CN103344220A - 一种船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统，包括旋转变压器、激励信号源、模数转转器、微处理器、串口通信模块、显示终端、晶振电路、外部总线控制器。所述激励信号源与所述旋转变压器连接，所述模数转转器，其信号输入端与所述旋转变压器的信号输出端连接；所述微处理器，其信号输入端与所述模数转转器的信号输出端连接，其信号输出端通过串口通信模块与显示终端连接；所述微处理器还与晶振电路和外部总线控制器连接。本发明可解决传统模拟式纵横倾装置不能适应我国船舶装备信息化发展要求的问题，实现其高精度数字化实时监测。

Description

一种船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统

技术领域

本发明涉及一种船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统。

背景技术

目前我国水面船舶仍然大量采用基于固体摆锤式的机械式仪表、或者经过进一步处理后的二次数字式仪表实现纵横倾参数的实时监测，此类仪表的固有物理特性导致现有装置存在阻尼大、输出响应有滞后、测量精度低、实时性差、数字化处理困难、不便于进行全船多部位通讯传输等多方面的缺陷。随着我国船舶装备信息化水平的不断提高，其姿态参数的数字化高精度实时监测显得尤为重要，因此原有装置的上述缺陷显得更加突出、同时严重制约了船舶总体性能指标(特别是生命力指标)的提升，也不利于我国船舶装备的信息化水平的发展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统，可以解决传统模拟式纵横倾装置不能适应我国船舶装备信息化发展要求的问题，实现其高精度数字化实时监测。

一种船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统，包括旋转变压器、激励信号源、模数转转器、微处理器、串口通信模块、显示终端、晶振电路、外部总线控制器，

所述激励信号源与所述旋转变压器连接，用于为所述旋转变压器的定子绕组输入一个正弦激励信号作为励磁信号；

所述旋转变压器，用于感应船舶纵横倾姿态变化并输出与之相对应的模拟角度信号；

所述模数转转器，其信号输入端与所述旋转变压器的信号输出端连接，用于将旋转变压器采集到的与船舶纵横倾角度信息相对应的模拟角度信号转换为数字角度信号；

所述微处理器，其信号输入端与所述模数转转器的信号输出端连接，其信号输出端通过串口通信模块与显示终端连接，所述微处理器用于接收模数转转器输出的数字角度信号，并通过串口通信模块实现向显示终端的输出；所述微处理器还与晶振电路和外部总线控制器连接。

如上所述的实时监测系统，所述模数转转器采用RDC-19222芯片；所述微处理器)采用SAB80C166芯片；所述串口通信模块采用ADM1485芯片；所述显示终端包括单板机、显示器及与单板机、显示器连接的电源，单板机的信号输入端与串口通信模块连接，板机的信号输出端与显示器连接。

本发明采用旋转变压器采集船舶的纵横倾参数，并经过数字化处理后进行实时显示，可以解决传统模拟式纵横倾装置不能适应我国船舶装备信息化发展要求的问题，实现其高精度数字化实时监测，并达到提高船舶姿态参数监测系统技术性能的目的；同时也为解决传统模拟式纵横倾装置不能适应我国船舶装备信息化发展要求的问题提供了重要的手段。

附图说明

图1是本发明船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统的电路结构示意框图；

图2是本发明中模数转转器的电路图。

图中：1-旋转变压器，2-激励信号源，3-模数转转器，4-微处理器，5-串口通信模块，6-显示终端，61-单板机，62-显示器，7-晶振电路，8-外部总线控制器，9-存储器。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1，本发明船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统包括旋转变压器1、激励信号源2、模数转转器3、微处理器4、串口通信模块5、显示终端6、晶振电路7、外部总线控制器8、存储器9。

所述激励信号源2与所述旋转变压器1连接，用于为所述旋转变压器1的定子绕组输入一个正弦激励信号作为励磁信号，使旋转变压器1能够正常工作。在其中一个实施例中，所述激励信号源2可采用文氏振荡电路与隔离缓冲电路来实现，所述隔离缓冲电路用于提高文氏振荡电路的负载能力，解决文氏振荡电路所产生的正弦信号功率较小，不能驱动旋转变压器使其正常工作的问题。

