CN108121253B

CN108121253B - 一种嵌入式智能模块化操纵控制面板

Info

Publication number: CN108121253B
Application number: CN201711492731.2A
Authority: CN
Inventors: 陶勇; 柯常国; 蒋炜; 张�浩; 谢青松
Original assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Current assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Priority date: 2017-12-30
Filing date: 2017-12-30
Publication date: 2021-01-08
Anticipated expiration: 2037-12-30
Also published as: CN108121253A

Abstract

本发明公开了一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，包括盒体、前面板和后盖板，所述的前面板上分别安装有机械仪表、LCD触摸屏、按键/指示灯、电位器、蜂鸣器、控制手柄、I/O模块Ⅰ、I/O模块Ⅱ以及I/O模块Ⅲ，所述的后盖板上安装有通讯/接口模块，所述的通讯/接口模块通过带状电缆连接I/O模块Ⅰ、I/O模块Ⅱ和I/O模块Ⅲ，通讯/接口模块通过硬线连接机械仪表、LCD触摸屏、按键/指示灯、电位器，蜂鸣器和控制手柄；当电力推进系统出现故障相报警时蜂鸣器鸣叫，通过调节手柄来提供转速、舵角的控制信号输出，电位器通过通讯/接口模块上的调光电路来调节按键/指示灯中LED灯和机械仪表背光灯的亮度。

Description

一种嵌入式智能模块化操纵控制面板

技术领域

本发明属于电子控制技术领域，具体涉及一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，用于船舶全回转舵桨电力推进系统中的操纵控制系统。

背景技术

现有的船舶电力推进系统的操纵控制面板由于集成化程度不高，只有简单的按键/指示灯及电位器和蜂鸣器，不能方便、直观的显示电力推进控制系统各工况的技术参数和动态变化。

由于操纵控制面板上的元器件都是通过硬线焊接的方式，元器件对焊接工艺的要求比较高，且人工焊接水平存在差异，所以经常会出现脱焊、虚焊的情况。

另外现有的操纵控制面板在实际使用中没有友好的人机交互性，且存在可靠性差、安装维修不方便、结构不合理等缺点。

因此从安全性、通用性、可靠性、经济性以及多方面考虑，有必要研制出一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，通过模块化的结构设计和具有交互性的人机界面设计使得该控制面板操作简单、维修方便，更加具有智能化和人性化。

发明内容

本发明的目的是提供一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，在克服现有技术及工艺存在缺点的基础上，采用了更加安全可靠，且具有模块化、标准化、通用化的技术设计，使得控制面板整体结构紧凑、适用性强、元器件安装简单、便于更换、易于维护。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，包括由盒体、前面板和后盖板构成的嵌入式盒体，所述的前面板上分别安装有机械仪表、LCD触摸屏、按键/指示灯、电位器、蜂鸣器、控制手柄、I/O模块Ⅰ、I/O模块Ⅱ以及I/O模块Ⅲ，所述的后盖板上安装有通讯/接口模块，所述的通讯/接口模块通过带状电缆连接I/O模块Ⅰ、I/O模块Ⅱ和I/O模块Ⅲ，通讯/接口模块通过硬线连接机械仪表、LCD触摸屏、按键/指示灯、电位器，蜂鸣器和控制手柄，所述的通讯/接口模块包括CPU以及与CPU连接的驱动电路、电源变换电路、模拟信号调理电路和DP转换模块，DP转换模块用于将RS232通讯转换成Profibus—DP通讯，还包括调光及报警出电路，驱动电路上连接有光耦隔离电路，驱动电路和光耦隔离电路为DO信号的输出。

