柴油機監控電路板的製作方法
2023-05-09 12:31:31 2
專利名稱：柴油機監控電路板的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種適用於船舶駕駛室控制主機的柴油機監控電路板。
背景技術：
工業應用中經常需要實現控制室的控制主機與各分散的控制系統之間的通信。例如在船舶上，主機操作單元設在駕駛室中，柴油機距控制主機數百米，柴油機的機旁控制系統ECS就在柴油機上，在以往的控制主機中，實現控制主機和ECS的數百米的信號連接是用上百根I/O電纜，不僅施工不便、調試維護困難。此外，控制主機還包括各種顯示儀表和控制各照明燈或指示燈的燈板、監控顯示板等，要實現對這些設備的控制，僅靠I/O電纜有限的信息傳輸率是無法滿足的，並且難以實現自動化和智能化。
現場總線技術是為解決這一問題而產生的一種控制網絡，它將專用微處理器置入傳統的測量控制系統，使它們各自具有了數字計算和數字通訊能力，採用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量或控制系統連接成網絡系統，並按公開、規範的通信協議，在位於現場的多個微機化測量控制設備之間及現場儀表與遠程監控計算機之間，實現數據傳輸與信息交換，形成各種適應實際需要的自動控制系統。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種基於現場總線，抗幹擾能力強、可靠性高、數據傳輸速度快、維修更換方便的柴油機監控電路板。
本實用新型為解決上述技術問題而而提供一種柴油機監控電路板，安裝於柴油機監控箱內，與駕駛室操縱平臺的一主機操作單元、顯示儀表以及CAN總線相連接，所述CAN總線上連接有柴油機控制系統，它包括微處理器、存儲模塊、至少一個CAN總線接口模塊、開關量輸入模塊和DAC模擬量輸出模塊。其中開關量輸入模塊，與所述主機操作單元連接，用於輸入主機操作單元的操作指令；至少一個CAN接口模塊，向CAN總線提供差動發送功能和差動接收功能，並按標準自動完成物理層和數據鏈路層的所有功能；微處理器，分別與所述開關量輸入模塊和所述至少一個CAN總線接口模塊連接，用於採集開關量輸入信號、並經由CAN總線與所述柴油機控制系統通信；DAC模擬量輸出模塊，其輸入口與所述微處理器連接，其輸出口與所述顯示儀表連接，用於輸出模擬量信號供所述顯示儀表使用；存儲模塊，與所述微處理器連接。
所述的柴油機監控電路板還包括開關量輸出驅動模塊，其輸入端與所述微處理器連接，其輸出端與一燈板連接，用於控制與燈板連接的燈。
所述的柴油機監控電路板還包括具有多個解碼輸出端的地址解碼器，其輸入口與所述微處理器連接，其多個解碼輸出端分別連接到所述存儲模塊、至少一個CAN總線接口模塊以及開關量輸出驅動模塊連接。
所述的柴油機監控電路板包括預設CAN總線接口模塊和冗餘CAN總線接口模塊，還包括具有兩路電源輸出的電源隔離模塊，所述電源隔離模塊的兩路電源輸出分別與所述的預設現場CAN接口模塊和冗餘CAN總線接口模塊連接。
所述的柴油機監控電路板還包括一作為監控電路板輸入輸出口的連接器，所述連接器分別與所述開關量輸入模塊、DAC模擬量輸出模塊和至少一個CAN總線接口模塊連接。
所述的柴油機監控電路板還包括一作為監控電路板輸入輸出口的連接器，所述連接器分別與所述開關量輸入模塊、開關量輸出驅動模塊、DAC模擬量輸出模塊和至少一個CAN總線接口模塊連接，以實現和外部設備的高速通信。
所述的柴油機監控電路板還包括一復位電路模塊，分別與所述微處理器及至少一個CAN總線接口模塊連接。
