CN201016704Y - 数字式舵角信号变送器 - Google Patents

Abstract

一种数字式舵角信号变送器，包括用于检测船舶的舵角信号的电位器、用于将电压信号转换成频率信号的单片机、用于提供供电电源的电源模块，单片机包括用于采集电位器的电压信号的信号采集模块、用于将电压信号转换成数字信号的A/D转换模块、用于将A/D转换模块输出的数字信号进行数据处理的数据处理模块、用于将处理后的信号转换成频率信号的频率转换模块、用于将转换后的频率信号输出的频率输出模块；电源模块连接电位器和单片机，电位器连接信号采集模块，信号采集模块连接A/D转换模块，A/D转换模块连接数据处理模块，数据处理模块连接频率转换模块，频率转换模块连接频率输出模块。本实用新型抗干扰能力强、转换精度高、容易实现信号隔离。

Description

数字式舵角信号变送器

(一)技术领域

本实用新型涉及船舶导航的一种舵角信号测量变换装置，尤其是一种舵角信号变送器。

(二)背景技术

近年来，我国的船舶制造技术，特别是自动舵控制技术得到了快速的发展。而舵角信号的测量精度对整个控制系统具有至关重要的作用。传统的舵角测量装置一般是采用旋转式电位器，通过测量电位器的输出电压信号获得舵角，将测量的电压信号直接传送到自动舵控制器进行处理，实现舵角反馈功能。但是现代船舶制造的船体越来越大，舵叶到控制室的距离越来越长，电压信号在远距离传送过程中，不可避免的存在着导线压降、沿途信号干扰，降低了舵角反馈信号的测量精度，严重影响了自动舵系统的控制性能。一般的解决测量电压信号远距离传输的方法是(1)将电压信号转换成频率信号；(2)电压信号转换成电流信号。

压频转换技术是解决信号远程传送的方法之一。但采用现有的压频转换芯片设计的电路受温度影响比较大，对外部电阻、电容要求比较高，特别是外接的单稳电阻对电路的转换精度影响比较大；而实际舵舱控制室的温度、湿度、震荡等工作条件相当恶劣，所以传统的压频转换技术在船舶舵角信号测量系统中并没有得到很好的应用。电压电流转换技术可以解决传输导线降压的问题，但高精度电压电流转换器件成本较高，对光电隔离器件的线性度要求高。

基于这些原因，目前船舶舵角信号测量反馈系统中广泛采用的仍然是简单的电位器电压信号测量技术。

(三)发明内容

为了克服已有的船舶舵角信号测量系统的抗干扰能力弱、转换精度低和信号隔离处理难的不足，本实用新型提供一种抗干扰能力强、转换精度高、容易实现信号隔离的数字式舵角信号变送器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于检测船舶舵角位置的数字式舵角信号变送器，所述的变送器包括用于将电压信号转换成频率信号的单片机、用于提供供电电源的电源模块，所述的单片机包括：用于采集电位器的电压信号的信号采集模块、用于将电压信号转换成数字信号的A/D转换模块、用于将A/D转换模块输出的数字信号进行处理的数据处理模块、用于将处理后的信号转换成频率信号的频率转换模块、用于将转换后的频率信号输出的频率输出模块；所述电源模块连接电位器和单片机，所述的电位器连接信号采集模块，所述的信号采集模块连接A/D转换模块，所述的A/D转换模块连接数据处理模块，所述的数据处理模块连接频率转换模块，所述的频率转换模块连接频率输出模块。

进一步，所述的电位器为旋转式电位器。

再进一步，所述的A/D转换模块为4通道10位A/D转换器。

所述的频率转换模块将数字信号转化为频率随数字量变化的0、1方波信号。

本实用新型的技术构思为：舵角测量信号经数字式转换后再进行远程传送的全数字式舵角测量。

在进行具体的模块设计时，考虑实际产品的使用情况，舵角的测量采用旋转式电位器，根据电位器上输出的电压值实时反映舵叶的转动位置。为了解决电压信号远距离传输的压降与干扰问题，考虑将电压信号转化为频率信号进行传输，测量得到的电压信号经过单片机转化为频率信号传送给自动舵控制器做数据处理以产生控制信号。考虑船舶实际的工作环境比较恶劣，在进行具体的器件选择时，选用稳定性能比较好、设计简单、在工业广泛应用的PIC系列单片机。考虑实际产品的生产经济性、使用过程的方便性，同时又能满足自动舵系统实际精度要求的PIC12F675单片机实现电压信号的频率转换。该芯片是微芯公司首创的8引脚的8位机，特别适用于要求产品性能高、体积小的场合。内部嵌有4MHZ的高精度震荡器可以满足一般场合对工作频率的要求，也可以选择外接振荡电路，最高可以支持20MHZ晶振的工作频率。更为重要的是该芯片内置有4通道10位A/D转换器，在进行舵角信号的采样时就无需外接A/D转换器使得电路设计简单，适合在船舶舵机舱的恶劣环境下稳定工作。本实用新型设计采用高精密的旋转式电位器，单片机外接20MHZ的晶振，以定时器计时的方式输出频率信号，测量转换精度可以达到0.5度。

