專利名稱：數(shù)字式舵角信號變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及船舶導(dǎo)航的一種舵角信號測量變換裝置，尤其是 一種舵角信號變送器。(二) 背景技術(shù)近年來，我國的船舶制造技術(shù)，特別是自動舵控制技術(shù)得到了快 速的發(fā)展。而舵角信號的測量精度對整個控制系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作 用。傳統(tǒng)的舵角測量裝置一般是采用旋轉(zhuǎn)式電位器，通過測量電位器 的輸出電壓信號獲得舵角，將測量的電壓信號直接傳送到自動舵控制 器進(jìn)行處理，實現(xiàn)舵角反饋功能。但是現(xiàn)代船舶制造的船體越來越大， 舵葉到控制室的距離越來越長，電壓信號在遠(yuǎn)距離傳送過程中，不可 避免的存在著導(dǎo)線壓降、沿途信號干擾，降低了舵角反饋信號的測量 精度，嚴(yán)重影響了自動舵系統(tǒng)的控制性能。 一般的解決測量電壓信號
遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆椒ㄊ?1)將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號；(2)電壓信號 轉(zhuǎn)換成電流信號。壓頻轉(zhuǎn)換技術(shù)是解決信號遠(yuǎn)程傳送的方法之一。但采用現(xiàn)有的壓 頻轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計的電路受溫度影響比較大，對外部電阻、電容要求比 較高，特別是外接的單穩(wěn)電阻對電路的轉(zhuǎn)換精度影響比較大；而實際 舵艙控制室的溫度、濕度、震蕩等工作條件相當(dāng)惡劣，所以傳統(tǒng)的壓 頻轉(zhuǎn)換技術(shù)在船舶舵角信號測量系統(tǒng)中并沒有得到很好的應(yīng)用。電壓 電流轉(zhuǎn)換技術(shù)可以解決傳輸導(dǎo)線降壓的問題，但高精度電壓電流轉(zhuǎn)換 器件成本較高，對光電隔離器件的線性度要求高?；谶@些原因，目前船舶舵角信號測量反饋系統(tǒng)中廣泛采用的仍然是簡單的電位器電壓信號測量技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容為了克服已有的船舶舵角信號測量系統(tǒng)的抗干擾能力弱、轉(zhuǎn)換精 度低和信號隔離處理難的不足，本實用新型提供一種抗干擾能力強(qiáng)、 轉(zhuǎn)換精度高、容易實現(xiàn)信號隔離的數(shù)字式舵角信號變送器。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種用于檢測船舶舵角位置的數(shù)字式舵角信號變送器，所述的變 送器包括用于將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的單片機(jī)、用于提供供電電 源的電源模塊，所述的單片機(jī)包括用于采集電位器的電壓信號的信 號采集模塊、用于將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換模塊、用于 將A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊、用于將處 理后的信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的頻率轉(zhuǎn)換模塊、用于將轉(zhuǎn)換后的頻率信 號輸出的頻率輸出模塊；所述電源模塊連接電位器和單片機(jī)，所述的 電位器連接信號采集模塊，所述的信號采集模塊連接A/D轉(zhuǎn)換模塊， 所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊連接數(shù)據(jù)處理模塊，所述的數(shù)據(jù)處理模塊連接頻 率轉(zhuǎn)換模塊，所述的頻率轉(zhuǎn)換模塊連接頻率輸出模塊。進(jìn)一步，所述的電位器為旋轉(zhuǎn)式電位器。再進(jìn)一步，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊為4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器。所述的頻率轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為頻率隨數(shù)字量變化的0、 1 方波信號。本實用新型的技術(shù)構(gòu)思為舵角測量信號經(jīng)數(shù)字式轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行 遠(yuǎn)程傳送的全數(shù)字式舵角測量。在進(jìn)行具體的模塊設(shè)計時，考慮實際產(chǎn)品的使用情況，舵角的測 量采用旋轉(zhuǎn)式電位器，根據(jù)電位器上輸出的電壓值實時反映舵葉的轉(zhuǎn) 動位置。為了解決電壓信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膲航蹬c干擾問題，考慮將電
壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號進(jìn)行傳輸，測量得到的電壓信號經(jīng)過單片機(jī)轉(zhuǎn) 化為頻率信號傳送給自動舵控制器做數(shù)據(jù)處理以產(chǎn)生控制信號?？紤] 船舶實際的工作環(huán)境比較惡劣，在進(jìn)行具體的器件選擇時，選用穩(wěn)定性能比較好、設(shè)計簡單、在工業(yè)廣泛應(yīng)用的PIC系列單片機(jī)。考慮實際產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性、使用過程的方便性，同時又能滿足自動舵系統(tǒng)實際精度要求的PIC12F675單片機(jī)實現(xiàn)電壓信號的頻率轉(zhuǎn)換。該芯片 是微芯公司首創(chuàng)的8引腳的8位機(jī)，特別適用于要求產(chǎn)品性能高、體 積小的場合。內(nèi)部嵌有4MHZ的高精度震蕩器可以滿足一般場合對工 作頻率的要求，也可以選擇外接振蕩電路，最高可以支持20MHZ晶 振的工作頻率。更為重要的是該芯片內(nèi)置有4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器， 在進(jìn)行舵角信號的采樣時就無需外接A/D轉(zhuǎn)換器使得電路設(shè)計簡單， 適合在船舶舵機(jī)艙的惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。本實用新型設(shè)計采用高精 密的旋轉(zhuǎn)式電位器，單片機(jī)外接20MHZ的晶振，以定時器計時的方 式輸出頻率信號，測量轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到0.5度。本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在1、轉(zhuǎn)換精度高；2、采用純 數(shù)字方式實現(xiàn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出給控制器的頻率信號容易實現(xiàn)隔 離。(四)
圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是電源供電電路圖；圖3是單片機(jī)接口電路圖；圖4是系統(tǒng)主程序流程圖；圖5是頻率轉(zhuǎn)換子程序流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。 參照圖1， 一種數(shù)字式舵角信號變送器，所述的變送器包括用于檢測船舶的舵角信號的電位器1，用于提供供電電源的電源模塊2和用于將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的單片機(jī)3。所述的單片機(jī)3包括 用于采集電位器的電壓信號的信號采集模塊4、用于將電壓信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換模塊5、用于將A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號 進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊6、用于將處理后的信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的 頻率轉(zhuǎn)換模塊7、用于將轉(zhuǎn)換后的頻率信號輸出的頻率輸出模塊8;所 述電源模塊2連接電位器1和單片機(jī)3，所述的電位器1連接信號采 集模塊4，所述的信號采集模塊4連接A/D轉(zhuǎn)換模塊5，所述的A/D 轉(zhuǎn)換模塊5連接數(shù)據(jù)處理模塊6，所述的數(shù)據(jù)處理模塊6連接頻率轉(zhuǎn) 換模塊7，所述的頻率轉(zhuǎn)換模塊7連接頻率輸出模塊8。所述的電位器1為旋轉(zhuǎn)式電位器。所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊5為10 位A/D轉(zhuǎn)換器。所述的頻率轉(zhuǎn)換模塊7將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為頻率隨數(shù)字 量變化的0、 l方波信號。參照圖1，本設(shè)計的數(shù)字式舵角信號變送器包括負(fù)責(zé)對船舶舵葉 位置進(jìn)行測量的信號采集電路，采樣的電壓信號經(jīng)過PIC單片機(jī)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換、信號處理，并將其轉(zhuǎn)換成頻率信號的PIC單片機(jī)接口電路， 信號傳送電路。另外、還有給單片機(jī)和測量電路供電的電源電路，為 單片機(jī)提供20MHZ的外接晶振電路。由這些電路構(gòu)成整個舵角信號 測量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。圖2是單片機(jī)和測量電路的供電電路。實際船舶控制臺上一般提 供24V的供電電壓，本電路設(shè)計是將24V電壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)5V電壓， 為單片機(jī)和測量電路供電。電路圖包括兩個部分，上圖是對供電電路 進(jìn)行濾波處理；下圖是將24V電源轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)5V電壓。