CN102205873A - 360度全方位舵角指示仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能化的360度全方位舵角指示仪，采用CAN和/或RS485双总线接口，用于船舶和汽艇舵角360度范围内的快速显示。360度全方位舵角指示仪由仪表壳体、仪表插座、电源通讯电缆、指针编码器、编码器电缆、控制板、电机电缆、电机支架、直流电机、表盘、指针和表盘支架组成。其中仪表通过双总线接收和发送舵角位置信息，通过闭环控制算法，驱动直流电机带动指针进行舵角指示，具有360度全方位指示。该仪表基于集成CAN控制器的单片机设计核心控制板，采用反馈指针位置的单圈绝对值编码器，通过直流电机细分驱动技术进行舵角指针定位，定位精度高、速度快，抗干扰能力强，可以快速进行仪表数据标定和故障检测，智能化程度高，易于控制网络集成。

Description

360度全方位舵角指示仪

技术领域

本发明属于仪器仪表领域，涉及一种智能化的360度全方位舵角指示仪，其采用CAN和/或RS485双总线接口，用于船舶和汽艇舵角360度范围内的快速显示。

背景技术

舵角指示仪是船舶上的一种常用仪表，主要用于指示控制船舶运动方向的舵叶的角度，舵角指示仪对于舟体航向和喷水动力方向的正确操控起着重要作用，是军用浮桥动力舟操舵作业手的主要观察仪表。传统的舵角指示仪多采用自整角机进行设计，由结构、参数均相同的两台自整角机构成自整角机组，一台用来发送转角信号，称自整角发送机；另一台用来接收转角信号，称为自整角接收机。只要发送机转子转过一个角度，接收机的转子就会在接收机本身生成的电磁转矩作用下转过一个相同的角度，从而实现了转角远距离再现。

采用自整角机原理的舵角指示仪需要使用110V或220V交流电源，对于工程装备而言，作业控制多采用24V直流电，因此在使用自整角机舵角仪时需增加一个DC/AC逆变电源，这样不仅增加了设备成本，还存在人员安全隐患。

此外，目前数字化舵角指示仪多基于传感器检测舵角位移，通过电压的变化驱动动磁式仪表显示，仪表指针具有死区，不能实现舵角的360度全方位指示，且指针不能就近置位；另外现有仪表都没有采用现场总线进行数据传输，不便于组成分布式控制系统。随着工程设备控制系统的总线化发展，对于基于总线的舵角指示仪提出了迫切需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种采用CAN总线和/或RS485双总线接口，通过控制电路、直流电机和指针编码器进行360度全方位舵角指示的仪表。

根据本发明的一个方面，360度全方位舵角指示仪由仪表壳体、控制板、直流电机、指针、指针编码器、表盘支架和仪表插座组成。

根据本发明的另一方面，提供一种360度全方位舵角指示仪，其特征在于由仪表壳体、仪表插座、电源通讯电缆、指针编码器、编码器电缆、控制板、电机电缆、电机支架、直流电机、表盘、指针和表盘支架组成；其中

仪表插座接外部电源、CAN总线和RS485总线，并通过电源通讯电缆将总线数据传送给控制板；

控制板接收仪表插座送来的CAN总线或RS485总线数据，分析得到需要指示的舵角值，输出控制信号以驱动直流电机以进行指示；

直流电机带动指针运动，在表盘上指示舵角；

指针编码器将指针位置信息反馈给控制板；

控制板通过双总线接收和发送舵角位置信息，通过闭环控制算法，驱动直流电机带动指针进行舵角指示。

其中控制板采用单片机进行控制电路设计，主要包括直流电机及其驱动电路、指针编码器控制电路、CAN收发电路、RS485收发电路和电源电路。电源电路不仅为直流电机提供DC24V电源，还通过DC-DC变换，为单片机系统、编码器和通讯模块供电。单片机电路基于具有CAN总线控制器的单片机设计，提高了系统的集成度。直流电机驱动电路由专业的直流电机驱动芯片构成，采用PWM斩波方式，以正弦波微步距驱动直流电机，包括整步、半步、1/4步、1/8步四种工作状态的双极性驱动。RS485收发电路采用了一片MAX485芯片，实现总线上的差分信号和单片机TTL电平信号的转换。

本发明的工作原理如下：控制板为仪表的核心，通过CAN总线和RS485总线电路接收来自舵角传感器的位置信息作为指针的目标指向值，通过绝对值旋转编码器采集仪表指针的当前位置值，比较当前测量值和目标值的差，通过适当的控制算法，输出脉冲信号驱动电机带动仪表指针运动，直至指针指向目标位置。