上述的CAN總線上還連接一監測顯示單元，所述微處理器監測所述CAN總線接口模塊是否正常工作，並將結果經由CAN總線傳輸給所述監測顯示單元顯示和使用。
上述的開關量輸入模塊還包括多個用於監測控制主機工作電源的電源監測信號輸入口，所述微處理器將監測結果傳輸給所述監測顯示單元顯示和使用。
概括說來，該柴油機監控電路板具有的兩路CAN接口，負責將駕駛室的主機操作單元的各種操作指令轉換成CAN數位訊號傳送到柴油機控制系統ECS，接收由ECS傳送的數位訊號並轉換後輸出模擬量和開關量信號供駕駛室的顯示儀表、燈板指示用；還具有系統工作電源監測功能、網絡診斷切換功能(能準確地診斷出網上哪一處設備故障)，並將監測報警信號通過總線送至監測顯示單元進行顯示和應用；另外具有調光和試燈功能。該監控板板採用貼片元件，採用快速連接器，具有安裝尺寸小、功耗低、抗幹擾能力強、溫度範圍寬(0℃到55℃，適於船用)、功能齊全、可靠性高、數據傳輸速度快、維修更換方便等特點。
以下結合
本實用新型的具體實施方式
，其中圖1是包括本實用新型柴油機監控板一個實施例的駕駛室控制主機連接示意圖；圖2是圖1中主機操作單元示意圖；圖3是圖1所示實施例的柴油機監控板結構框圖；圖4是圖1所示實施例的柴油機監控板電原理圖。
具體實施方式
圖1是包括本實用新型柴油機監控板一個實施例的駕駛室控制主機連接示意圖，在圖1中，CAN總線400(Controller Area Network)是現場總線的一種，它具有抗幹擾能力強的特點，其上連接有本實用新型柴油機監控板100、柴油機控制系統ECS 500和一監測顯示單元600。本實用新型柴油機監控板100與主機操作單元200、顯示儀表310和燈板320連接。監控板100接收ECS 500的一準備就緒的信號，通知主機操作單元200使其上的操作備便燈亮，指示操作人員可輸入操作指令，例如啟動、停止指令，監控板100將這些指令轉換成CAN數位訊號傳送到ECS 500，接收由ECS 500傳送的數位訊號並轉換後輸出模擬量和開關量信號分別供顯示儀表310和燈板320使用，顯示儀表310可顯示柴油機工作時的諸如轉速等參數。在一個實施例中，如圖2，主機操作單元200上包括對燈板的加亮度、減亮度和試燈(所有的帶燈亮且蜂鳴器鳴音，用於系統檢查)按鈕，以通過監控板100實現對與燈板320連接的各燈的控制。在一個實施例中，監測顯示單元600用於顯示CAN總線狀態以及電源監測和報警，這將在以下說明書中描述。
請參閱圖2，本實施例柴油機監控板100包括微處理器102、存儲模塊104、開關量輸入模塊106、DAC模擬量輸出模塊108、開關量輸出驅動模塊110、CAN接口模塊112和113，以及地址解碼器114。
開關量輸入模塊106用於採集操作輸入信號輸入給微處理器102，微處理器102根據操作指令輸出相應數據經由CAN總線(400或410)傳輸給ECS 500以控制柴油機。ECS 500可經由總線(400或410)返回柴油機的諸如轉速等相關工作信息，微處理器102處理這些信息，並由DAC模擬量輸出模塊108和開關量輸出驅動模塊110分別輸出模擬量信號和開關量信號，DAC模擬量輸出模塊108將DAC後的模擬量信號的輸出放大，供顯示儀表310使用，開關量輸出驅動模塊110用於開關量信號的鎖存、輸出驅動連接在燈板320上的燈。存儲模塊104是作為微處理器102的存儲擴展，用於存放現場數據和中間運算結果。CAN接口模塊112和113用於向CAN總線400和410提供差動發送功能和差動接收功能，並按標準自動完成物理層和數據鏈路層的所有功能。