所述旋转变压器1，用于感应船舶纵横倾姿态变化并输出与之相对应的模拟角度信号。旋转变压器的输出信号为模拟电信号，其结构坚固紧凑，无需维护，可靠性高，使用寿命长，工作温度范围广，能在高温高湿高冲击高辐射的恶劣环境下正常工作，且能抑制电信号的共模干扰。因此，本发明采用旋转变压器可以很好地适应船舶所特有的高温、高湿、高油污、高冲击载荷、高可靠性要求的特殊工作环境。

所述模数转转器3，其信号输入端与所述旋转变压器1的信号输出端连接，用于将旋转变压器1采集到的与船舶纵横倾角度信息相对应的模拟角度信号转换为数字角度信号。在本实施例中，所述模数转转器3可采用RDC-19222芯片是实现，如图2所示。

旋转变压器1输出的两路正余弦信号输入给RDC-19222芯片，这两路信号为：

U_Z12(α，t)＝KAsinω_reftcosα

U_Z34(α，t)＝KAsinω_reft sinα    (1)

U_Z12(α，t)和U_Z34(α，t)经过高速正余弦比率乘法器，可以得到

$\frac{U_{Z34}(\mathrm{\α},t)}{U_{Z12}(\mathrm{\α},t)}=\frac{\sin \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\α}}=\tan \mathrm{\α}---\left(2\right)$

由公式(2)可知旋转变压器输出信号的幅值比与转子转角呈正切关系，因此可以通过对该幅值比进行反正切运算得到RDC-19222芯片的数字输出角度θ：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{U_{Z34}(\mathrm{\α},t)}{U_{Z12}(\mathrm{\α},t)}---\left(3\right)$

U_Z12(α，t)和U_Z34(α，t)与RDC-19222芯片转换得到的数字输出角度θ的正余弦信号相乘，则其输出为：

U_Z12′(α，t)＝KAsinω_reftcosαsinθ

U_Z34′(α，t)＝KAsinω_reftsinαcosθ    (4)

将U_Z12′(α，t)和U_Z34′(α，t)送入差分放大器，可得到输入模拟角与输出数字角之间的一个函数关系

U_e(α，t)＝U_Z34′(α，t)-U_Z12′(α，t)＝KAsinω_reftsin(α-θ)    (5)

将U_e(α，t)送入带通滤波器并进行相敏解调之后，将得到一个与α-θ成一定比例关系的信号：

U_e′＝K_aAsin(α-θ)    (6)

式中K_a为综合放大倍数，U_e′积分后送入压控振荡器(即VCO)，压控振荡器产生与输入控制信号幅值成比例的脉冲序列，可逆计数器接收该脉冲序列后以其为标准进行增计数或者减计数，相敏解调环节输出的方向决定了是进行增计数还是进行减计数。当该闭环系统稳定后，可逆计数器中的数字角θ就与旋转变压器转子实际转角α相等了。之后再将θ通过数据处理单元进行转换，最终以系统需要的类型进行输出。

所述微处理器4，其信号输入端与所述模数转转器3的信号输出端连接，其信号输出端通过串口通信模块5与显示终端6连接，所述微处理器4用于接收模数转转器3输出的数字角度信号，并通过串口通信模块5实现向显示终端6的输出。本实施例中所述微处理器4可采用SAB80C166芯片，其是由Siemens AG公司生产的RISC型高性能通用16位微控制芯片。

所述微处理器4还与晶振电路7和外部总线控制器8连接，所述晶振电路7用于给微处理器4提供一个频率稳定的振荡信号，可避免在微处理器4与显示终端进行串口通信时会造成时序的混乱；所述外部总线控制器8用于实现微处理器4与外部存储设备的数据和地址通信，在没有外部设备的情况下，该控制器可被设定为单片模式，在接入外部设备在接入外部设备的情况下，该控制器可被设定工作在以下四种模式中的一种：

(1)16/18位地址，16位数据，非复用模式

(2)16/18位地址，16位数据，复用模式

(3)16/18位地址，8位数据，复用模式

(4)16/18位地址，8位数据，非复用模式

在非复用总线模式下，地址信息通过端口1输出，数据信息通过端口0输入和输出。在复用总线模式下，地址和数据信息可以通过端口0和端口1实现双通道输入和输出。在本发明中，需要同时对纵倾和横倾两个姿态信号进行运算和处理，因此选用复用模式，分别将转换纵倾和横倾姿态信号的RDC-19222芯片的16位数据输出端与SAB80C166芯片的16位端口0和端口1对应连接，以此实现微处理芯片对姿态信息的采集。所述外部总线控制器8还可与一个存储器9连接，用于存储微处理器4处理之后的数据信号。