所述的一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，其按键/指示灯有四十个；所述的电位器有两个，分别是第一电位器和第二电位器，按功能划分为第一电位器为面板调光，第二电位器为仪表调光；蜂鸣器有一个，用于故障报警；机械仪表有两个，分别是第一机械仪表和第二机械仪表，按功能划分第一机械仪表为转速表，第二机械仪表为舵角表；LCD触摸屏有一个，作为人机接口实现相关参数设置及状态显示；控制手柄有一个，输出转速、舵角的控制信号；I/O模块Ⅰ有两个，分别是第一I/O模块Ⅰ和第二I/O模块Ⅰ；I/O模块Ⅱ有两个，分别是第一I/O模块Ⅱ和第二I/O模块Ⅱ；I/O模块Ⅲ有一个；带状电缆为20芯。

所述的一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，其按键/指示灯通过底部的开关元件与I/O模块Ⅰ、I/O模块Ⅱ以及I/O模块Ⅲ上焊装的PCB底座进行对插。

所述的一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，其通讯/接口模块上还设置有包括DBX、DP、JP1、JP在内的对外接口；DBX接口用于按键/指示灯控制信号的输入/输出；DP接口用于Profibus—DP通讯；JP1接口用于电源输入；JP2接口用于外部电力推进系统的转速、舵角信号反馈到机械仪表上及按键/指示灯控制信号的输出。

所述的一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，其通讯/接口模块为一个。

所述的一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，其LCD触摸屏通过标准RS-232串口线连接到CPU上。

所述的一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，其控制手柄为全回转控制手柄。

所述的一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，其模拟信号调理电路连接控制手柄的转速信号和舵角信号，将标准的0-10V或0-20mA信号调理成0～3V电压信号后送至CPU处理。

所述的一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，其按键为自复位型或自锁型。

所述的一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，其CPU为ST公司基于Cortex-M3的32位RISC内核的STM32F103型号的控制芯片。

所述的一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，其电源变换电路提供5V和3.3V输出电压供系统使用。

本发明突出的特点和显著的技术效果是：

1、具有模块化、标准化的设计使得面板外型美观大方，整体结构紧凑、集成度高，元器件安装简单、可靠性高，互换性强、便于更换维护。

2、通用化的设计使得面板的结构形式适用于其它行业和领域中各种系统中的控制面板。

3、独特的调光电路设，相比较传统的串电位器调光电路，通讯/接口模块上调光电路的优点是其调光平滑且不会因电位器电阻值漂移产生亮度变化，并且更容易实现灯光调灭。

4、采用了单片机和Profibus—DP通讯技术使得实时数据采集与处理速度快。

5、将LCD触摸屏技术应用在电力推进系统的数据采集系统中，通过菜单形式设定数据采集原始参数，并直观地显示电力推进系统各工况的动态变化，以实现系统友好人机交互的灵活性，方便操作人员随时了解监测系统的工作状况，具有较高的推广价值。

附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的后视图；

图4为本发明的按键/指示灯与I/O模块的安装及与通讯/接口模块连接示意图；

图5为本发明的原理框图；

图6为本发明通讯/接口模块的原理框图。

各附图标记为：1.1—前面板，1.2—盒体，1.3—后盖板， 2.1—第一机械仪表，2.2—第二机械仪表，3—LCD触摸屏，4—按键/指示灯，5.1—第一电位器，5.2—第二电位器，6—蜂鸣器，7—控制手柄，8—I/O模块Ⅰ，8.1—第一I/O模块Ⅰ，8.2—第二I/O模块Ⅰ，9—I/O模块Ⅱ，9.1—第一I/O模块Ⅱ，9.2—第二I/O模块Ⅱ，10—I/O模块Ⅲ，11—通讯/接口模块，11.1—CPU，11.2—驱动电路，11.3—光耦隔离电路，11.4—电源变换电路，11.5—模拟信号调理电路，11.6—调光及报警出电路，11.7—DP转换模块，12—带状电缆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