監控板100還可包括地址解碼器114，它與微處理器102的地址線相連接，用於譯出不同的選通地址，輸出給存儲模塊104、開關量輸出驅動模塊110和CAN接口模塊112和113作為選通信號。當然，地址解碼器114並不是必須的，只要微處理器102的地址線足夠，就可不必利用地址解碼器114來產生選通信號，地址解碼器114不應理解為本實用新型的限定。
現結合圖3的電原理圖詳細說明本實用新型的實施例。圖中信號接線端的「×」表示數字電源，「o」表示模擬電源。
在圖3中，微處理器102可採用ADUC812，即圖中的D1，ADUC812是全集成的12位數據採集系統，它包含了自校準多通道ADC和兩個DAC，並包含3個I/O口P0、P1、P2，其中P0作為數據接口，P2作為地址接口，而P0口復用為低位地址與P2構成16位地址A0-A15，以便尋址較大的外接存儲器。存儲模塊104包括一型號為CY6264-70SC的RAM D3，其具有8K的存儲容量，因此需要至少13位尋址。其數據接口D0-D7與數據總線120連接，地址接口與地址總線122的A0-A12地址線連接，並且存儲模塊104還包括一鎖存器D2，用於鎖存低位地址信號A0-A7。
地址解碼器114由一片型號為74HC139的二/四解碼器D4、一個電容組成，它與A13-A15地址線連接，用於解碼出不同的選通地址，地址分別為存儲模塊104的0000H、預設CAN接口模塊112的2000H、冗餘CAN接口模塊113的4000H和開關量輸出驅動模塊110的6000H。
開關量輸入模塊106具有6路作為操作指令輸入開關量信號輸入端，分別為柴油機的啟動、停止、燈板的加亮度、減亮度和試燈以及報警應答。開關量輸入模塊106由兩片型號為74HC14的六施密特觸發反相器D7和D8、一片型號為TLP621-4的四路光電耦合器D11、一隻9-8*1K排阻、若干電阻組成。其中操作指令直接從反相器輸入端輸入。
DAC模擬量輸出模塊108可由一片型號為LM158的放大器構成，其輸入與微處理器102的兩路DAC連接，其輸出供顯示儀表使用。開關量輸出驅動模塊110，由一片型號為74HC373的八D鎖存器D12、四片型號為55452的正與非門驅動器D13、D14、D15和D16、一片型號為74HC02的四或非門D17(借用其中一路，即1/4D17)、一個電容組成。其中有兩路輸出可變脈寬信號用於燈板320的調光，還有兩路輸出用於燈板320的試燈，還有其他用於驅動儀表照明燈的輸出。
為了使CAN接口可靠地工作，監控板100設有冗餘的CAN接口模塊113。在正常工作時，兩CAN接口模塊112和113都同樣地傳輸數據，但以CAN接口模塊112及CAN總線400作為默認數據傳輸通道。一旦監測到此通道出現故障(監測的過程將在以下說明)，則採用冗餘的CAN接口模塊113及CAN總線410所傳輸的數據。反之，如果冗餘CAN接口模塊113出現故障，則切換到預設CAN接口模塊112。CAN接口模塊113具有與CAN接口模塊112相似的電路結構。
CAN接口模塊112(或113)的電路圖請參閱圖3所示，它可包括一片型號為SJA1000的CAN控制器D5(或D6)、一片型號為82C250的CAN控制器接口D9(或D10)、2隻型號為6N137的光電耦合器V1和V2(或V3和V4)、一個晶體振蕩器，還包括若干電阻和電容。其中的光電耦合器V1和V2(或V3和V4)採用光隔電源供電。為保證兩路CAN總線400和410是相互隔離的，並且CAN總線與監控板100在電氣上是隔離的。監控板100包括電源隔離模塊115，用於把輸入的5V數字電源電壓隔離為兩個5V工作電壓5V1和5V2，分別作為CAN總線400和CAN 410的光隔電源。電源隔離模塊115由兩片型號為DUP75-05S05的電源模塊U1和U2組成，其輸出5V1和5V2對CAN接口模塊112的光電耦合器V1、V2和CAN接口模塊113的光電耦合器V3、V4供電。
