為遵循STCW公約馬尼拉修正案第A-1/12節(jié)關(guān)于使用模擬器的標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行中國(guó)海事局“關(guān)于做好STCW公約馬尼拉修正案履約準(zhǔn)備工作有關(guān)事項(xiàng)的通知(海船員[2011]923號(hào))”的規(guī)定，各個(gè)航海院校必須配備大型船舶操縱模擬器做為駕駛臺(tái)資源管理訓(xùn)練評(píng)估的實(shí)驗(yàn)設(shè)備[1]。而目前國(guó)外能夠生產(chǎn)大型船舶操縱模擬器的廠家大都價(jià)格昂貴，可移植性不高，維護(hù)不便，無(wú)法滿足船員培訓(xùn)中靈活多變的教學(xué)和訓(xùn)練模式。針對(duì)上述問題，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種高性價(jià)比且可擴(kuò)展性強(qiáng)的大型船舶操縱模擬器。該模擬器不同于國(guó)內(nèi)外其他廠家的設(shè)備,其特點(diǎn)是模擬器操作臺(tái)上的硬件設(shè)備全部自主研發(fā)，避免了因設(shè)備采購(gòu)于不同廠家，導(dǎo)致通信協(xié)議靈活性差、可擴(kuò)展性低，無(wú)法根據(jù)不同用戶的特點(diǎn)設(shè)計(jì)與其設(shè)備配套的問題。采用自主研發(fā)的硬件設(shè)備，增強(qiáng)了靈活性及擴(kuò)展性，較大地促進(jìn)了大型船舶操縱模擬器的發(fā)展。

1 船舶操縱模擬器系統(tǒng)硬件構(gòu)架
    大型船舶操縱模擬器控制臺(tái)不僅有拖輪面板、纜繩和錨面板、側(cè)推器面板、舵機(jī)控制面板、報(bào)警面板、號(hào)燈面板、雷達(dá)面板、望遠(yuǎn)鏡面板，還有車鐘、舵輪、羅經(jīng)三大部件，以及懸掛于駕駛臺(tái)上面的7個(gè)儀表盤，其硬件架構(gòu)如圖1所示。

    所有的硬件設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的485通信接口，共用一條485總線[2],每個(gè)設(shè)備初始化時(shí)都處于接收狀態(tài)，通過制定的通信協(xié)議，上位機(jī)按照一定的時(shí)間間隔以地址從低到高的順序輪詢每一個(gè)硬件設(shè)備。由于上位機(jī)采用的是232的通信接口，因此需要一個(gè)485轉(zhuǎn)232的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通信。
2 船舶操縱模擬器各硬件模塊設(shè)計(jì)
2.1 硬件面板
    硬件面板主要由8塊面板組成：拖輪面板、纜繩和錨控制面板、側(cè)推器面板、舵機(jī)控制面板、號(hào)燈面板、報(bào)警面板、雷達(dá)面板以及望遠(yuǎn)鏡面板。由于篇幅有限，本文僅以望遠(yuǎn)鏡面板的電路進(jìn)行分析。
    望遠(yuǎn)鏡面板可以模擬航海駕駛室內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡，通過操縱相對(duì)應(yīng)的搖桿，控制望遠(yuǎn)鏡視景的放大或縮小，同時(shí)結(jié)合面板上相應(yīng)的按鍵，控制望遠(yuǎn)鏡視景的切換。望遠(yuǎn)鏡面板外觀效果如圖2所示。其電路原理圖主要由五部分組成,分別是模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口、485通信接口、主控制器、矩陣鍵盤掃描模塊及LED控制模塊。

    模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口主要用來(lái)采集搖桿內(nèi)部的電位器電壓值。當(dāng)船員操縱搖桿的時(shí)候，會(huì)造成搖桿內(nèi)部電位器電壓數(shù)值的變化，主控制器據(jù)此來(lái)識(shí)別搖桿的方向和搖動(dòng)的幅度。其接口分別用來(lái)識(shí)別左右、上下，以及旋轉(zhuǎn)的方向，共3個(gè)自由度，提高了搖桿信號(hào)采集的靈活度，增強(qiáng)了船員駕駛室操縱的真實(shí)感。
    485通信模塊是各個(gè)硬件設(shè)備與PC通信的橋梁。由于模擬器所有硬件設(shè)備都共用一條485總線，且由于現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，各個(gè)硬件設(shè)備之間存在較高的共模電壓。雖然RS-485接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾能力，但當(dāng)共模電壓超過RS-485接收器的極限接收電壓，即>+12 V或<－7 V時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常通信,甚至?xí)龤酒透鱾€(gè)硬件設(shè)備。因此，本文采用DC-DC將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離，利用1塊TLP521芯片以及2塊6N137芯片構(gòu)成光電隔離電路，用以隔離信號(hào)，徹底消除共模電壓的影響，保證485網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性。
