線，端口數量10路，隔離與保護；

10）TCP網絡通信總線，端口數量32路。

2模擬器軟件設計

符合軟件工程設計要求，遵循計算機軟件設計規范[6]；軟件界面友好、簡單直觀、易于使用；采用模塊化設計思想，降低模塊間耦合性，便于后期升級維護；注重軟件執行效率，確保軟件運行的穩定性和可靠性；軟件具有良好的擴展性，便于后期升級擴展[7]。

本模擬器軟件由開關量信號模擬仿真測試軟件、電壓信號模擬真測試軟件、電流信號仿真測試軟件和總線信號模擬仿真測試軟件構成。軟件組成如圖2所示。

軟件采用解耦設計，將數據模擬器軟件分為4個獨立的軟件進行設計開發，分別用于控制開關量模塊、電壓輸出模塊、電流輸出模塊和總線通信模塊，產生相應船舶電子系統所需的模擬信號和仿真指令。總線信號仿真測試軟件各子模塊采用插件的形式設計，方便主程序框架加載調用；軟件模塊與硬件相關部分，全部寫配置文件，確保后期軟、硬件的升級擴展[5]。

2.1開關量信號仿真測試軟件

該軟件具有以下功能：1）開關量信號輸出通道配置（新建、導入、導出、保存和清除）；2）開關量信號輸出/停止控制；3）通道輸出數據的配置和圖像化顯示。用戶可設置通道輸出值類型（固定值或序列值）、輸出方式（序列單次或循環輸出），以及輸出控制條件（輸出間隔時間、最終輸出狀態）等。通道輸出序列數據以圖形化方式展示。軟件工作流程如圖3所示。

開關量信號仿真測試軟件初始主界面如圖4所示，新建開關量配置界面如圖5所示，通道序列配置界面如圖6所示，配置完成后開關量信號輸出仿真界面如圖7所示。

3模擬器運行狀態監控與診斷

本節描述了對模擬器運行狀態的監控與診斷方法，包括開關量與模擬量模塊運行狀態監測和總線通信模塊運行狀態監測。

3.1開關量與模擬量模塊運行狀態監測

通過監控開關量、電壓和電流模塊各端口輸出回讀值，并與設定值比對，實時判定模塊運行狀態。異常通道將在軟件界面中進行顏色標識或高亮閃爍。圖8和圖9顯示了監控界面。

3.2總線通信模塊運行狀態監測

通過觀察面板上的指示燈（RX、TX、DATA、LINK）監控RS485和網絡總線通信模塊運行狀態。此外，用戶可通過外部接線端子盒連接檢測端口，并通過軟件控制通道收發數據進行檢測和診斷。總線信號通信檢測界面如圖10所示。

4應用及前景討論

與其他船舶數據模擬器相比，本模擬器具有多協議兼容性、多類型數據輸出能力、針對每種協議的通信模型、靈活的系統配置、多樣化的接口、穩定的數據輸出和良好的可擴展性等優勢。在船舶智能化發展過程中，該模擬器將有力支持新型船用智能系統的測試與優化，推動船舶信息化和智能化發展[8]。目前，該模擬器已完成研發并經過多輪測試，性能良好，穩定可靠，已應用于部分船舶電子系統和智能系統的測試優化，減輕了對航行試驗的依賴。中國智能船舶行業發展迅速，取得了突破性進展[9]，對船用機電信息系統配套測試系統關注度的提升將有助于推動船舶領域信息化與智能化的發展進程。

參考文獻：

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[9]湯天浩.船舶智能化信息系統的探討[J].船舶與海洋工程，2007（3）：29-31.

【通聯編輯：梁書】