本发明的主要特点包括：(1)360度全方位指示，克服了传统仪表的死区问题；(2)指针具有就近定位功能，定位快速，完全符合全方位舵角的指示习惯；(3)采用电机细分驱动技术，定位精度高；(4)采用闭环控制算法，可以快速跟踪舵角旋转；(5)采用CAN总线和RS485双总线接口进行舵角信息的接收和发送，抗干扰能力强，易于控制网络集成；(6)通过总线通讯协议，可以快速进行仪表数据标定和故障检测，智能化程度高。

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1示出了本发明360度全方位舵角指示仪结构示意图。

图2是指示仪电路系统组成框图。

图3是本发明实施例的单片机电路原理图。

图4是本发明实施例的直流电机驱动电路原理图。

图5是本发明实施例的总线通信电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。需要注意的是，根据本发明的360度全方位舵角指示仪的实施方式仅仅作为例子，但本发明不限于该具体实施方式。

如附图1所示，本发明的360度全方位舵角指示仪由仪表壳体1、仪表插座2、电源通讯电缆3、指针编码器4、编码器电缆5、控制板6、电机电缆7、电机支架8、直流电机9、表盘10、指针11和表盘支架12组成。其中控制板6固定在壳体1侧面上，插座2固定在壳体1上，直流电机9通过电机支架8固定在壳体1侧面上，指针编码器4与直流电机9后端固定，其输入轴与直流电机后输出轴连接，指针11与直流电机前出轴相连，表盘10通过支架12与直流电机前端相连接，电源通讯电缆3连接插座2与控制板6的C接口(JX1)，编码器电缆5连接指针编码器4与控制板6的B接口(JX2)，电机电缆7连接直流电机9与控制板6的A接口(JX3)。

本发明的工作原理如下：控制板6为仪表的核心，通过CAN总线和RS485总线电路接收来自舵角传感器的位置信息作为指针11的目标指向值，通过指针编码器4(本实施例中采用绝对值旋转编码器)采集仪表指针11的当前位置值，比较当前测量值和目标值的差，通过适当的控制算法，输出脉冲信号驱动直流电机带动仪表指针11运动，直至指针11指向目标位置。

更具体而言，控制板6接收仪表插座2送来的CAN总线和/或RS485总线数据，分析得到需要指示的舵角值，输出控制信号以驱动直流电机9以进行指示；直流电机9带动指针11运动，在表盘10上指示舵角；指针编码器4将指针11位置信息反馈给控制板6；控制板6通过双总线接收和发送舵角位置信息，通过闭环控制算法，驱动直流电机9带动指针11进行舵角指示。

图2示出了本发明的电路组成框图，指示仪通过24V电源供电(+24V/PGND，图5中JX1的1脚和2脚)，24V直流电源在给直流步进式电机驱动电路供电的同时输入到DC/DC电源模块(图3中的U1)，经DC/DC电源模块变压和隔离后，输出5V直流到直流电机驱动电路和单片机电路。直流电机驱动电路根据单片机电路输出的控制信号驱动直流电机，直流电机在带动指针转动的同时，还带动指针编码器同步转动，指针编码器将指针的位置信号反馈到单片机电路。单片机电路通过RS485收发器和CAN收发器与RS485总线和CAN总线双向通讯，完成数据的收发。

控制板6为整个仪表的核心，在优选实施例中采用PIC18F458单片机设计，指针编码器4采用单圈绝对值编码器，直流电机型号为57BYG003B08。

图3示出了本发明实施例的单片机电路，它基于具有CAN总线控制器的PIC18F458单片机(U2)，通过一隔离式的DC/DC电源模块U1为电路供电，该模块功率仅2W，体积小，可以直接安装在电路板上。保护二极管D1可防止电源接反时损坏电源模块；采用8M晶振XT1工作；C8～C10用于电源稳压和滤波；JX2插件连接指针编码器4，JX2插件的1、2脚为指针编码器4供电，单片机通过SCK、SDI两根线(JX2插件的3、4脚)与指针编码器4进行通讯，获取指针当前位置。

图4示出了本发明实施例的直流电机驱动电路，它基于专用驱动芯片HSM1524-8(U4)，该芯片为专用的直流电机驱动器，采用PWM斩波方式，以正弦波微步距驱动直流电机，可以进行整步、半步、1/4步、1/8步四种工作状态的双极性驱动。驱动芯片U4通过RA0～RA5、RC0、RC1与单片机U2相连，U4芯片各端口功能如下：

