CN103466067A - 一种船舶冗余动力定位系统专用操纵装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，单片机与动力定位系统控制台计算机通讯连接，其特征在于：操纵面板上设有矩阵键盘、艏向轮和相应3个独立按键、三自由度手操纵杆、轨迹球和相应3个独立按键，矩阵键盘接矩阵键盘采集电路，矩阵键盘采集电路与单片机通讯连接，艏向轮和相应3个独立按键的信号输出端接单片机，三自由度手操纵杆经低通滤波电路接单片机的信号输入端，轨迹球和相应3个独立按键接动力定位系统控制台计算机。

Description

一种船舶冗余动力定位系统专用操纵装置

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，尤其是一种船舶冗余动力定位系统专用操纵装置。

背景技术

随着人类对海洋石油资源的开发和利用，以及海上运输和海洋技术的不断发展，船舶与海洋技术迅速地崛起，海洋平台等海洋结构物经常需要定位于海洋中的特定位置，并在此特定位置进行作业，如海洋调查、油井钻探、打捞救助、海底电缆管线铺设、反水雷等。传统的锚泊方式由于受到作业水深、作业时间和作业精度等因素的限制而无法满足海上相关作业的要求。为解决船舶位置和航向保持这一问题，一种被称为动力定位的船舶控制系统应运而生，并随着电子计算机、传感器和控制理论等相关技术的不断发展而取得了长足的进步。时至今天，动力定位技术已经成为一种成熟的技术并已成功地应用于海洋工程的诸多领域。

所谓动力定位是指船舶利用自身的推进器实现固定位置或航迹的保持，国际海事组织和各国船级社对动力定位系统给出的定义为：动力定位需要装备的全部设备包括动力系统、推进系统、动力定位控制系统。船舶冗余动力定位系统专用操纵装置（面板）是动力定位控制系统中必不可少的一部分，在动力定位控制系统的控制指令的输入以及状态的指示方面扮演着非常重要的角色。

发明内容

本发明目的在于提供一种船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，能够实现对船舶冗余动力定位系统的方便、有效操控。

实现本发明目的技术方案：

一种船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，单片机与动力定位系统控制台计算机通讯连接，其特征在于：操纵面板上设有矩阵键盘、艏向轮和相应3个独立按键、三自由度手操纵杆、轨迹球和相应3个独立按键，矩阵键盘接矩阵键盘采集电路，矩阵键盘采集电路与单片机通讯连接，艏向轮和相应3个独立按键的信号输出端接单片机，三自由度手操纵杆经低通滤波电路接单片机的信号输入端，轨迹球和相应3个独立按键接动力定位系统控制台计算机。

操纵面板上还设有矩阵LED和LED背光电路，单片机接有矩阵LED控制电路，矩阵LED控制电路的信号输出端接矩阵LED，单片机接有背光控制电路，背光控制电路的信号输出端接LED背光电路。

三自由度的手操杆用于完成横荡、纵荡和艏摇指令的输入，艏向轮和3个独立按键用于完成艏向控制指令的输入。

单片机通过RS-422通信控制电路与动力定位系统控制台计算机通讯连接，单片机还外接有RS-232通信控制电路。

单片机外接有报警控制电路。

操纵面板制造采用导光PVC贴膜工艺，操纵面板嵌入固定于控制台上；操纵面板的矩阵键盘采用82按键矩阵键盘，矩阵LED采用76矩阵LED，LED背光电路采用24LED背光电路。

单片机采用ATmega128芯片，RS-422通信控制电路采用贴面式MAX490芯片，RS-232通信控制电路采用贴面式MAX232芯片。

矩阵LED控制电路采用三片贴面式74HC573芯片，单片机对74HC573芯片进行片选，单片机还控制由继电器构成的LED亮度控制电路，实现正常模式和夜航模式的切换。

背光控制电路由三极管和继电器组成,单片机输出的电平信号经三极管放大后，控制继电器的通断，完成24LED背光电路电源的通断控制。

矩阵按键采集电路采用两片贴面式MAX7349芯片。

本发明具有的有益效果：

本发明操纵面板上设有矩阵键盘、艏向轮和相应3个独立按键、三自由度手操纵杆、轨迹球和相应3个独立按键，矩阵键盘用于完成操纵指令的输入，三自由度的手操杆用于完成横荡、纵荡和艏摇指令的输入，艏向轮和3个独立按键用于完成艏向控制指令的输入，轨迹球和相应3个独立按键起到鼠标的作用，本发明结构设计合理，并易于操纵。本发明操纵面板上还设有矩阵LED和LED背光电路，更方便操作。本发明操纵面板制造采用导光PVC贴膜工艺，操纵面板嵌入固定于控制台上；操纵面板的矩阵键盘采用82按键矩阵键盘，按键需给予一定的压力才能被有效按下，能够有效避免误操作。本发明单片机通过RS-422通信控制电路与动力定位系统控制台计算机通讯连接，能够实现单片机与动力定位系统控制台计算机的及时通讯，单片机还外接有RS-232通信控制电路，方便调试和测试。本发明单片机外接有报警控制电路，可进行故障报警。本发明单片机采用ATmega128芯片，RS-422通信控制电路采用贴面式MAX490芯片，RS-232通信控制电路采用贴面式MAX232芯片，矩阵按键采集电路采用两片贴面式MAX7349芯片，能够保证对船舶冗余动力定位系统的方便、有效操控。

