船舶训练系统液晶仪表的嵌入式仿真研究

SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol. 41, No. 11ANov. , 2019

船舶训练系统液晶仪表的嵌入式仿真研究

金永福

(淮安信息职业技术学院，江苏 淮安 223003)

摘 要: 为了满足现代大型舰船操纵人员的培养与训练需求，目前，基于虚拟现实技术的船舶训练系统已经

获得了非常广泛的应用。液晶仪表是虚拟训练系统与被训人员的交互界面，其性能具有重要意义。本文研究的主要内容是船舶训练系统的嵌入式液晶仪表系统，研究了包括液晶仪表的总体设计、嵌入式芯片、仪表数据采集模块、脉冲信号控制电路模块以及液晶仪表的亮度调节电路等，具有一定的实际应用价值。

关键词：训练系统；液晶仪表；嵌入式；脉冲电路；控制电路中图分类号：U665.1 文献标识码：A

文章编号： 1672 – 79(2019)11A – 0055 – 03 doi：10.3404/j.issn.1672 – 79.2019.11A.019

Research on embedded simulation of LCD instrument in training system

JIN Yong-fu

(School of Mechanical Engineering, Huaian Vocational College of Information Technology, Huaian 223003, China)Abstract: In order to meet the training and training needs of modern large-scale naval ship operators, the ship trainingsystem based on virtual reality technology has been widely used. LCD instrument is the interactive interface between virtualtraining system and trainees, and its performance is of great significance. The main content of this paper is the embeddedLCD instrument system of ship training system. The research includes the overall design of LCD instrument, embedded chip,instrument data acquisition module, pulse signal control circuit module and brightness adjustment circuit of LCD instrument,etc. It has certain practical application value.

Key words: training system；liquid crystal instrument；embedded；pulse circuit；control circuit

0 引　言

随着舰船工业的技术进步以及自动化电气设备的不断发展，大型船舶的结构与功能越来越复杂，船载设备的种类和数量也越来越多，一方面促进了现代船舶的自动化水平，另一方面也提高了舰船的检修与维护难度。通常船舶锅炉人员为了更好地完成工作任务，必须要进行系统的船舶操作训练，提高船员的专业知识和操作技能。船员训练需要耗费大量的时间成本和技术成本，为了解决这一问题，世界各国的船舶工业领域都投入了大量的精力去开发船舶模拟训练系统。

船舶模拟训练系统是指利用虚拟仪器、嵌入式技术等，模拟船舶机舱等核心位置的操作界面，使受训人员在模拟训练系统中提升专业技能。模拟训练系统能够有效地降低船员的训练成本，同时提高船员的训

练效率，目前已经获得了广泛的应用。船舶模拟训练系统具有安全、高效、节能等优点，也是未来船舶操作人员学习的主要途径。

本文研究的主要内容是船舶模拟训练系统的仪表设计，由于训练系统的液晶仪表是船员与训练系统信息交互的主要途径，具有非常重要的应用价值。本文结合嵌入式技术，对船舶训练系统液晶仪表的整体架构进行设计，并针对液晶仪表的数据采集、信号控制电路等进行了详细的介绍。

1 船舶训练系统及液晶仪表交互界面

目前，船舶模拟训练系统的应用主要集中在船舶电站操作训练以及船舶机舱操作训练两部分，其中，船舶机舱含有大量的操作开关以及操作界面，对受训人员的技能水平有较高的要求。船舶操作人员不仅要

收稿日期: 2019 – 09 – 14

作者简介: 金永福(1973 – )，男，硕士，副教授，研究方向为机械电子及嵌入式系统。

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舰 船 科 学 技 术

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对机舱的各类数据信号进行分析和处理，还需要针对特定的故障信号，及时有效地做出操作指令。因此，船舶机舱模拟训练系统具有重要意义。

船舶机舱模拟训练系统不仅要模拟机舱的控制电路逻辑，还需要对机舱内部布局和仪表显示器等内部构造高度对应，提升受训人员的水平。

图1为船舶机舱操控界面的实物图。

图 1 船舶机舱操控界面的实物图

Fig. 1 Physical chart of ship engine room control interface

船舶机舱模拟训练系统的交互界面可以分为两部分：1）受训人员在实际场景中的应急操作界面，主要操作开关如启停机、倒车等；2）受训人员在船舶机舱出现故障信号时，受训人员通过故障处理界面，进行信号诊断与处理，并做出相应正确合理的操作。系统出现的故障主要包括电路故障等，要求船舶模拟训练系统的液晶界面具有显示灯和控制开关等，显示舰船正常运行与否。