1、ENABLE接高电平或者悬空时工作，接低电平为关闭输出信号；

2、CLK为脉冲；

3、CW/CCW接低电平正转，接高电平反转；

4、RST系统复位；

5、Mo输出端口为直流电机输出脉冲累计；

6、M1和M2的组合能够改变电机运动控制的细分状态(低电平＝0，高电平＝1)：00＝整步，10＝1/2步，01＝1/4步，11＝1/8步；

7、Ref为输出电流控制端，高电平时为最大电流输出，低电平时为自动状态，电流大小可通过接在I1和I2上的电阻R8、R9调节。控制板输出控制脉冲MA，MB，MC，MD(通过JX3插件的1，2，3，4脚)控制直流电机带动指针运动。D2～D5二极管用于电感回路的续流保护，C1用于滤波。

图5示出了本发明实施例的总线通讯电路，它采用高集成度模块设计。CAN收发器采用CTM1050模块(U3)设计，CTM1050是一款带隔离的高速CAN收发器芯片，芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件，芯片的主要功能是将单片机内的CAN控制器的逻辑电平CANTX、CANRX转换为CAN总线的差分电平CANH和CANL(JX1的3脚和4脚)，并且具有DC 2500V的隔离功能及ESD保护作用。R5为总线终端电阻。RS485收发电路采用MAX485芯片(U5)，通过RC6、RC7和RB4把总线上的差分信号A和B(JX1的5脚和6脚)转换为TTL电平信号，供单片机接收；或把单片机输出的TTL电平信号转换为差分信号，供总线上的其他节点使用；R6和R7为下拉电阻，提高抗干扰性能。

如图5所示，本发明的360度全方位舵角指示仪通过插头JX1与外部联系，进行系统供电和总线通讯。系统工作时，单片机通过CAN总线和/或RS485总线电路接收来自舵角传感器的位置信息作为指针的目标指向值，通过编码器采集仪表指针的当前位置值，比较当前测量值和目标值的差，通过模糊控制算法，输出脉冲信号驱动直流电机带动仪表指针运动，直至指针指向目标位置。算法的基本方法是当指针离目标值较远时，采用高速输出，离目标值较近时，采用低速输出，误差带内则停止运动。

就CAN总线和RS485总线而言，使用时一般只接一路总线(CAN总线或RS485总线)，也可以两总线同时连接(但只能以一个为主，需要用户通讯协议约定即可)，根据编写的通讯协议，由控制板分析接收到的总线数据，得到需要指示的舵角值。本发明可实现仪表指针的360度全方位指示，指示精度可优于0.5度，完全满足控制使用要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种360度全方位舵角指示仪，其特征在于由仪表壳体(1)、仪表插座(2)、电源通讯电缆(3)、指针编码器(4)、编码器电缆(5)、控制板(6)、电机电缆(7)、电机支架(8)、直流电机(9)、表盘(10)、指针(11)和表盘支架(12)组成；其中

仪表插座(2)接外部电源、CAN总线和RS485总线，并通过电源通讯电缆(3)将总线数据传送给控制板(6)；

控制板(6)接收仪表插座(2)送来的CAN总线或RS485总线数据，分析得到需要指示的舵角值，输出控制信号以驱动直流电机(9)以进行指示；

直流电机(9)带动指针(11)运动，在表盘(10)上指示舵角；

指针编码器(4)将指针(11)位置信息反馈给控制板(6)；

控制板(6)通过双总线接收和发送舵角位置信息，通过闭环控制算法，驱动直流电机(9)带动指针(11)进行舵角指示。

2.根据权利要求1所述的360度全方位舵角指示仪，其特征在于所述控制板基于集成CAN控制器的单片机设计。

3.根据权利要求1所述的360度全方位舵角指示仪，其特征在于所述指针编码器(4)为反馈指针位置的单圈绝对值编码器。

4.根据权利要求1-3所述的360度全方位舵角指示仪，其特征在于通过直流电机细分驱动技术进行舵角指针定位。

5.根据权利要求1-3所述的360度全方位舵角指示仪，其特征在于所述双总线为CAN总线和RS485总线。

6.根据权利要求1-3所述的360度全方位舵角指示仪，其特征在于所述直流电机为步进式电机。

7.根据权利要求1-3所述的360度全方位舵角指示仪，其特征在于所述控制板(6)还包括直流电机驱动电路，采用PWM斩波方式，以正弦波微步距驱动直流电机。

8.根据权利要求1-7所述的360度全方位舵角指示仪，其特征在于直流电机驱动电路包括整步、半步、1/4步、1/8步四种工作状态的双极性驱动。

Images