所述串口通信模块5，主要功能是实现微处理器4(例如SAB80C166芯片)与显示终端5的通讯，通过USART将经过数字化处理的船舶纵横倾姿态信号实时发送至显示终端。

由于显示终端中串口采用的是RS-485电平，即+12V电压；而微处理器则采用的是TTL电平，即0～+3.3V电压，因此需要可以将TTL电平与RS-485电平相互装换的芯片。本发明串口通信模块5可采用ADM1485，其是专用的RS-485收发器，能够完全满足上述要求，且价格相对低廉，其供电电压为单+5V供电，为电路中已有电压，因此不需要额外增加硬件电路。

所述显示终端6，用于接收通过串口通信模块5输出的数字角度信号，并实现角度位置信息的实时显示。所述显示终端6包括单板机61、显示器62及与单板机61、显示器62连接的电源(图未示)，单板机61的信号输入端与串口通信模块5连接，板机61的信号输出端与显示器62连接，用于接收由微处理器4经过RS-485总线传输来的船舶纵横倾姿态信号并控制显示器62实现姿态信号的实时显示。本实施例所述显示器62可采用美国PLANAR公司的EL320.240.36.HB型EL平板显示器，EL平板显示器(Electroluminescent Display)基于电致发光原理而设计，具有对比度高、视角广、响应时间短、温度范围宽、耐冲击振动、使用寿命长等诸多优点，特别适用于在便携式医疗设备、工业控制、车载设备、以及军事应用领域，所述单板机61可采用盛博协同公司生产的SCM/ACC1050型单板机，是一种高度集成、自栈结构的PC/104总线嵌入式单板机，其具有超小尺寸、单+5V供电、宽工作温度范围等诸多优点，主要性能指标如下：

CPU类型：高性能嵌入式486处理器，工作频率50MHz～133MHz；

内存类型：16M RAM，完整的EMS支持；

BIOS：带扩展的工业标准BIOS，支持看门狗定时器功能；

1个32脚字节宽DIP插座，可支持固态电子盘；

串行接口：提供两个串行接口，可进行RS232、RS485通信；

支持VGA类型：支持彩色和单色LCD、EL平板显示器以及模拟CRT；

总线类型：PC/104兼容，4～20mA总线驱动；

尺寸：90×96×15(mm)；

工作温度：-45～+85℃；

湿度：95％；

电源供电要求：+5V(±5％)，0.8A；

功耗：3.5～5W。

可见该单板机在满足支持RS-485通讯及EL显示器的基础上，其严苛环境的适应性以及较低的功耗使其在船舶的特殊工作环境下仍具有较大优势。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统，其特征在于：包括旋转变压器(1)、激励信号源(2)、模数转转器(3)、微处理器(4)、串口通信模块(5)、显示终端(6)、晶振电路(7)、外部总线控制器(8)，

所述激励信号源(2)与所述旋转变压器(1)连接，用于为所述旋转变压器(1)的定子绕组输入一个正弦激励信号作为励磁信号；

所述旋转变压器(1)，用于感应船舶纵横倾姿态变化并输出与之相对应的模拟角度信号；

所述模数转转器(3)，其信号输入端与所述旋转变压器(1)的信号输出端连接，用于将旋转变压器(1)采集到的与船舶纵横倾角度信息相对应的模拟角度信号转换为数字角度信号；

所述微处理器(4)，其信号输入端与所述模数转转器(3)的信号输出端连接，其信号输出端通过串口通信模块(5)与显示终端(6)连接，所述微处理器(4)用于接收模数转转器(3)输出的数字角度信号，并通过串口通信模块(5)实现向显示终端(6)的输出；所述微处理器(4)还与晶振电路(7)和外部总线控制器(8)连接。

2.如权利要求1所述的船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统，其特征在于：所述模数转转器(3)采用RDC-19222芯片。

3.如权利要求1所述的船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统，其特征在于：所述微处理器(4)采用SAB80C166芯片。

4.如权利要求1所述的船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统，其特征在于：所述串口通信模块(5)采用ADM1485芯片。

5.如权利要求1所述的船舶纵横倾姿态信号的实时监测系统，其特征在于：所述显示终端(6)包括单板机(61)、显示器(62)及与单板机(61)、显示器(62)连接的电源，单板机(61)的信号输入端与串口通信模块(5)连接，板机(61)的信号输出端与显示器(62)连接。

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