2 船舶机舱训练系统液晶仪表的嵌入式仿真研究

2.1 机舱模拟训练系统液晶仪表的总体设计

为了使受训人员能够准确了解船舶机舱当前的工作状态，机舱模拟训练系统的组合仪表具有重要的意义。液晶组合仪表不仅要显示机舱内部各部件的相关信息，保障机舱内部正常运行，还需要保障信息的高效传递，因此，机舱模拟训练系统采用了CAN总线节点，用以保障机舱内部数据传输。

模拟训练系统的CAN节点将传感器传递来的数据信号转送给船舶机舱的主控制器，然后将主控制器发生的指令传递给机舱的其他部件。本文在设计船舶机舱模拟训练系统的仪表时，考虑将CAN节点的功能赋予仪表，实现的功能主要包括：

1）数据的接收、发送和传递功能，即具有CAN节点的功能；

2）船舶发动机的转速显示功能，以及船舶航行速

度显示功能；

3）船舶机舱的燃油量、冷却系统的温度、润滑机油的含量显示；

4）船舶发动机故障报警、油液不足报警功能；5）船舶里程显示功能；6）船舶灯光控制开关功能。

机舱模拟训练系统的组合仪表整体设计原理如图2所示。

图 2 机舱模拟训练系统的组合仪表整体设计原理图Fig. 2 Integral design principle of composite instruments for

engine room simulated training system

2.2 训练系统液晶仪表的主控模块

主控模块是虚拟训练系统液晶仪表的控制核心，为了提高数据运算和信息处理的性能，本文结合嵌入式控制技术，采用MCP2510控制器作为控制核心，该控制器是一种带有SPI接口的CAN网络协议控制器，是由美国Microchip Technology公司研发。

MCP2510控制器内部集成了4个信号发送缓冲器和信号接收缓存器，信号传输速率可达8 Mb/s，其特点如下：

1）MCP2510控制器发送缓冲器和接收缓冲器可以对信号的优先级别进行程序控制，从而确保重要的信息能够优先发送和接收；

2）该嵌入式控制器集成了信号滤波功能，可以过滤接收信号的噪声，提高信号处理精度；

3）MCP2510控制器具有良好的中断控制能力；4）这个控制器采用了功耗较低的工艺技术，工作电压为3～5 V。

该控制芯片与CAN协议转换器和脉冲宽度调制器共同工作，保障了虚拟机舱训练系统的仪表正常运行，图3为基于该芯片的仪表控制原理图。

2.3 脉冲信号控制电路设计

虚拟训练系统的液晶仪表需要采集大量的脉冲信号，比如船舶机舱的电磁感应式、可变磁阻式和霍尔式传感器采集的转速信号等，因此，有必要对仪表的脉冲信号控制电路进行设计。

本文设计的脉冲信号控制电路如图4所示。

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图 3 基于MCP2510控制器仪表控制原理

Fig. 3 Instrument control principle based on MCP2510 controller

图 4 脉冲信号控制电路Fig. 4 Pulse signal control circuit

2.4 训练系统液晶仪表的调节电路

为了调节训练系统液晶仪表的背光灯亮度，本文基于PWM脉宽调制技术设计了液晶仪表的背光灯调节电路。

PWM是一种脉宽调制波，可以控制波形的周期相位等信息，PWM的脉宽调制原理如图5所示。

可知，PWM模块利用低通滤波和信号匹配等，调节训练系统液晶仪表的亮度控制信号，改变电流的大小以及线路的电阻时，实现液晶仪表背光灯的长亮、长暗、闪烁等功能。

图 5 PWM的脉宽调制原理图Fig. 5 PWM principle diagram

3 结　语

船舶机舱模拟训练系统能够提高船舶操作人员的训练效率，降低训练周期和成本，在实际应用中取得了良好的效果。本文针对船舶机舱模拟训练系统的组合仪表，进行了基于嵌入式控制技术的优化设计，重点探究了液晶组合仪表的控制器原理，脉冲控制电路以及背光灯调节电路。本文设计不仅提高了船舶机舱模拟训练系统的仪表功能，还使液晶仪表具备了CAN总线节点的功能，提高了模拟训练系统的数据传

输水平，具有重要的实际应用价值。

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