CN103935505A - 一种船舶动力定位系统便携式手操盒 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种船舶动力定位系统便携式手操盒结构及信息采集处理方法。该手操盒与控制台计算机通过航空插头相连，并取得工作电源。在信息采集板上完成电源电压转换，为手操盒面板上指示灯、嵌入式工业主板PC104和信息采集板供电；采用单片机作为采集按键、手操杆模拟信号和控制指示灯的主控芯片，大部分元器件采用表贴式元器件，有效减小了PCB的尺寸；手操盒上的液晶屏动态显示船舶运动状态的各种信息，利于实时监控运行状态并在相应的时刻给出控制信号；三自由度手操杆完成横向、纵向和艏摇控制指令的输入；便携式手操盒采用嵌入式结构，信号采集板和PC104主板固定在手操盒底部，利于热量及时散出确保系统安全可靠的运行。本发明结构更简单，操作更简易、安装更方便。

Description

一种船舶动力定位系统便携式手操盒

技术领域

本发明涉及一种专用便携式手操盒及信息采集处理方法，尤其涉及一种船舶动力定位系统专用便携式手操盒及信息采集处理方法，属于海洋工程领域。

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，由于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。而本发明所设计的一种船舶动力定位系统便携式手操盒及信息采集处理方法是动力定位控制系统中重要的一部分，安装了便携式手操盒之后，动力定位船的操作人员不再局限于驾驶室进行操作，而是可以携带着手操盒在船的任意位置控制船舶的运动，从而更加方便操作人员操作。

发明内容：

发明的目的：本发明的目的是为了更好的给动力定位船舶的操作人员提供方便，更简易的控制船舶的运动。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明的船舶动力定位系统便携式手操盒，主要包括RS-422转RS-232电路、AVR单片机控制系统供电的电源电路电路、PC104和液晶显示屏供电的电源电路、PC104、RS-232通信电路、ATMega128单片机最小电路、液晶显示屏、按键采集控制电路、灯控制电路、低通滤波电路、5个键带灯、5个状态指示灯和三自由度手操杆，通过便携式手操盒的航空插头与动力定位系统控制台计算机相连。其中手操盒面板由液晶显示屏、5个键带灯、5个状态指示灯和三自由度手操杆构成。

该便携式手操盒采用ATmega128单片机作为按键、三自由度手操杆信号采集与状态灯控制芯片，五个状态请求按键经由ATmega128单片机外部中断引脚完成控制指令的输入，三自由度手操杆的三路模拟信号经低通滤波电路滤除高频噪声后，分别接入ATmega128单片机的ADC0、ADC1和ADC2引脚，利用ATmega128单片机片上集成的AD转换模块完成AD转换。当ATmega128单片机通过RS-232通信控制电路接收到PC104发送的状态报文被成功解析后，按通信协议的要求把操纵面板的控制指令经RS-232通信控制电路发送到PC104上，并根据状态报文通过相应的控制电路完成状态的控制。PC104通过RS-422转RS-232电路与外部的控制台计算机进行通信，PC104把接收到的单片机上的控制信号发送给控制台计算机，同时控制台计算机把相应的船舶各种状态信息以及按键请求的相应状态发送给PC104，PC104根据得到的正确解析的报文把相应的信息显示到液晶显示屏上，同时把状态指示灯得数据通过RS-232电路发送给ATmega128单片机，单片机根据接收到的报文数据通过控制电路控制相应的状态指示灯。

有益效果：本发明结构更简单，操作更简易、安装更方便。

附图说明：

图1为本发明的便携式手操盒左视图；

图2为本发明的便携式手操盒前视图；

图3为本发明的便携式手操盒俯视图；

图4为本发明的便携式手操盒电气原理图。

具体实施方式：

如图1所示，该种船舶动力定位系统便携式手操盒的侧面有两个背带环，操作人员在使用的过程中起到固定作用，保证了结构的可靠性，同时又满足了易操作的要求。每个背带环都采用嵌入式结构，分别由两个螺柱固定在手操盒上。

如图2所示，该种船舶动力定位系统便携式手操盒的内部预留有足够的空间便于散热，同时在手操盒底部有相应的固定螺柱和散热片，这样方便安装固定电路板，在系统工作的过程中，电路板产生的热量可以通过底部的散热片及时的导入到手操盒的壳体并散发出去，从而保证系统在连续的工作过程中时刻保持较低的温度，安全稳定的运行。

