一種便攜式船舶氣象儀仿真儀

漆隨平 王東明 郭顏萍 于宏波 張志偉

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，山東 青島 266001;山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所2，山東 青島 266001)

0 引言

船舶氣象儀(以下簡稱氣象儀)用來為船舶提供氣象信息，是船舶的重要設(shè)備［1］。當(dāng)氣象儀出現(xiàn)故障時(shí)，要求其能夠快速恢復(fù)正常工作，以保證船舶的航行安全。雖然目前各型號的氣象儀均采用了模塊化設(shè)計(jì)［2－4］，并設(shè)計(jì)了故障診斷程序［5］，在其出現(xiàn)故障時(shí)僅需更換模塊，但在維修時(shí)需要首先判斷故障類別及位置。對于難以排除的故障，則需要維修專家上船或隨船維修，這在航行或執(zhí)行任務(wù)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)。因此，氣象儀的維修維護(hù)成為一個(gè)亟待解決的問題。

針對上述問題，本文研制了便攜式船舶氣象儀仿真儀(以下簡稱仿真儀)，實(shí)現(xiàn)了氣象儀的綜合仿真和故障診斷。樣機(jī)的使用試驗(yàn)結(jié)果表明，該氣象儀提高了測試維修的工作效率，縮短了氣象儀的維修時(shí)間，增強(qiáng)了氣象儀的使用效率，對船舶的航行安全及其推廣應(yīng)用將起到十分重要的作用。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

便攜式故障診斷儀已在機(jī)械儀表設(shè)備維修性研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［6］。為實(shí)現(xiàn)便攜的功能，本仿真儀設(shè)計(jì)為模塊化結(jié)構(gòu)，用戶可以根據(jù)需要選擇功能模塊，各功能模塊可即插即用。仿真儀設(shè)計(jì)有可充電鋰電池，用來滿足應(yīng)急及便攜式使用的需要。

仿真儀由主儀器、兩個(gè)檢測模塊和一個(gè)接口轉(zhuǎn)換模塊組成。兩個(gè)檢測模塊分別是檢測主機(jī)模塊和檢測傳感器模塊。主儀器模塊用來完成檢測任務(wù)、人機(jī)交互和檢測結(jié)果顯示等功能。檢測主機(jī)模塊用于仿真?zhèn)鞲衅?，根?jù)主儀器給定的氣象儀型號和傳感器型號仿真輸出相應(yīng)的傳感器信號，實(shí)現(xiàn)對氣象儀主機(jī)的檢測和故障診斷，并將檢測和診斷結(jié)果返回給主儀器，實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示。檢測傳感器模塊用于仿真氣象儀主機(jī)，可根據(jù)主儀器給定的傳感器接口類型、信號形式采集傳感器信號，實(shí)現(xiàn)對傳感器的檢測和故障診斷，并將檢測和診斷結(jié)果返回給主儀器模塊，實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示。接口轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)各種類型的傳感器及接插件的接口轉(zhuǎn)換。

AVR單片機(jī)采用 CMOS技術(shù)和 RISC架構(gòu)，使AVR單片機(jī)具有高速、低功耗和高可靠性的特點(diǎn)［7］。AVR系列單片機(jī)中的AT90CAN128內(nèi)部集成了CAN控制器，它能夠方便地實(shí)現(xiàn)CAN總線接口［8］。為完成仿真儀故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)其智能化診斷功能，仿真儀主儀器及兩個(gè)檢測模塊都采用AT90CAN128核心處理器構(gòu)建為嵌入式系統(tǒng)。主儀器和檢測模塊通過CAN總線進(jìn)行通信。

