基于AVR單片機(jī)的船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)船舶氣象儀保障維修而設(shè)計(jì)的船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)，包括信息處理終端、主儀器檢測(cè)模塊、傳感器檢測(cè)模塊，各個(gè)模塊都采用基于AVR單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，模塊之間通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。結(jié)果表明，船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)能夠快速檢測(cè)船舶氣象儀故障，與單純依靠人工方式排查故障相比，故障檢測(cè)時(shí)間縮短了60％以上。
關(guān)鍵詞：船舶氣象儀保障維修；船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)；AVR單片機(jī)；CAN總線(xiàn)

    船舶氣象儀是船舶導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備之一，可測(cè)量船舶所在位置海區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓等多項(xiàng)氣象要素，可向船舶的導(dǎo)航系統(tǒng)傳送實(shí)時(shí)的氣象參數(shù)。船舶氣象儀一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)影響船舶操作人員對(duì)各種氣象要素的估計(jì)和判斷，甚至導(dǎo)致航行船舶失控、擱淺、觸礁、傾覆等嚴(yán)重事故。為了保障船舶氣象儀能夠時(shí)刻處于良好的狀態(tài)，需要先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)和便攜式的測(cè)試設(shè)備對(duì)船舶氣象儀的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)。但是，目前市面上還沒(méi)有出現(xiàn)一套完整的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)現(xiàn)有船舶氣象儀的檢測(cè)任務(wù)，以滿(mǎn)足船舶操作人員的使用和保障需求。針對(duì)目前船舶上普遍使用的氣象儀器專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)，能夠很好地完成船舶氣象儀的故障測(cè)試任務(wù)，縮短船舶氣象儀的測(cè)試診斷時(shí)間，滿(mǎn)足船舶氣象儀的快速維修要求，其操作簡(jiǎn)便，測(cè)試效率高，大大降低了氣象儀的維修費(fèi)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    在分析船舶氣象儀軟硬件原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分考慮船舶的維修環(huán)境，確定了便攜式、模塊化設(shè)計(jì)思想。由于船舶氣象儀主要由主儀器和各種氣象要素傳感器兩大部分組成，因此分別設(shè)計(jì)了主儀器檢測(cè)模塊和傳感器檢測(cè)模塊。信息處理終端是船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的控制核心，提供人機(jī)交互界面和操作按鍵，響應(yīng)用戶(hù)的操作命令并顯示檢測(cè)信息。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。圖中虛線(xiàn)框內(nèi)為檢測(cè)對(duì)象，虛線(xiàn)箭頭表示船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行自檢測(cè)時(shí)的連接方向。

    考慮到船舶工作環(huán)境相對(duì)惡劣，加上電子裝備甚多，電磁干擾嚴(yán)重，因此船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)各模塊之間采用CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。CAN總線(xiàn)是一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的網(wǎng)絡(luò)通信控制方式。

2 系統(tǒng)工作原理
2．1 檢測(cè)船舶氣象儀主儀器
    利用船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)船舶氣象儀主儀器進(jìn)行逐級(jí)測(cè)試，從而對(duì)主儀器及其內(nèi)部功能模板是否故障作出快速判斷。
    檢測(cè)時(shí)，主儀器檢測(cè)模塊仿真輸出3檔(低檔、中檔、高檔)傳感器信號(hào)，維修人員按照從內(nèi)到外或者從外到內(nèi)的順序?qū)⑵渲鸺?jí)連接到船舶氣象儀主儀器相應(yīng)的接插件上，同時(shí)觀察船舶氣象儀顯示屏上風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓的測(cè)量數(shù)據(jù)，如果這些測(cè)量數(shù)據(jù)跟隨船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)設(shè)定值的變化而變化，可以確定這一級(jí)沒(méi)有故障，否則可以確定故障就在這一級(jí)。
2．2 檢測(cè)船舶氣象儀傳感器
    利用船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)船舶氣象儀傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而對(duì)傳感器及其傳輸線(xiàn)路是否故障作出快速判斷。
    檢測(cè)時(shí)，傳感器檢測(cè)模塊檢測(cè)傳感器信號(hào)，信息處理終端顯示實(shí)時(shí)測(cè)量值和檢測(cè)結(jié)果，維修人員按照操作規(guī)程使傳感器信號(hào)發(fā)生一個(gè)特定的變化，信息處理終端根據(jù)傳感器信號(hào)是否發(fā)生了預(yù)期的變化，得出傳感器是否故障的診斷結(jié)果。
2．3 船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)自檢測(cè)
    船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)自檢測(cè)可以排除船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)本身故障的可能。檢測(cè)時(shí)，把主儀器檢測(cè)模塊和傳感器檢測(cè)模塊分別連接到船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)信息處理終端的CAN總線(xiàn)接口上，并把主儀器檢測(cè)模塊的風(fēng)、溫濕、壓的輸出接口與傳感器檢測(cè)模塊對(duì)應(yīng)的輸入接口連接起來(lái)。信息處理終端接收傳感器檢測(cè)模塊的采樣數(shù)據(jù)，并與主儀器檢測(cè)模塊輸出的數(shù)據(jù)比較，根據(jù)二者是否一致，得出船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)本身是否故障的診斷結(jié)果。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3．1 信息處理終端硬件組成
    信息處理終端硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，由微處理器、顯示屏、按鍵、CAN總線(xiàn)接口電路、供電單元組成。信息處理終端微處理器選用Atmel公司AVR單片機(jī)AT90CANl28，它內(nèi)部資源豐富，集成了A／D轉(zhuǎn)換器，CAN控制器，因而只需少量外圍測(cè)量電路便可組成集控制、通信功能于一體的單片系統(tǒng)，既減小了系統(tǒng)的規(guī)模，又提高了系統(tǒng)的可靠性。供電采用外接交流220 V電源和可充電鋰電池2種方式。