以下说明是从本发明的基本实施例为基础，适用于船舶全回转舵桨电力推进系统中的操纵控制系统。

如图1、图2所示，一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，它包括一个嵌入式盒体，嵌入式盒体包含有前面板1.1，盒体1.2，后盖板1.3。前面板1.1上安装有机械仪表、LCD触摸屏3、按键/指示灯4、电位器、蜂鸣器6、控制手柄7、I/O模块Ⅰ 8、I/O模块Ⅱ 9、I/O模块Ⅲ10，后盖板1.3上安装有通讯/接口模块11，所述的通讯/接口模块11通过带状电缆12连接I/O模块Ⅰ 8、I/O模块Ⅱ 9和I/O模块Ⅲ 10，通讯/接口模块11通过硬线连接机械仪表、LCD触摸屏3、紧急停车按键/指示灯4、电位器，蜂鸣器6通过硬线连接到通讯/接口模块11上，当电力推进系统出现故障相报警时蜂鸣器6鸣叫；控制手柄7通过硬线连接到通讯/接口模块11上，通过调节控制手柄7来提供转速、舵角的控制信号输出。

盒体前面板1.1表面贴的黑色PC膜上按功能用白色线条和字符划分有不同的控制区域（紧急停车、辅助调节、转速控制、转舵控制、转速操作模式、转速操作地址、转速应急控制、转舵应急控制等），每个装有按键/指示灯4的控制区域下面都对应一块I/O模块，并通过I/O模块上焊装的PCB底座与按键/指示灯4底部的开关元件进行对插。

所述前面板1.1上安装的按键/指示灯4有四十个（根据实际需求可设定按键和指示灯各自的数量，同样按键也可以按功能分为自复位型和自锁型），其中紧急停车区域有一个按键/指示灯4，辅助调节区域有三个按键/指示灯4，转速控制和转舵控制区域各有十二个按键/指示灯4，转速操作模式、转速操作地址、转速应急控制、转舵应急控制区域各有三个按键/指示灯4。

所述的电位器有两个，分别是第一电位器5.1和第二电位器5.2，按功能划分为第一电位器5.1为面板调光，第二电位器5.2为仪表调光，电位器通过通讯/接口模块11上的调光电路来调节按键/指示灯4中LED灯和机械仪表中背光灯的亮度，机械仪表有两个，分别是第一机械仪表2.1和第二机械仪表2.2，按功能划分第一机械仪表2.1为转速表，第二机械仪表2.2为舵角表。

蜂鸣器6有一个，用于故障报警；LCD触摸屏3有一个，作为人机接口实现相关参数设置及状态显示，保证了系统具有良好的人机交互性；控制手柄7有一个，为全回转控制手柄，用于输出转速、舵角的控制信号；I/O模块Ⅰ 8有两个，分别是第一I/O模块Ⅰ 8.1和第二I/O模块Ⅰ 8.2；I/O模块Ⅱ 9有两个，分别是第一I/O模块Ⅱ 9.1和第二I/O模块Ⅱ 9.2；I/O模块Ⅲ 10有一个；后盖板1.3上安装的通讯/接口模块11为一个；带状电缆12为20芯；所述的LCD触摸屏3通过标准RS-232串口线连接到通讯/接口模块11上，LCD触摸屏3界面编写通过网口与上位机连接，使用某软件进行界面编程，且LCD触摸屏3与通讯/接口模块11之间由串口通过Modbus协议进行通讯，通过菜单形式设定数据采集原始参数，并在屏上直观地显示电力推进系统各工况的动态变化，以实现系统友好人机交互的灵活性，方便操作人员随时了解监测系统的工作状况，具有较高的推广价值。

如图3所示，后盖板1.3上安装的通讯/接口模块11是用来实现控制面板与外部控制器进行DP通讯的接口，通讯/接口模块11将面板上各信号采集并发送至外部控制器，采用Profibus现场总线标准，对外接口使用专用的Profibus通信芯片，主要使用通讯/接口模块11上CPU 11.1的FSMC（可变静态存储控制器）技术；通讯/接口模块11上的对外接口有DBX、DP、JP1、JP2。DBX用于按键/指示灯4控制信号的输入/输出；DP用于Profibus—DP通讯接口；JP1用于嵌入式智能模块化操纵控制面板的电源输入；JP2用于外部电力推进系统的转速、舵角信号反馈到第一机械仪表2.1（转速表）、第二机械仪表2.2（舵角表）上及按键/指示灯4（紧急停车）控制信号的输出。