附图说明

图1为本发明操纵面板的外观示意图；

图2为本发明操纵面板的按键和LED布置图；

图3为本发明电气原理框图。

具体实施方式

如图3所示，操纵面板8上设有82按键矩阵键盘12、艏向轮和相应3个独立按键15、三自由度手操纵杆16、轨迹球和相应3个独立按键11，82按键矩阵键盘12接矩阵键盘采集电路5，矩阵键盘采集电路5与单片机1通讯连接，艏向轮和相应3个独立按键15的信号输出端接单片机1，三自由度手操纵杆16经低通滤波电路10接单片机1的信号输入端，轨迹球和相应3个独立按键11接动力定位系统控制台计算机17。操纵面板上还设有76矩阵LED13和24LED背光电路14，单片机1接有矩阵LED控制电路6，矩阵LED控制电路6的信号输出端接76矩阵LED13，单片机1接有背光控制电路7，背光控制电路7的信号输出端接24LED背光电路14。单片机1外接有报警控制电路4。单片机1通过RS-422通信控制电路2与动力定位系统控制台计算机17通讯连接，单片机还外接有RS-232通信控制电路3。

单片机采用ATmega128芯片，通过JTEG电路完成控制程序的烧写，采用12M外部晶振为单片机提供系统时钟脉冲，单片机通过RS-422通信控制电路把TTL电平信号转换为符合RS-422标准的差动电平信号实现与动力定位系统控制台计算机的通信。RS-422通信控制电路采用贴面式MAX490芯片，RS-232通信控制电路采用贴面式MAX232芯片。

艏向轮和相应3个独立按键用于产生艏向控制指令的输入，艏向轮的控制信号由两条电缆输出。当艏向轮旋转时，将会在这两条信号线上产生两个脉冲信号，旋转的方向不同，两脉冲信号的相位差不同，且发出的脉冲数与转过的角度有关，这两条信号线分别和ATmega128单片机的INT6和PE7引脚相连，实现艏向轮脉冲数的获取，再结合连接在ATmega128打片机PB0、PB1和PB2上的3个独立按键，完成艏向控制指令的输入。

三自由度手操杆用于完成横荡、纵荡和艏摇指令的输入，三自由度手操杆的输出信号为三路0～5V的直流电压信号，经低通滤波电路处理后，连接到ATmega128单片机的ADC0、ADC1和ADC2引脚上，由ATmega128单片机片上集成的ADC模块完成模数转换。

轨迹球和相应3个独立按键实现鼠标功能，通过P/S2串行通信协议完成与动力定位系统控制台计算机的通信，这两部分的通信电缆都是由用螺柱固定的接线端子引出该专用操纵面板后，经过航空插头再与动力定位系统控制台算机相连接。

矩阵按键采集电路采用两片贴面式MAX7349芯片，完成对82按键矩阵键盘的按键指令采集，采用I2C总线与ATmega128单片机进行通信，两片MAX7349芯片分别占用TWI的0x70和0x74两个总线地址，为ATmega128单片机的INT4和INT5两个外部中断，当有按键按下时，对应的MAX7349芯片将会产生相应的外部中断请求，ATmega128单片机接收到中断请求后就会到相应的总线地址中读取键值，进而得到相应的按键指令。

矩阵LED控制电路采用三片贴面式74HC573芯片，由ATmega128单片机的PA0～PA7控制74HC573芯片的数据位，由单片机的PC4、PC5和PC6进行74HC573芯片的片选，单片机的PC7控制由继电器构成的LED亮度控制电路，实现正常模式和夜航模式的切换。

背光控制电路由三极管和继电器组成,ATmega128单片机输出的电平信号经三极管放大后，控制继电器的通断，完成24LED电源的通断控制，从而完成背光亮灭的控制，实现背光控制功能。

报警控制电路由两个蜂鸣器和外围控制电路构成，由ATmega128单片机的PB4口控制，经三极管放大电路完成电流放大后驱动蜂鸣器发声，PB4口同时是ATmega128单片机定时器1的PWM输出复用端口，这样可以使报警控制电路发出的声音可调。