1.2 主儀器

仿真儀主儀器是仿真儀的控制核心，提供人機(jī)交互界面和操作按鍵，響應(yīng)用戶的操作命令并顯示檢測信息。仿真儀主儀器由AVR單片機(jī)系統(tǒng)、人機(jī)交互單元、顯示驅(qū)動(dòng)電路、按鍵處理電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘處理電路、CAN總線收發(fā)器、復(fù)位/電源管理電路及JTAG電路組成。人機(jī)交互單元包括顯示屏和按鍵。顯示屏采用EW50855BMW型液晶屏，按鍵選用金屬鍵盤，由上移、下移、左移、右移、確認(rèn)、返回、菜單、翻頁八個(gè)鍵組成，并采用2×4矩陣式接口。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)有2 GB的SD卡，以存儲(chǔ)專家知識庫數(shù)據(jù)及檢測歷史數(shù)據(jù)。通信單元由CAN控制器(AT90CAN128內(nèi)置)、CAN收發(fā)器和CAN總線接口電路組成。該CAN控制器支持 CAN2.0A＆2.0B規(guī)范，通信速率最高達(dá)1 Mbit/s，CAN收發(fā)器選擇帶隔離的高速收發(fā)器CTM1050，符合 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)［8］，具有 DC 2500 V 的隔離功能及ESD保護(hù)作用。時(shí)鐘處理電路、復(fù)位/電源管理電路及JTAG電路為嵌入式系統(tǒng)通同的標(biāo)準(zhǔn)電路。仿真儀的主儀器電路框圖如圖1所示。

圖1 主儀器電路圖Fig.1 Block diagram of the circuit in main unit

1.3 檢測主機(jī)模塊

檢測主機(jī)模塊能夠按照仿真儀主儀器發(fā)來的指令和選擇的傳感器輸出信號量程，仿真輸出低、中、高三檔傳感器信號。檢測主機(jī)模塊硬件由AVR單片機(jī)系統(tǒng)及其相應(yīng)的傳感器信號仿真電路、通信仿真電路組成。AVR單片機(jī)系統(tǒng)采用AT90CAN128微處理器。根據(jù)氣象儀傳感器現(xiàn)狀，仿真?zhèn)鞲衅餍盘枂卧軌蚍抡孑敵龅膫鞲衅餍盘柊}沖信號、8位開關(guān)量信號、4～20 mA電流信號、Pt100鉑電阻信號、0～5 V電壓信號和RS-485數(shù)據(jù)。這些信號分別用來實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓、降水量和能見度等信號的仿真。通信單元包括RS-232接口電路、RS-422接口電路和CAN總線接口電路。該通信單元用以單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試、仿真接收航速航向數(shù)據(jù)以及與仿真儀主儀器通信。此外，檢測主機(jī)模塊通過采用不同的接插件，能夠直接連接到主機(jī)內(nèi)部的I/O板、A/D轉(zhuǎn)換板、數(shù)據(jù)采集板、通信板、顯控模塊和功能模塊等電路，對電路進(jìn)行仿真檢測。檢測主機(jī)模塊電路原理如圖2所示。

圖2 模塊電路原理圖Fig.2 Principle of the module circuitry

1.4 檢測傳感器模塊

檢測傳感器模塊能夠按照仿真儀主儀器發(fā)來的指令，仿真氣象儀采集風(fēng)、溫濕度、氣壓、能見度及降水量等傳感器的信號，并把計(jì)算處理后的結(jié)果回傳給仿真儀主儀器。檢測傳感器模塊由AVR單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器信號處理單元和CAN總線接口電路組成，其硬件原理框圖與檢測主儀器模塊類似。AVR單片機(jī)系統(tǒng)采用AT90CAN128微處理器。傳感器信號處理單元包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓、降水量和能見度等信號調(diào)理電路，分別輸出與相應(yīng)的傳感器信號范圍一致的脈沖、8位并行開關(guān)量、4～20 mA電流、Pt100鉑電阻、0～2 V和0～5 V電壓、RS-232串口數(shù)據(jù)以及RS-485串口數(shù)據(jù)等信號。

脈沖信號經(jīng)過濾波整形后，送入AVR單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù);開關(guān)量信號經(jīng)過施密特整形后與AVR單片機(jī)的I/O口相連;電流信號通過100 Ω的精密電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號并經(jīng)調(diào)理后，送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;Pt100鉑電阻信號經(jīng)惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過放大電路和調(diào)理電路處理后送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;電壓信號經(jīng)調(diào)理電路處理后送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;串口數(shù)據(jù)由電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過串口擴(kuò)展電路處理后送AT90CAN128的串口。

1.5 電源模塊電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)仿真儀便攜基站的功能，其電源采用交流220 V和鋰電池這兩種方式。設(shè)計(jì)的電源模塊由鋰電池單元和電壓調(diào)整單元組成。鋰電池單元通過充電器連接線接通交流電源(220 V/50Hz)后，即可為仿真儀供電。鋰電池充滿電后，可保證仿真儀連續(xù)工作3 h;電壓調(diào)整單元可將交流220 V電源調(diào)制成直流15 V、±5 V，以供仿真儀工作。