圖3是單片機(jī)接口電路，本實用新型采用工作性能穩(wěn)定、設(shè)計簡 單的PIC12F675單片機(jī)作為舵角信號測量，壓頻轉(zhuǎn)換的處理芯片。 PIC12F675是微芯公司最先推出的8引腳8位機(jī)，適用于對產(chǎn)品體積、 性能要求比較高的工業(yè)現(xiàn)場。圖3左端是PIC單片機(jī)的外接晶振電路， 該電路可以為單片機(jī)提供20MHZ的工作頻率。PIC單片機(jī)本身還內(nèi)置 4MHZ的內(nèi)部晶振，為提高轉(zhuǎn)換精度，本實用新型設(shè)計采用工作頻率 為20MHZ的外接晶振電路。圖3中電位器Wl安裝在舵機(jī)上，隨舵機(jī)轉(zhuǎn)動，通過電位器Wl 采集舵機(jī)角度信號，采集的電壓信號接入PIC12F675單片機(jī)的GP0端 口， PIC12F675單片機(jī)通過內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換器對采樣信號進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成頻率隨數(shù)字量 變化的0、 l方波信號，并由GP1端口輸出給舵角控制器，.實現(xiàn)舵角 信號的反饋。圖4是系統(tǒng)主程序流程圖。程序開始對各功能模塊進(jìn)行初始化， 包括定時計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器、端口設(shè)置等；將采樣周期賦值給定時 器0;然后讀取GPO端口進(jìn)行采樣并啟動A/D轉(zhuǎn)換；A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束調(diào) 用頻率轉(zhuǎn)換子程序；轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)入下一采樣周期。圖5是頻率轉(zhuǎn)換子程序流程圖。對A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理后給定時器1賦初值，從端口 GP1輸出頻率隨A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量變 化，且頻率范圍為3KHz—lOKHz的0、 1方波信號。所述0、 1方波 信號輸出給自動舵控制器，實現(xiàn)舵角信號的反饋。
權(quán)利要求1、一種數(shù)字式舵角信號變送器，包括用于檢測船舶的舵角信號的電位器，其特征在于所述的變送器還包括用于將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的單片機(jī)、用于提供供電電源的電源模塊，所述的單片機(jī)包括用于采集電位器的電壓信號的信號采集模塊、用于將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換模塊、用于將A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)處理模塊、用于將處理后的信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的頻率轉(zhuǎn)換模塊、用于將轉(zhuǎn)換后的頻率信號輸出的頻率輸出模塊；所述電源模塊連接電位器和單片機(jī)，所述的電位器連接信號采集模塊，所述的信號采集模塊連接A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊連接數(shù)據(jù)處理模塊，所述的數(shù)據(jù)處理模塊連接頻率轉(zhuǎn)換模塊，所述的頻率轉(zhuǎn)換模塊連接頻率輸出模塊。
專利摘要一種數(shù)字式舵角信號變送器，包括用于檢測船舶的舵角信號的電位器、用于將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的單片機(jī)、用于提供供電電源的電源模塊，單片機(jī)包括用于采集電位器的電壓信號的信號采集模塊、用于將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換模塊、用于將A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)處理模塊、用于將處理后的信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的頻率轉(zhuǎn)換模塊、用于將轉(zhuǎn)換后的頻率信號輸出的頻率輸出模塊；電源模塊連接電位器和單片機(jī)，電位器連接信號采集模塊，信號采集模塊連接A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊連接數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊連接頻率轉(zhuǎn)換模塊，頻率轉(zhuǎn)換模塊連接頻率輸出模塊。本實用新型抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、容易實現(xiàn)信號隔離。
文檔編號G01D5/12GK201016704SQ2007201066
公開日2008年2月6日 申請日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者立 俞, 徐建明, 李長喜, 熊遠(yuǎn)生 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)