本实用新型的有益效果主要表现在：1、转换精度高；2、采用纯数字方式实现，抗干扰能力强，输出给控制器的频率信号容易实现隔离。

(四)附图说明

图1是系统结构图；

图2是电源供电电路图；

图3是单片机接口电路图；

图4是系统主程序流程图；

图5是频率转换子程序流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种数字式舵角信号变送器，所述的变送器包括用于检测船舶的舵角信号的电位器1，用于提供供电电源的电源模块2和用于将电压信号转换成频率信号的单片机3。所述的单片机3包括：用于采集电位器的电压信号的信号采集模块4、用于将电压信号转换成数字信号的A/D转换模块5、用于将A/D转换模块输出的数字信号进行处理的数据处理模块6、用于将处理后的信号转换成频率信号的频率转换模块7、用于将转换后的频率信号输出的频率输出模块8；所述电源模块2连接电位器1和单片机3，所述的电位器1连接信号采集模块4，所述的信号采集模块4连接A/D转换模块5，所述的A/D转换模块5连接数据处理模块6，所述的数据处理模块6连接频率转换模块7，所述的频率转换模块7连接频率输出模块8。

所述的电位器1为旋转式电位器。所述的A/D转换模块5为10位A/D转换器。所述的频率转换模块7将数字信号转化为频率随数字量变化的0、1方波信号。

参照图1，本设计的数字式舵角信号变送器包括负责对船舶舵叶位置进行测量的信号采集电路，采样的电压信号经过PIC单片机进行A/D转换、信号处理，并将其转换成频率信号的PIC单片机接口电路，信号传送电路。另外、还有给单片机和测量电路供电的电源电路，为单片机提供20MHZ的外接晶振电路。由这些电路构成整个舵角信号测量转换系统的硬件架构。

图2是单片机和测量电路的供电电路。实际船舶控制台上一般提供24V的供电电压，本电路设计是将24V电压转换为标准5V电压，为单片机和测量电路供电。电路图包括两个部分，上图是对供电电路进行滤波处理；下图是将24V电源转换为标准5V电压。

图3是单片机接口电路，本实用新型采用工作性能稳定、设计简单的PIC12F675单片机作为舵角信号测量，压频转换的处理芯片。PIC12F675是微芯公司最先推出的8引脚8位机，适用于对产品体积、性能要求比较高的工业现场。图3左端是PIC单片机的外接晶振电路，该电路可以为单片机提供20MHZ的工作频率。PIC单片机本身还内置4MHZ的内部晶振，为提高转换精度，本实用新型设计采用工作频率为20MHZ的外接晶振电路。

图3中电位器W1安装在舵机上，随舵机转动，通过电位器W1采集舵机角度信号，采集的电压信号接入PIC12F675单片机的GP0端口，PIC12F675单片机通过内置的10位A/D转换器对采样信号进行A/D转换，由单片机将A/D转换后的数字量信号转换成频率随数字量变化的0、1方波信号，并由GP1端口输出给舵角控制器，实现舵角信号的反馈。

图4是系统主程序流程图。程序开始对各功能模块进行初始化，包括定时计数器、A/D转换器、端口设置等；将采样周期赋值给定时器0；然后读取GP0端口进行采样并启动A/D转换；A/D转换结束调用频率转换子程序；转换结束进入下一采样周期。

图5是频率转换子程序流程图。对A/D转换的数字量进行数据处理后给定时器1赋初值，从端口GP1输出频率随A/D转换的数字量变化，且频率范围为3KHz-10KHz的0、1方波信号。所述0、1方波信号输出给自动舵控制器，实现舵角信号的反馈。

Claims (3)

1.一种数字式舵角信号变送器，包括用于检测船舶的舵角信号的电位器，其特征在于：所述的变送器还包括用于将电压信号转换成频率信号的单片机、用于提供供电电源的电源模块，所述的单片机包括：用于采集电位器的电压信号的信号采集模块、用于将电压信号转换成数字信号的A/D转换模块、用于将A/D转换模块输出的数字信号进行数据处理的数据处理模块、用于将处理后的信号转换成频率信号的频率转换模块、用于将转换后的频率信号输出的频率输出模块；所述电源模块连接电位器和单片机，所述的电位器连接信号采集模块，所述的信号采集模块连接A/D转换模块，所述的A/D转换模块连接数据处理模块，所述的数据处理模块连接频率转换模块，所述的频率转换模块连接频率输出模块。

2.如权利要求1所述的数字式舵角信号变送器，其特征在于：所述的电位器为旋转式电位器。

3.如权利要求1或2所述的数字式舵角信号变送器，其特征在于：所述的A/D转换模块为4通道10位A/D转换器。

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