電源過濾模塊116用於利用輸入的數字電源隔離出一模擬電源，為微處理器102的DAC提供穩定的電源。電源過濾模塊116可由互相串聯的一電感、一電阻、一第一電容與一第二電容並聯組成。復位電路模塊117用於產生一個由高變低和一個由低變高的電平信號，分別對上述的微處理器102和CAN接口模塊112和113上的SJA1000CAN控制器D5和D6進行初始上電復位。該復位電路模塊117由一片型號為74HC14的六施密特觸發反相器(借用其中一路)和一片型號為74HC02的四或非門D8(借用其中一路)、一個電阻、兩個電容組成。當然，復位電路模塊117也可採用專門的復位晶片。微處理器102和CAN接口模塊112和113上的SJA1000CAN控制器D5和D6也可各自採用電阻、電容構成復位電路而不需要共用一個復位電路模塊。
監控板100還包括一快速連接器118，快速連接器118具有可靠性高、數據傳輸速度快、維修更換方便等特點，它作為整個監控板100的輸入輸出接口。上述的開關量輸入模塊106、DAC模擬量輸出模塊108、開關量輸出驅動模塊110以及CAN接口模塊112、113均與連接器118連接，並經由連接器118連接到各自的外部設備中。
監控板100通過CAN總線(400及/或410)連接監測顯示單元600，監控板100具有系統工作電源監測功能、網絡診斷切換功能，並將監測報警信號和應答信號通過總線送至監測顯示單元600進行顯示和應用，以下描述這些功能為實現系統工作電源監測功能，監控板100的開關量輸入模塊106連接有用於系統工作電源監測的3個電源信號，電源監測信號通過連接在上述的施密特觸發反相器輸入端的光電耦合器D11輸入。微處理器102經由P1.1、P1.0、P3.5口接收這些信號，處理這些監測信號並將相應數據經由CAN總線(400及/或410)傳輸給監測顯示單元600顯示。
微處理器102可通過讀取CAN控制器D5內的控制寄存器和狀態寄存器來判定CAN控制器D5和CAN總線400是否正常工作。如果微處理器102判定CAN控制器D5出現故障，則CAN控制器D5所在的CAN總線400不能正常工作，因此微處理器102將採用CAN總線410作為數據傳輸的總線，反之，若CAN總線410出現故障，則採用CAN總線400作為數據傳輸的總線。微處理器102還可採用軟體的方法監測CAN總線上連接的其他設備是否正常工作，具體過程為每個設備有明確的節點地址，設備的兩個CAN接口每隔一周期發送一個網絡激活信號，該信號是一個特殊的CAN報文，這樣在兩條總線上都能獨立監測每個設備的網絡狀態，可以監測設備是否處於活動狀態。監控板100將監測結果通過CAN總線(400及/或410)送至監測顯示單元600進行顯示和應用。
如果有設備出現故障，則監測顯示單元600可顯示報警狀態，並通過與其連接的揚聲器發出報警信號，如圖2所示，主機操作單元200上設有一報警應答按鈕，按下此按鈕，信號經由監控板100的開關量輸入模塊106輸入給微處理器102，以通知監測顯示單元解除報警狀態。
上述監控板100的各實施例均採用貼片元件構成，具有安裝尺寸小的特點。
以上的實施例說明僅為本實用新型的較佳實施例說明，本領域普通技術人員可根據本實用新型的上述實施例說明作出其它種種的修改及變化。然而這些根據本實用新型實施例所作的種種修改及變化，屬於本實用新型的權利要求所界定的專利範圍內。