如图3所示，该种船舶动力定位系统便携式手操盒的顶部留有航空插头，方便与控制台计算机的连接；左右两侧各有两个背带环，能够起到更好的安全固定作用；面板的左下部位有两行五列的状态指示灯及按键，方便操作；左上部位是液晶显示屏，保证了操作人员实时的了解船舶的各种状态与工作信息；右方是一个三自由度得手操杆，确保工作人员更轻易方便的控制船舶的运动。。

如图4所示，该种船舶动力定位系统便携式手操盒包括：RS-422转RS-232电路（2）、ATmega128单片机控制系统供电的电源电路（3）、PC104和液晶显示屏供电的电源电路（4）、PC104（5）、RS-232通信电路（6）、ATMega128单片机最小电路（7）、液晶显示屏（8）、按键采集控制电路（9）、灯控制电路（10）、低通滤波电路（11）、5个键带灯（12）、5个状态指示灯（13）和三自由度手操杆（14）。其中手操盒面板由液晶显示屏（8）、5个键带灯（12）、5个状态指示灯（13）和三自由度手操杆（14）构成。

单片机单片机控制系统供电的电源电路（3）与PC104和液晶显示屏供电的电源电路（4）均采用宽电压输入的电源芯片VRB48**LD-30W进行供电,保证了电源电路的稳定。ATmega128单片机控制系统（7）采用表贴式单片机ATmega128芯片，此芯片作为按键、三自由度手操杆信号采集与状态灯控制芯片，通过JTAG电路完成控制程序的烧写，采用11.0592M外部晶振为单片机提供系统时钟脉冲。

按键采集控制电路（9）都经过了硬件按键的消抖处理，五个按键分别连接了芯片的五个外部中断，中断采用下降沿触发。当AVR单片机检测到相应的按键边沿触发请求时进入相应的中断点亮该按键上带有的指示灯，如果在请求状态下按下相应的按键，则请求状态就会终止，灯就会熄灭，通过键带灯上的灯的状态可以很轻易的知道此时便携式手操盒处于哪种请求状态。三自由度手操杆（14）的输入采用DC5V，在三个自由度上输出0～5V的直流电压信号，经过相应的低通滤波电路处理后，把三个自由度上输出的电压信号连接到ATmega128单片机的模拟到数字转换的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，从而实现手操杆操作过程中模拟输出到数字量的转化，更能形象的显示出手操杆各个方向上控制力的大小。

航空插头连接到便携式手操盒并上电后，电源电路首先把外部供应的DC48V的电压转换为DC5V、DC12V和DC24V，DC5V、DC12V同时给PC104和液晶显示屏进行供电，DC24V则保证相应的面板指示灯能够在控制信号到来的时候点亮。DC5V给ATmega128单片机供电，在完成必须的寄存器初始化后，才开始正常的工作，ATmega128单片机定时采集三自由度手操杆（14）的模拟量并以边沿中断的方式采集5个独立按键（12）的键值，存储到相应的存储空间中。当动力定位控制台计算机（1）通过RS-422通信发送到手操盒数据时，首先通过RS-422转RS-232电路（2）转化为RS-232通信，然后再与PC104（5）进行通信。采用PC104（5）为核心进行处理数据信息，PC104搭载Wince操作系统从而实现优质的显示效果。同时使用640*480的液晶显示屏进行显示各种数据和图像信息，它包含了船舶运行过程中所有的必要信息，包括船舶的北东位置、艏向、航速、手操杆在船舶横荡、纵荡和艏摇三个方向控制力的大小、艏向误差、各种传感器数据、船舶全回转推进器的推力方向及大小、艏侧推的推力大小等，保证信息的完整丰富及相对较高的分辨率。PC104把接收到的各种船舶运动及传感器数据经过处理后显示到液晶显示屏（8）上，同时把相应的状态指示灯的信号状态数据通过RS-232通信电路（6）传输到ATmega128单片机,单片机再经过灯控制电路（10）控制5个状态指示灯（13）。ATmega128单片机通过按键采集控制电路（9）采集5个键带灯（12）的键值并定时采集三自由度手操杆（14）的信号经过AD转换之后，通过RS-232通信控制电路（6）发送到PC104，PC104再把相应的数据信息经过RS-422转RS-232电路（2）发送到动力定位系统控制台计算机。

Claims (5)