    矩陣鍵盤掃描模塊是用來(lái)識(shí)別用戶對(duì)面板按鍵的操作，本文主要采用反轉(zhuǎn)法掃描方式，執(zhí)行效率比傳統(tǒng)的掃描方式有較大的提高。
    LED控制模塊主要用來(lái)控制面板按鍵內(nèi)部各個(gè)LED的顏色以及亮度變化，使用戶在操作的過程中可以很直觀地觀察面板按鍵顏色的變化，驗(yàn)證操作的準(zhǔn)確性。該模塊采用1塊MAX7219芯片進(jìn)行控制。MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器,它不僅可以控制8位數(shù)碼管顯示，也可以同時(shí)控制64個(gè)獨(dú)立的LED。不僅如此，它還可以用 n 片MAX7219進(jìn)行級(jí)連，以驅(qū)動(dòng)8&times;n位數(shù)碼管顯示。該模塊還有一個(gè)外部寄存器用來(lái)設(shè)置各個(gè)LED的段電流，可以直接控制LED的亮度，并采用一個(gè)方便的四線串行接口(SCLK、DATA、LOAD、DOUT)與主控制器芯片相連。當(dāng)主控制器芯片把數(shù)據(jù)送到MAX7219后，它就可以獨(dú)立地進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示，無(wú)需主控制器芯片進(jìn)行干預(yù)。
    主控制器主要是由1塊STC單片機(jī)構(gòu)成，不僅具備雙串口，還帶有8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，2路PWM等，功能強(qiáng)大。該控制器不僅要采集搖桿電位器的電壓值，進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，還通過矩陣鍵盤進(jìn)行掃描，識(shí)別用戶操作按鍵的鍵值，并對(duì)面板一系列的LED進(jìn)行邏輯判斷和控制。最后,把用戶操作的所有數(shù)據(jù)通過485總線傳遞到PC，PC結(jié)合相應(yīng)的軟件對(duì)主控制器發(fā)送過來(lái)的數(shù)值進(jìn)行處理，并通過視景或相配套的軟件顯示出來(lái)。
2.2 車鐘、羅經(jīng)、舵輪
    車鐘、羅經(jīng)、舵輪是船舶操縱模擬器中不可缺少的三大部件，以往模擬器都采用實(shí)船的真車鐘、真羅經(jīng)、真舵輪，但成本很高，而且要依賴于廠家定義的通信協(xié)議和接口，擴(kuò)展性不高。因此，本文采用全模擬方案實(shí)現(xiàn)車鐘、羅經(jīng)、舵輪三大部件的主要功能，外觀采用1:1的實(shí)物仿真，結(jié)構(gòu)、主要功能、操作方式、顯示面板和數(shù)據(jù)與真實(shí)設(shè)備基本相同。本文主要介紹三大部件中羅經(jīng)的電路部分。
    羅經(jīng)在船舶操縱模擬器中用來(lái)指示船舶的航向?？紤]到羅經(jīng)內(nèi)部機(jī)械加工的工藝以及航海對(duì)羅經(jīng)精度的要求，本文主要設(shè)計(jì)為單圈羅經(jīng)。
    羅經(jīng)的電路主要由五部分組成：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、485通信接口、主控制器、找零接口及LED亮度控制模塊。這里主要介紹步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及找零接口。
    步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由1塊ULN2803的芯片進(jìn)行控制。ULN2803是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬及帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，很適合用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)采用的是42BYG系列四相八拍高轉(zhuǎn)矩混合式的步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.9&deg;，經(jīng)過二分頻之后精度變?yōu)?.45&deg;，完全滿足航海模擬器中羅經(jīng)的精度要求。另外，考慮到將羅經(jīng)擴(kuò)展為雙圈羅經(jīng)的需要，預(yù)留了4路接口，由此可以再驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī),從而為雙圈羅經(jīng)的擴(kuò)展提供了可能。