如图4所示，前面板1.1上的按键/指示灯4与I/O模块（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）的安装指示，I/O模块（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）与通讯/接口模块11的安装指示。所有按键/指示灯4通过底部的开关元件与I/O模块（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）上焊装的PCB底座进行对插。辅助调节区域下对应安装有I/O模块Ⅲ 10；转速控制区域下对应安装有第一I/O模块Ⅰ 8.1；转舵控制区域下对应安装有第二I/O模块Ⅰ8.2；转速操作模式和转速应急控制区域下对应安装有第一I/O模块Ⅱ 9.1；转速操作地址和转舵应急控制区域下对应安装有第二I/O模块Ⅱ 9.2。所有控制区域下的I/O模块（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）都焊有带状电缆连接器，并且通过带状电缆12接插到通讯/接口模块11上相应的带状电缆连接器上。

如图5所示，本发明的原理是：通过面板上的控制按键/指示灯4提供的I/O信号通过Profibus—DP通讯来控制电力推进系统的各种设备启动、停机、转换，并通过相应的按键/指示灯来显示各设备的运行和报警及故障状态；同时操纵控制手柄7来控制全回转舵桨系统中电机的转速和舵桨的角度，并通过转速表和舵角表来显示相应的数值；LCD触摸屏3通过菜单形式设定数据采集原始参数，直观地显示电力推进系统各工况的动态变化，以实现系统友好人机交互的灵活性，方便操作人员随时了解监测系统的工作状况。

如图6所示，后盖板1.3上安装有的通讯/接口模块11，通讯/接口模块11上包括CPU11.1以及与CPU 11.1连接的驱动电路11.2、光耦隔离电路11.3、电源变换电路11.4、模拟信号调理电路11.5、调光及报警出电路11.6、DP转换模块11.7（其中虚线框内的器件不在通讯/接口模块11上）。

所述的CPU 11.1为ST公司基于Cortex-M3的32位RISC内核的STM32F103型号的控制芯片。其工作频率可达72MHz，具有较高的代码率，被广泛应用在电机控制，电力系统，工业现场控制以及医疗设别家用电器等场合。其可提供至少16路的12位ADC转换通道以及广泛的增强I/O接口，并具有强大的通信功能，包括有I2C接口、USART接口，SPI接口以及CAN总线接口。

所述的嵌入式智能模块化操纵控制面板用到了CPU 11.1的I/O接口，ADC转换通道及USART接口功能，同时DP通讯系统使用到了其FSMC（可变静态存储控制器）技术。所述的驱动电路11.2、光耦隔离电路11.3为DO信号的输出。所述的电源变换电路11.4实现DC-DC变换，为单片机系统提供5V和3.3V输出电压。所述的模拟信号调理电路11.5连接全回转控制手柄的转速信号和舵角信号，通过CPU11.1的ADC采样通道采集全回转手柄所发出的舵角和转速信号，将标准的0-10V或0-20mA信号调理成0～3V电压信号后送至CPU11.1处理，然后通过DP转换模块11.7运用DP通讯将信号发送出去。其12位的采样精度能够满足系统要求。所述的调光及报警出电路11.6用于第一电位器5.1为面板的按键/指示灯4调光，第二电位器5.2为机械仪表2调光；蜂鸣器6为故障报警。所述的DP转换模块11.7将RS232转换成Profibus—DP通讯。

实施例2：

与上述实施例1不同的是，所述的按键/指示灯4的数量和带状电缆12的芯数可以按需求增加相应的数量。

实施例3：

与上述实施例1不同的是，所述的第一机械仪表2.1（转速表）、第二机械仪表2.2（舵角表）可以按需求换成其他仪表，相应的功能也适用于船舶其它方式的电力推进系统中的操纵控制系统。