    主儀器檢測(cè)模塊和傳感器檢測(cè)模塊的微處理器也選用AT90CANl28，供電方式與信息處理終端相同。
3．2 主儀器檢測(cè)模塊硬件組成
    主儀器檢測(cè)模塊的主要功能是提供多種接口插座適配各類(lèi)接插件，仿真輸出各類(lèi)傳感器信號(hào)，包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓信號(hào)。為了與船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)其他模塊通信，設(shè)計(jì)了CAN總線(xiàn)接口電路。主儀器檢測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3．3 傳感器檢測(cè)模塊硬件組成
    傳感器檢測(cè)模塊的主要功能是提供多種接口插座適配各類(lèi)接插件，對(duì)各類(lèi)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，包含的氣象要素信號(hào)與主儀器檢測(cè)模塊相同，只是處理電路不同。傳感器檢測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 設(shè)計(jì)方法
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用AVR Studio+Winavr的集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)。AVR Studio是在Windows 9x／Me／NT／2000／XP操作系統(tǒng)下編寫(xiě)和調(diào)試AVR應(yīng)用程序的嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，Winavr是一組開(kāi)放源代碼的程序集，用于AVR系列單片機(jī)的開(kāi)發(fā)，AVR Studio配合Winavr能夠支持AVR C／C++程序的編輯、編譯、連接以及生成目標(biāo)代碼，同時(shí)配合Atmel公司設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)在片仿真器JTAGICE mkⅡ能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的在線(xiàn)硬件仿真調(diào)試功能和目標(biāo)代碼的下載功能。
4．2 信息處理終端程序
    信息處理終端根據(jù)用戶(hù)的按鍵操作，向船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)模塊發(fā)送檢測(cè)命令，根據(jù)檢測(cè)模塊發(fā)回的反饋數(shù)據(jù)及時(shí)更新檢測(cè)信息。信息處理終端主程序流程圖如圖5所示。

4．3 主儀器檢測(cè)模塊程序
    主儀器檢測(cè)模塊按照信息處理終端的指令仿真輸出傳感器信號(hào)，代替實(shí)際傳感器與船舶氣象儀主儀器接插件連接，對(duì)主儀器傳感器接口及其內(nèi)部通道、主儀器內(nèi)部各個(gè)相關(guān)模塊進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果反饋到CAN總線(xiàn)上。主儀器檢測(cè)模塊主程序流程圖參見(jiàn)圖6。

4．4 傳感器檢測(cè)模塊程序
    傳感器模塊按照信息處理終端的指令采集傳感器信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后，將數(shù)據(jù)返回給信息處理終端。傳感器檢測(cè)模塊主程序流程圖參見(jiàn)圖7。

5 結(jié)束語(yǔ)
    針對(duì)目前船舶上普遍使用的氣象儀器進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)，克服了人工排查故障費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，降低了維修難度，提高了維修效率，從而能夠滿(mǎn)足普通船舶操作人員的使用和保障需求。