基于AVR单片机的船舶气象仪测试系统的设计与实现

摘要：针对船舶气象仪保障维修而设计的船舶气象仪测试系统，包括信息处理终端、主仪器检测模块、传感器检测模块，各个模块都采用基于AVR单片机的嵌入式系统，模块之间通过CAN总线进行通信。结果表明，船舶气象仪测试系统能够快速检测船舶气象仪故障，与单纯依靠人工方式排查故障相比，故障检测时间缩短了60％以上。
关键词：船舶气象仪保障维修；船舶气象仪测试系统；AVR单片机；CAN总线

    船舶气象仪是船舶导航系统设备之一，可测量船舶所在位置海区的风速、风向、温度、湿度、气压等多项气象要素，可向船舶的导航系统传送实时的气象参数。船舶气象仪一旦出现故障，将会影响船舶操作人员对各种气象要素的估计和判断，甚至导致航行船舶失控、搁浅、触礁、倾覆等严重事故。为了保障船舶气象仪能够时刻处于良好的状态，需要先进的测试技术和便携式的测试设备对船舶气象仪的运行情况进行检测。但是，目前市面上还没有出现一套完整的测试系统来完成对现有船舶气象仪的检测任务，以满足船舶操作人员的使用和保障需求。针对目前船舶上普遍使用的气象仪器专门设计的船舶气象仪测试系统，能够很好地完成船舶气象仪的故障测试任务，缩短船舶气象仪的测试诊断时间，满足船舶气象仪的快速维修要求，其操作简便，测试效率高，大大降低了气象仪的维修费用。

1 系统总体设计
    在分析船舶气象仪软硬件原理和结构的基础上，充分考虑船舶的维修环境，确定了便携式、模块化设计思想。由于船舶气象仪主要由主仪器和各种气象要素传感器两大部分组成，因此分别设计了主仪器检测模块和传感器检测模块。信息处理终端是船舶气象仪测试系统的控制核心，提供人机交互界面和操作按键，响应用户的操作命令并显示检测信息。系统总体框图如图1所示。图中虚线框内为检测对象，虚线箭头表示船舶气象仪测试系统进行自检测时的连接方向。

    考虑到船舶工作环境相对恶劣，加上电子装备甚多，电磁干扰严重，因此船舶气象仪测试系统各模块之间采用CAN总线进行通信。CAN总线是一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的网络通信控制方式。

2 系统工作原理
2．1 检测船舶气象仪主仪器
    利用船舶气象仪测试系统可以对船舶气象仪主仪器进行逐级测试，从而对主仪器及其内部功能模板是否故障作出快速判断。
    检测时，主仪器检测模块仿真输出3档(低档、中档、高档)传感器信号，维修人员按照从内到外或者从外到内的顺序将其逐级连接到船舶气象仪主仪器相应的接插件上，同时观察船舶气象仪显示屏上风速、风向、温度、湿度、气压的测量数据，如果这些测量数据跟随船舶气象仪测试系统设定值的变化而变化，可以确定这一级没有故障，否则可以确定故障就在这一级。
2．2 检测船舶气象仪传感器
    利用船舶气象仪测试系统可以对船舶气象仪传感器信号进行实时监测，从而对传感器及其传输线路是否故障作出快速判断。
    检测时，传感器检测模块检测传感器信号，信息处理终端显示实时测量值和检测结果，维修人员按照操作规程使传感器信号发生一个特定的变化，信息处理终端根据传感器信号是否发生了预期的变化，得出传感器是否故障的诊断结果。
2．3 船舶气象仪测试系统自检测
    船舶气象仪测试系统自检测可以排除船舶气象仪测试系统本身故障的可能。检测时，把主仪器检测模块和传感器检测模块分别连接到船舶气象仪测试系统信息处理终端的CAN总线接口上，并把主仪器检测模块的风、温湿、压的输出接口与传感器检测模块对应的输入接口连接起来。信息处理终端接收传感器检测模块的采样数据，并与主仪器检测模块输出的数据比较，根据二者是否一致，得出船舶气象仪测试系统本身是否故障的诊断结果。

3 系统硬件电路设计
3．1 信息处理终端硬件组成
    信息处理终端硬件设计结构框图如图2所示，由微处理器、显示屏、按键、CAN总线接口电路、供电单元组成。信息处理终端微处理器选用Atmel公司AVR单片机AT90CANl28，它内部资源丰富，集成了A／D转换器，CAN控制器，因而只需少量外围测量电路便可组成集控制、通信功能于一体的单片系统，既减小了系统的规模，又提高了系统的可靠性。供电采用外接交流220 V电源和可充电锂电池2种方式。

    主仪器检测模块和传感器检测模块的微处理器也选用AT90CANl28，供电方式与信息处理终端相同。
3．2 主仪器检测模块硬件组成
    主仪器检测模块的主要功能是提供多种接口插座适配各类接插件，仿真输出各类传感器信号，包括风速、风向、温度、湿度、气压信号。为了与船舶气象仪测试系统其他模块通信，设计了CAN总线接口电路。主仪器检测模块硬件设计结构框图如图3所示。

3．3 传感器检测模块硬件组成
    传感器检测模块的主要功能是提供多种接口插座适配各类接插件，对各类传感器信号进行调理，包含的气象要素信号与主仪器检测模块相同，只是处理电路不同。传感器检测模块硬件设计结构框图如图4所示。

4 系统软件设计
4．1 设计方法
    系统软件设计采用AVR Studio+Winavr的集成开发平台。AVR Studio是在Windows 9x／Me／NT／2000／XP操作系统下编写和调试AVR应用程序的嵌入式开发环境(IDE)，Winavr是一组开放源代码的程序集，用于AVR系列单片机的开发，AVR Studio配合Winavr能够支持AVR C／C++程序的编辑、编译、连接以及生成目标代码，同时配合Atmel公司设计的实时在片仿真器JTAGICE mkⅡ能够实现系统的在线硬件仿真调试功能和目标代码的下载功能。
4．2 信息处理终端程序
    信息处理终端根据用户的按键操作，向船舶气象仪测试系统检测模块发送检测命令，根据检测模块发回的反馈数据及时更新检测信息。信息处理终端主程序流程图如图5所示。

4．3 主仪器检测模块程序
    主仪器检测模块按照信息处理终端的指令仿真输出传感器信号，代替实际传感器与船舶气象仪主仪器接插件连接，对主仪器传感器接口及其内部通道、主仪器内部各个相关模块进行检测，并将检测结果反馈到CAN总线上。主仪器检测模块主程序流程图参见图6。

4．4 传感器检测模块程序
    传感器模块按照信息处理终端的指令采集传感器信号，对信号进行计算处理后，将数据返回给信息处理终端。传感器检测模块主程序流程图参见图7。

5 结束语
    针对目前船舶上普遍使用的气象仪器进行专门设计的船舶气象仪测试系统，克服了人工排查故障费时费力的缺点，降低了维修难度，提高了维修效率，从而能够满足普通船舶操作人员的使用和保障需求。