     模擬羅經(jīng)要解決的關(guān)鍵的問題是找零問題。本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)槽式光電耦合器，槽口分上下兩端，一端是紅外發(fā)射器，另一端是紅外接收器。當(dāng)對(duì)刻度盤進(jìn)行加工時(shí)，在邊緣處涂抹一定寬度的黑邊，并在零刻度線上去掉一個(gè)缺口，通過一定的機(jī)械加工，使刻度盤在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，并保持在旋轉(zhuǎn)過程中刻度盤的黑邊始終能擋住紅外發(fā)射器。此時(shí)，當(dāng)刻度盤的零點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到紅外發(fā)射器時(shí)，由于零刻度線處開口，因此，槽口另一端紅外接收器能夠接收到紅外線，并產(chǎn)生一個(gè)下降沿輸出，通過相應(yīng)的電路把該輸出接到主控制器芯片外部中斷的管腳，從而觸發(fā)主控制器芯片產(chǎn)生一個(gè)外部中斷，實(shí)現(xiàn)了羅經(jīng)的找零。
2.3 儀表盤
    儀表盤在船舶操縱模擬器中用于顯示各類航行數(shù)據(jù)。主要由風(fēng)向風(fēng)速儀表盤、水深儀表盤、船速儀表盤、主機(jī)轉(zhuǎn)速儀表盤、舵角儀表盤及轉(zhuǎn)頭率儀表盤構(gòu)成。
    儀表盤除了風(fēng)向風(fēng)速是數(shù)碼管顯示之外，其余儀表盤都是指針式，并且通過直流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓范圍有兩種，一種是0~5 V，另一種是-5 V~+5 V。但是，在船舶操縱模擬器中，儀表盤的數(shù)據(jù)來(lái)源于上位機(jī)，而上位機(jī)傳過來(lái)的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號(hào)。因此，必須通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將上位機(jī)傳送過來(lái)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)儀表盤的電壓信號(hào)，同時(shí)，考慮到儀表盤有兩種驅(qū)動(dòng)電壓，因此需要2塊D/A轉(zhuǎn)換芯片， 本文采用型號(hào)為TLC7226的D/A轉(zhuǎn)換芯片。TLC7226[3]是TI 公司生產(chǎn)的、包含4路8位電壓輸出的高性能D/A轉(zhuǎn)換器, 在單個(gè)芯片上帶有輸出緩沖放大器和接口邏輯電路。數(shù)據(jù)通過公共的8位TTL/CMOS兼容(5 V)輸入口送入數(shù)據(jù)寄存器，每一路DAC都能提供高達(dá)5 mA的輸出電流，支持單極性和雙極性輸出，單極性輸出范圍為0~5 V，雙極性輸出電壓范圍為-5 V~+5 V，足以滿足儀表盤驅(qū)動(dòng)的要求。儀表盤驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

3 船舶操縱模擬器硬件系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　   系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件協(xié)議以及各硬件模塊的軟件設(shè)計(jì)兩部分。
3.1 系統(tǒng)軟件協(xié)議
　　由于船舶操縱模擬器大部分的硬件設(shè)備(包括所有硬件面板、車鐘、羅經(jīng)、舵輪、儀表盤等)都掛載到一條485總線，上位機(jī)依次訪問每個(gè)硬件設(shè)備。由于485總線屬于半雙工，因此，上位機(jī)在訪問某塊硬件設(shè)備時(shí)，其余設(shè)備都應(yīng)處于接收狀態(tài)，否則會(huì)出現(xiàn)通信亂碼。因此，本文設(shè)計(jì)了以下通信協(xié)議：
    (1)每個(gè)硬件設(shè)備都有自己的地址，初始化時(shí)都處于接收狀態(tài)，上位機(jī)根據(jù)每個(gè)設(shè)備的地址從小到大依次進(jìn)行查詢。若查詢到該設(shè)備有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則該設(shè)備會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，發(fā)送信息協(xié)議格式定義如下：
　    $(1)(2)*hh<CR><LF>
其中，$是串頭; (1)是該設(shè)備的地址；(2)是按鍵值,值的范圍根據(jù)面板的按鍵數(shù)量來(lái)決定；*是串尾；hh為校驗(yàn)；<CR>是回車控制符；<LF>是換行控制符。
    (2)有些硬件面板上面會(huì)有一些數(shù)碼管顯示，而數(shù)碼管顯示的數(shù)值都來(lái)源于上位機(jī)。因此，為了避免多塊面板數(shù)碼管上顯示的數(shù)據(jù)沖突，協(xié)議規(guī)定如下：
　    @(1)(2)(3)(4)*hh<CR><LF>  
其中, @是串頭; (1)是該設(shè)備的地址；(2)是按鍵序列號(hào)（考慮到有些面板多個(gè)按鍵共用1塊數(shù)碼管,因此需要對(duì)此進(jìn)行區(qū)分）,數(shù)值的范圍根據(jù)面板的按鍵數(shù)量來(lái)決定；(3)是數(shù)碼管的序列號(hào)(考慮到1塊面板有多個(gè)數(shù)碼管，因此為了避免顯示沖突，特此定義)；(4)是參數(shù)值，有4個(gè)字節(jié)，數(shù)值范圍從0~9999;*是串尾； hh為校驗(yàn)； <CR>是回車控制符；<LF>是換行控制符。