權利要求1.一種柴油機監控電路板，安裝於柴油機監控箱內，與駕駛室操縱平臺的一主機操作單元、顯示儀表以及CAN總線相連接，所述CAN總線上連接有柴油機控制系統，其特徵在於包括開關量輸入模塊，與所述主機操作單元連接，用於輸入主機操作單元的操作指令；至少一個CAN接口模塊，向CAN總線提供差動發送功能和差動接收功能，並按標準自動完成物理層和數據鏈路層的所有功能；微處理器，分別與所述開關量輸入模塊和所述至少一個CAN總線接口模塊連接，用於採集開關量輸入信號、並經由CAN總線與所述柴油機控制系統通信；DAC模擬量輸出模塊，其輸入口與所述微處理器連接，其輸出口與所述顯示儀表連接，用於輸出模擬量信號供所述顯示儀表使用；存儲模塊，與所述微處理器連接。
2.如權利要求1所述的柴油機監控電路板，其特徵在於，還包括開關量輸出驅動模塊，其輸入端與所述微處理器連接，其輸出端與一燈板連接。
3.如權利要求2所述的柴油機監控電路板，其特徵在於，還包括具有多個解碼輸出端的地址解碼器，其輸入口與所述微處理器連接，其多個解碼輸出端分別連接到所述存儲模塊、至少一個CAN總線接口模塊以及開關量輸出驅動模塊。
4.如權利要求1所述的柴油機監控電路板，其特徵在於，包括預設CAN總線接口模塊和冗餘CAN總線接口模塊。
5.如權利要求4所述的柴油機監控電路板，其特徵在於，包括具有兩路電源輸出的電源隔離模塊，所述電源隔離模塊的兩路電源輸出分別與所述的預設現場CAN接口模塊和冗餘CAN總線接口模塊連接。
6.如權利要求1所述的柴油機監控電路板，其特徵在於，還包括一作為監控電路板輸入輸出口的連接器，所述連接器分別與所述開關量輸入模塊、DAC模擬量輸出模塊和至少一個CAN總線接口模塊連接。
7.如權利要求2所述的柴油機監控電路板，其特徵在於，還包括一作為監控電路板輸入輸出口的連接器，所述連接器分別與所述開關量輸入模塊、開關量輸出驅動模塊、DAC模擬量輸出模塊和至少一個CAN總線接口模塊連接。
8.如權利要求1所述的柴油機監控電路板，其特徵在於，還包括一復位電路模塊，分別與所述微處理器及至少一個CAN總線接口模塊連接。
9.如權利要求1所述的柴油機監控電路板，其特徵在於，所述CAN總線上還連接一監測顯示單元，所述微處理器監測所述CAN總線接口模塊是否正常工作，並將結果經由CAN總線傳輸給所述監測顯示單元顯示和使用。
10.如權利要求9所述的柴油機監控電路板，其特徵在於，所述開關量輸入模塊還包括多個用於監測控制主機工作電源的電源監測信號輸入口，所述微處理器將監測結果傳輸給所述監測顯示單元顯示和使用。
專利摘要本實用新型公開一種柴油機監控電路板，安裝於柴油機監控箱內，與一主機操作單元、顯示儀表以及CAN總線相連接，CAN總線上連接有柴油機控制系統，其包括開關量輸入模塊，用於輸入主機操作單元的操作指令；至少一個CAN接口模塊，向CAN總線提供差動發送功能和差動接收功能，並按標準自動完成物理層和數據鏈路層的所有功能；微處理器，用於採集開關量輸入信號、並經由CAN總線與所述柴油機控制系統通信；DAC模擬量輸出模塊，用於輸出模擬量信號供所述顯示儀表使用；存儲模塊。該監控板具有安裝尺寸小、功耗低、抗幹擾能力強、溫度範圍寬(0℃到55℃，適於船用)、功能齊全、可靠性高、數據傳輸速度快、維修更換方便等特點。
文檔編號B63H21/21GK2864760SQ200520047049
公開日2007年1月31日 申請日期2005年11月29日 優先權日2005年11月29日
發明者陳亞傑, 鄔韋, 周正萍, 陳天平, 周航, 袁木, 簡慶年, 餘天玲 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所