如图1所示，矩阵键盘和矩阵LED在操纵面板的中部，艏向轮和相应的3个独立按键位于操纵面板的左侧，轨迹球和相应的3个独立按键位于操纵面板的右侧，艏向轮、轨迹球和独立按键都采用嵌入式结构，既保证了结构的可靠性，同时又满足了易操作的要求。操纵面板制造采用导光PVC贴膜工艺，操纵面板嵌入固定于控制台上。

如图2所示，操纵面板共有76个状态指示LED，和24个背光LED，共有82个矩阵式按键，按键需要一定的压力才能被有效的按下，可以有效地避免在动力定位系统作业时的误操作，图中的“TEXT”代表对应的按键标识。

整个操纵面板由只需要一个DC5V电源供电，DC5V电源接入后，经电源电路9中的电容网络滤波后为ATmega128单片机、矩阵LED控制电路、艏向轮和相应3独立按键和三自由度手操杆供电，DC5V经电源电路9中的两片固定输出DC3.3V的ASM1117电源转换芯片输出两路DC3.3V的电源为矩阵按键采集电路和背光控制电路供电，DC5V经一片输出可调的ASM1117电源转换芯片输出DC1.8V～5V可调电源，供LED矩阵控制电路控制LED的亮度。

操纵面板上电后，ATmega128单片机开始工作，在完成对必须的寄存器初始化后，进行试灯操作，所有LED亮灭三次，变化周期为1秒，在这之后才开始正常的工作，ATmega128单片机定时采集三自由手操杆模拟量以及艏向轮和3独立按键中的独立按键的键值，存储到相应的存储空间中，以中断方式完成82按键矩阵键盘按键指令以及艏向轮和3独立按键中的艏向轮脉冲数及旋转方向的获取，并存储到相应的存储空间中，当ATmega128单片机通过RS-422通信控制电路接收到动力定位系统控制台计算机发送的数据报文并正确解析后，向动力定位系统控制台计算机发送指令报文，正确解析一次发送一次，报文中按协议规定包含专用控制面板的按键指令，艏向控制指令和最新的三自由度手操杆位置信息，ATmega128单片机根据动力定位系统控制台计算机发送的报文，通过报警控制电路、矩阵LED控制电路和背光控制电路实现对报警状态（蜂鸣器）、矩阵LED和背光的控制，轨迹球和3独立按键经P/S2总线与动力定位系统控制台计算机相连，实现鼠标的功能。

Claims (10)

1.一种船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，单片机与动力定位系统控制台计算机通讯连接，其特征在于：操纵面板上设有矩阵键盘、艏向轮和相应3个独立按键、三自由度手操纵杆、轨迹球和相应3个独立按键，矩阵键盘接矩阵键盘采集电路，矩阵键盘采集电路与单片机通讯连接，艏向轮和相应3个独立按键的信号输出端接单片机，三自由度手操纵杆经低通滤波电路接单片机的信号输入端，轨迹球和相应3个独立按键接动力定位系统控制台计算机。

2.根据权利要求1所述的船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，其特征在于：操纵面板上还设有矩阵LED和LED背光电路，单片机接有矩阵LED控制电路，矩阵LED控制电路的信号输出端接矩阵LED，单片机接有背光控制电路，背光控制电路的信号输出端接LED背光电路。

3.根据权利要求2所述的船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，其特征在于：三自由度的手操杆用于完成横荡、纵荡和艏摇指令的输入，艏向轮和3个独立按键用于完成艏向控制指令的输入。

4.根据权利要求3所述的船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，其特征在于：单片机通过RS-422通信控制电路与动力定位系统控制台计算机通讯连接，单片机还外接有RS-232通信控制电路。

5.根据权利要求4所述的船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，其特征在于：单片机外接有报警控制电路。

6.根据权利要求5所述的船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，其特征在于：操纵面板制造采用导光PVC贴膜工艺，操纵面板嵌入固定于控制台上；操纵面板的矩阵键盘采用82按键矩阵键盘，矩阵LED采用76矩阵LED，LED背光电路采用24LED背光电路。

7.根据权利要求5所述的船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，其特征在于：单片机采用ATmega128芯片，RS-422通信控制电路采用贴面式MAX490芯片，RS-232通信控制电路采用贴面式MAX232芯片。

8.根据权利要求7所述的船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，其特征在于：矩阵LED控制电路采用三片贴面式74HC573芯片，单片机对74HC573芯片进行片选，单片机还控制由继电器构成的LED亮度控制电路，实现正常模式和夜航模式的切换。

9.根据权利要求7所述的船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，其特征在于：背光控制电路由三极管和继电器组成,单片机输出的电平信号经三极管放大后，控制继电器的通断，完成24LED背光电路电源的通断控制。

10.根据权利要求9所述的船舶冗余动力定位系统专用操纵装置，其特征在于：矩阵按键采集电路采用两片贴面式MAX7349芯片。

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