1.一种船舶动力定位系统便携式手操盒，包括:RS-422转RS-232电路(2)、ATMega128单片机控制系统供电的电源电路(3)、PC104和液晶显示屏供电的电源电路(4)、PC104(5)、RS-232通信电路(6)、ATMega128单片机最小电路(7)、液晶显示屏(8)、按键采集控制电路(9)、灯控制电路(10)、低通滤波电路(11)、5个键带灯(12)、5个状态指示灯(13)和三自由度手操杆(14)，其特征在于：RS-422转RS-232电路(2)，RS-422通信控制电路(2)是由贴面式MAX490实现的，通过把动力定位控制台计算机的RS-422标准的差动电平信号转化为RS-232标准电平信号实现控制台计算机与PC104上RS-232串口的通信功能。为ATMega128单片机控制系统供电的电源电路(3)与PC104和液晶显示屏供电的电源电路(4)均采用宽电压输入的电源芯片VRB48**LD-30W，采用PC104(5)为核心进行处理数据信息，PC104搭载Wince操作系统；使用640*480的液晶显示屏进行显示各种数据和图像信息，采用PC104的两个RS-232(6)进行通信，一个串口与AVR采集到的数据进行实时的处理并把相应的状态信号发送到AVR，实现状态指示灯的显示；另一个RS-232串口通过RS-422转RS-232的转换电路与控制台计算机进行通信，传输便携式手操盒的控制信号同时接收控制台计算机发送过来的各种船舶运动及状态信息，并在液晶屏上进行实时显示，ATmega128单片机控制系统(7)采用表贴式单片机ATmega128芯片，通过JTAG电路完成控制程序的烧写，采用11.0592M外部晶振为单片机提供系统时钟脉冲。按键采集控制电路，此便携式手操盒的五个控制信号全部采用外部中断的形式进行触发，当AVR单片机检测到相应的按键边沿触发的时候进入相应的中断点亮该按键上带有的指示灯，通过键带灯上的灯的状态可以很轻易的知道此时便携式手操盒处于哪种请求状态。 

2.根据权利要求1所述的一种船舶动力定位系统便携式手操盒，其特征在于，便携式手操盒壳体的设计；采用铝合金背带环以及整个手操盒壳体的设计；便携式手操盒的两侧各有两个背带环；手操盒面板采用高精度三自由度手操杆进行控制模拟信号的输入，同时在面板左下方采用五个带灯的按键和5个单独的指示灯进行两行五列排列；在手操盒面板的左上方预留出液晶显示屏并能通过液晶屏人性化的界面显示在操作过程中轻松控制船舶的运行。 

3.根据权利要求1所述的一种船舶动力定位系统便携式手操盒，其特征在于，丰富和人性化的界面信息显示。液晶显示界面包含了船舶运行过程中所有的必要信息，包括船舶的北东位置、艏向、航速、手操杆在船舶横荡、纵荡和艏摇三个方向控制力的大小、艏向误差、各种传感器数据、船舶全回转推进器的推力方向及大小、艏侧推的推力大小等。把相应枯燥的数据信息处理成图形的显示更好的方便使用人员控制。 

4.根据权利要求1所述的一种船舶动力定位系统便携式手操盒，其特征在于，三自由度手操杆(14)的输入采用DC5V，在三个自由度上输出0～5V的直流电压信号，经过相应的低 通滤波电路处理后，把三个自由度上输出的电压信号连接到ATmega128单片机的模拟到数字转换的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，从而实现手操杆操作过程中模拟输出到数字量的转化，更能形象的显示出手操杆各个方向上控制力的大小。 

5.根据权利要求1所述的一种船舶动力定位系统便携式手操盒，其特征在于，在航空插头连接到便携式手操盒并上电后，电源电路首先把外部供应的DC48V的电压转换为DC5V、DC12V和DC24V，DC5V、DC12V同时给PC104和液晶显示屏进行供电，DC24V则保证相应的面板指示灯能够在控制信号到来的时候点亮。DC5V给ATmega128单片机供电，在完成必须的寄存器初始化后，才开始正常的工作，ATmega128单片机定时采集三自由度手操杆(14)的模拟量并以边沿中断的方式采集5个独立按键(12)的键值，存储到相应的存储空间中。当动力定位控制台计算机(1)通过RS-422通信发送到手操盒数据时，首先通过RS-422转RS-232电路(2)转化为RS-232通信，然后再与PC104(5)进行通信。PC104把接收到的各种船舶运动及传感器数据经过处理后显示到液晶显示屏(8)上，同时把相应的状态指示灯的信号状态数据通过RS-232通信电路(6)传输到ATmega128单片机,单片机再经过灯控制电路(10)控制5个状态指示灯(13)。ATmega128单片机通过按键采集控制电路(9)采集5个键带灯(12)的键值并定时采集三自由度手操杆(14)的信号经过AD转换之后，通过RS-232通信控制电路(6)发送到PC104，PC104再把相应的数据信息经过RS-422转RS-232电路(2)发送到动力定位系统控制台计算机。