2 軟件設(shè)計(jì)

仿真儀主儀器的工作方式設(shè)計(jì)為檢測傳感器、檢測主機(jī)和系統(tǒng)自檢三種模式。開機(jī)后，顯示屏顯示主菜單界面。通過操作按鍵，用戶可選擇其中的一種工作模式。仿真儀主儀器和各檢測模塊之間的通信采用CAN總線通信。CAN通信程序采用主動(dòng)發(fā)送和中斷接收的方式，CAN通信協(xié)議遵循CAN2.0B規(guī)范。

仿真儀主儀器是仿真儀的信息處理和控制的核心，用以提供人機(jī)交互界面和操作按鍵，響應(yīng)用戶的操作命令，并向仿真儀檢測模塊發(fā)送檢測命令和顯示檢測信息。仿真儀主儀器主程序流程框圖如圖3所示。

圖3 主程序流程框圖Fig.3 Flowchart of the main program

檢測主機(jī)模塊用來接收仿真儀主儀器指令輸出傳感器信號，代替實(shí)際傳感器與氣象儀主機(jī)連接，并對主機(jī)傳感器接口及其內(nèi)部通道、主機(jī)內(nèi)部各個(gè)相關(guān)模塊進(jìn)行檢測。

檢測傳感器模塊用來接收仿真儀主儀器指令后采集傳感器信號，并對信號進(jìn)行計(jì)算處理，最后將數(shù)據(jù)返回給仿真儀主儀器。

3 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

氣象儀工作原理及組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部電路板卡和外部傳感器種類繁多，各自的電路組成復(fù)雜，元器件數(shù)量大，導(dǎo)致氣象儀可能出現(xiàn)的故障種類多、故障點(diǎn)定位困難。因此，如何準(zhǔn)確快速識別并定位故障點(diǎn)是仿真儀的關(guān)鍵技術(shù)。對此，本文將氣象儀研制、生產(chǎn)和維修等方面的專家經(jīng)驗(yàn)建立成知識庫，采用故障樹分析(fault tree analysis，F(xiàn)TA)方法實(shí)現(xiàn)故障的識別和定位，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的基于嵌入式系統(tǒng)的專家系統(tǒng)軟件。

將系統(tǒng)故障的各種原因由總體至部分按照樹枝狀結(jié)構(gòu)，自上而下逐層細(xì)化的分析方法稱為故障樹分析方法。故障樹體現(xiàn)了一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)故障或其他事件之間的交互關(guān)系［9］。在故障樹中，底事件(basic event)通過一些邏輯符號(與門和或門)連接到一個(gè)或多個(gè)頂事件(top event)。頂事件一般指危及系統(tǒng)安全的事件或是不希望發(fā)生的系統(tǒng)故障，底事件通常表示部件故障或者是人員的錯(cuò)誤操作。通過分析氣象儀，建立用Mj表示中間事件(j=1，…，9)、xi表示底事件(j=1，…，20)、Top為頂事件的系統(tǒng)故障樹模型。專家系統(tǒng)的智能化主要表現(xiàn)為能夠在特定的領(lǐng)域內(nèi)模仿專家思維來求解復(fù)雜問題。專家系統(tǒng)包含某領(lǐng)域?qū)＜业拇罅恐R，擁有類似專家思維的推理能力，并能使用這些知識來解決實(shí)際問題［10－11］。氣象儀故障樹如圖4所示。

圖4 氣象儀故障樹Fig.4 Fault tree of the meteorological instrument

4 結(jié)束語

為了解決船舶氣象儀維修時(shí)存在的困難，提出了一種便攜式船舶氣象儀故障診斷和維修的通用模式。該仿真儀綜合了現(xiàn)代信號檢測與信號處理技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和控制網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，并結(jié)合故障樹分析方法，實(shí)現(xiàn)了對氣象儀主機(jī)及其板卡、傳感器、連接線及其連接件的快速檢測，并使氣象儀故障診斷實(shí)現(xiàn)在線化，具有良好的開放性和可擴(kuò)展性。因此，該仿真儀的成功研制為氣象儀的故障診斷和快速維修提供了便捷工具。同時(shí)，該仿真儀還可用于氣象儀的使用培訓(xùn)教學(xué)，提高了氣象儀的維修保障能力。

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