    (3)有些面板可以通過按鍵改變某些數(shù)碼管顯示的
數(shù)值，而為了與上位機(jī)軟件界面同步，需要及時(shí)把改變后的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，因此，協(xié)議規(guī)定如下：
　    &(1)(2)(3)*hh<CR><LF>
其中,&是串頭; (1)是該設(shè)備的地址；(2)是按鍵序列號(hào)；(3)是參數(shù)值，有4個(gè)字節(jié)，數(shù)值范圍從0~9999;*是串尾； hh為校驗(yàn)；<CR>是回車控制符；<LF>是換行控制符。
    另外，還有復(fù)位協(xié)議、初始化協(xié)議等，在此不一一進(jìn)行闡述。
3.2 各硬件模塊的軟件設(shè)計(jì)
　針對(duì)操縱模擬器中的硬件面板進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)：車鐘、羅經(jīng)、舵輪三大部件的軟件設(shè)計(jì)以及儀表盤的驅(qū)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)均采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。由于每個(gè)硬件設(shè)備的邏輯關(guān)系較為復(fù)雜，在此僅以望遠(yuǎn)鏡面板的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。
    首先對(duì)望遠(yuǎn)鏡電路板進(jìn)行初始化[4]，主要包括工作方式的設(shè)置、A/D轉(zhuǎn)換方式、通道選擇的設(shè)置、MAX7219芯片的初始化設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等。
    其次進(jìn)行矩陣鍵盤掃描，這里主要采用反轉(zhuǎn)法掃描方式。如果掃描到有按鍵觸發(fā)，則通過消抖確認(rèn)為真實(shí)觸發(fā)之后，立即記錄該按鍵鍵值。再通過面板按鍵燈邏輯判斷，根據(jù)望遠(yuǎn)鏡面板制定的協(xié)議，對(duì)面板按鍵燈進(jìn)行控制，利用該按鍵燈顏色的改變或熄滅等方式來(lái)告知用戶已實(shí)際操作了該按鍵。
    按鍵掃描完之后，開始進(jìn)入搖桿掃描，即對(duì)搖桿內(nèi)部電位器的電壓值進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，由于搖桿有3個(gè)自由度，因此需要用到3個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口。通過對(duì)3個(gè)接口進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之后，判斷采集到的這3個(gè)數(shù)值與上一次掃描周期相比是否發(fā)生了變化,若是,則記錄下來(lái)；否則，進(jìn)入下一次掃描周期。
　 由于上位機(jī)是通過輪詢方式及485總線掃描每一個(gè)硬件設(shè)備，因此，當(dāng)上位機(jī)未掃描到該望遠(yuǎn)鏡面板時(shí)，該設(shè)備應(yīng)處于接收狀態(tài)，即使有動(dòng)作觸發(fā)，也不能立即發(fā)送，直到上位機(jī)輪詢到該望遠(yuǎn)鏡面板時(shí)，才能將數(shù)據(jù)封裝成協(xié)議規(guī)定的格式，再通過調(diào)用串口通信模塊，把數(shù)據(jù)通過485總線傳遞到上位機(jī)。發(fā)送完畢，再立即進(jìn)入接收狀態(tài)，開始下一個(gè)周期的掃描。望遠(yuǎn)鏡面板程序流程如圖4所示。

    本文討論了大型船舶操縱模擬器硬件的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該硬件的總體設(shè)計(jì)和部分硬件設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該系統(tǒng)已投入到國(guó)內(nèi)多家航海院校和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的教學(xué)使用當(dāng)中，經(jīng)過連續(xù)的運(yùn)行和測(cè)試以及用戶反映的情況，該模擬器硬件設(shè)備工作狀態(tài)穩(wěn)定，逼真度較高，可媲美于國(guó)內(nèi)外一些大型船舶操縱模擬器。同時(shí)，由于硬件設(shè)備都屬于自主研發(fā)，有利于今后的性能擴(kuò)展，降低了維護(hù)成本，也為第二代大型船舶操縱模擬器的開發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，加快了大型船舶操縱模擬器的發(fā)展進(jìn)程。
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