实施例4：

与上述实施例1不同的是，所述的控制手柄7可以按需求换成其他的控制手柄，相应的功能也适用于船舶其它方式的电力推进系统中的操纵控制系统。

实施例5：

与上述实施例1不同的是，所述的嵌入式智能模块化操纵控制面板，在保持面板电气结构和原理的基础上改变面板外型尺寸和各元器件的配置也适用于其它行业和领域中各种操纵控制系统。

本发明权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims

1.一种嵌入式智能模块化操纵控制面板，其特征在于：包括由盒体（1.2）、前面板（1.1）和后盖板（1.3）构成的嵌入式盒体，所述的前面板（1.1）上分别安装有机械仪表、LCD触摸屏（3）、按键/指示灯（4）、电位器、蜂鸣器（6）、控制手柄（7）、I/O模块Ⅰ（8）、I/O模块Ⅱ（9）以及I/O模块Ⅲ（10），所述的按键为自复位型或自锁型，所述的后盖板（1.3）上安装有一个通讯/接口模块（11），所述的通讯/接口模块（11）通过带状电缆（12）连接I/O模块Ⅰ（8）、I/O模块Ⅱ（9）和I/O模块Ⅲ（10），通讯/接口模块（11）通过硬线连接机械仪表、LCD触摸屏（3）、按键/指示灯（4）、电位器，蜂鸣器（6）和控制手柄（7），所述的通讯/接口模块（11）包括CPU（11.1）以及与CPU（11.1）连接的驱动电路（11.2）、电源变换电路（11.4）、模拟信号调理电路（11.5）和DP转换模块（11.7），所述的电源变换电路（11.4）提供5V和3.3V输出电压供系统使用，模拟信号调理电路（11.5）连接控制手柄（7）的转速信号和舵角信号，将标准的0-10V或0-20mA信号调理成0～3V电压信号后送至CPU（11.1）处理，DP转换模块（11.7）将RS232通讯转换成Profibus—DP通讯，驱动电路（11.2）上连接有光耦隔离电路（11.3），驱动电路（11.2）和光耦隔离电路（11.3）输出DO信号；所述通讯/接口模块（11）上还设置有包括DBX、DP、JP1、JP在内的对外接口；DBX接口用于按键/指示灯（4）控制信号的输入/输出；DP接口用于Profibus—DP通讯；JP1接口用于电源输入；JP2接口用于外部电力推进系统的转速、舵角信号反馈到机械仪表上及按键/指示灯（4）控制信号的输出；所述的按键/指示灯（4）有四十个，通过底部的开关元件与I/O模块Ⅰ（8）、I/O模块Ⅱ（9）以及I/O模块Ⅲ（10）上焊装的PCB底座进行对插；所述的电位器有两个，分别是第一电位器（5.1）和第二电位器（5.2），按功能划分为第一电位器（5.1）为面板调光，第二电位器（5.2）为仪表调光；蜂鸣器（6）有一个，用于故障报警；机械仪表有两个，分别是第一机械仪表（2.1）和第二机械仪表（2.2），按功能划分第一机械仪表（2.1）为转速表，第二机械仪表（2.2）为舵角表；LCD触摸屏（3）有一个，通过标准RS-232串口线连接到CPU（11.1）上，作为人机接口实现相关参数设置及状态显示；所述的CPU（11.1）为ST公司基于Cortex-M3的32位RISC内核的STM32F103型号的控制芯片；控制手柄（7）为一个全回转控制手柄，输出转速、舵角的控制信号；I/O模块Ⅰ（8）有两个，分别是第一I/O模块Ⅰ（8.1）和第二I/O模块Ⅰ（8.2）；I/O模块Ⅱ（9）有两个，分别是第一I/O模块Ⅱ（9.1）和第二I/O模块Ⅱ（9.2）；I/O模块Ⅲ（10）有一个；带状电缆（12）为20芯。