簡易船載航海數(shù)據(jù)記錄儀S_VDR的設(shè)計與實現(xiàn)

1、Automation &Instrumentation 2007(2儀器儀表裝置簡易船載航海數(shù)據(jù)記錄儀 S-VDR 的設(shè)計與實現(xiàn)文章編號 :1001-9944(200702-0001-03陳兵 , 于芳濤(天津市工業(yè)自動化儀表研究所 , 天津 300060摘要 :從性能標(biāo)準(zhǔn)要求、 系統(tǒng)原理與功能、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成等幾個方面對簡易船載航海數(shù)據(jù) 記錄儀 (S-VDR 進(jìn)行了簡單的介紹。 并介紹了運(yùn)用模塊化的設(shè)計思想實現(xiàn)的 S-VDR 系統(tǒng)。 該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了嵌入式工控機(jī)、 單片機(jī)、 多媒體技術(shù)、 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)及通信技術(shù) , 可以根 據(jù)不同船舶的要求進(jìn)行配置 , 對于遠(yuǎn)洋船舶和沿海船舶均有使用

2、價值。 關(guān)鍵詞 :簡易型航海數(shù)據(jù)記錄儀 ; 嵌入式系統(tǒng) ; 模塊化設(shè)計 中圖分類號 :TP216文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :BDesign and Realization of the Simplified Voyage Data RecorderCHEN Bing , YU Fang-tao(Tianjin Institute of Process Automation and Instrumentation , Tianjin 300060, China Abstract :This article simply introduces the standard performance requireme

3、nt , system principle and functions , system structure of the simplified voyage data recorder .And it also introduced the design method of module to realize the S-VDR system. This system adaptedthe embed industrial computer , single chip , multimedia technology , data com-pression and data communica

4、tion technology. The system can be collocated based on the requirement of different ships.It plays an important role in ocean ship and sea boat.Key words :simplified voyage data recorder (S-VDR ; the embed system ; module design收稿日期 :2006-11-29; 修訂日期 :2007-01-06作者簡介 :陳兵 (1981- , 男 , 學(xué)士 , 助理工程師 , 研究方

5、向為工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。簡易船載航海數(shù)據(jù)記錄 儀 (S-VDR 是 根 據(jù) 國 際海事組織 (IMO 在 SOLAS 公約新增第 V/20.2條 款 1而研制的一種用于記錄和保存船舶航行過程中 重要信息參數(shù)的智能設(shè)備。船舶安裝 S-VDR 主要 是以一種安全和可恢復(fù)的方式 , 保持存儲有關(guān)船舶 發(fā)生事故前后一段時間的船舶位置、動態(tài)、物理狀 況、 命令和操作的信息 , 以便用于隨后確定事故原因 的調(diào)查。本文介紹的以嵌入式工控機(jī)為主體的 S-VDR 系統(tǒng) , 充分考慮我國船舶的實際情況和技術(shù)條件 , 運(yùn)用嵌入式工控機(jī)、 單片機(jī)和計算機(jī)通信技術(shù) ,采用模塊化結(jié)構(gòu) , 并對各種設(shè)備的通信接口都進(jìn)行 了

6、系統(tǒng)的設(shè)計 , 不同船舶可以根據(jù)具體要求進(jìn)行配 置。 具有技術(shù)先進(jìn)、 結(jié)構(gòu)簡單、 實用性強(qiáng)的特點(diǎn) , 對于 我國推廣應(yīng)用航行數(shù)據(jù)記錄儀具有重要意義。1系統(tǒng)組成原理及功能S-VDR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示 , 系統(tǒng)主要由下列幾個部分組成。(1 S-VDR 主機(jī) , 這里指用于數(shù)據(jù)采集的嵌入 式工控機(jī)。34自動化與儀表 2007(2儀器儀表裝置(2 數(shù)據(jù)保護(hù)容器 (PDC , 俗稱黑匣子 , 用于存 儲最終數(shù)據(jù)。(3 電源箱 , 給 S-VDR 主機(jī)提供電源 , 內(nèi)含 電 池組 , 以保證掉電后 2小時的系統(tǒng)運(yùn)行需要。(4 麥克風(fēng)組 , 用于記錄聲音數(shù)據(jù)。(5 報警面板 , 提供聲光和文字的報警信息

7、。 (6 各種記錄數(shù)據(jù)的接口電路板 , 包括音頻 , 視 頻和串口設(shè)備。(7 回放再現(xiàn)設(shè)備 , 用于數(shù)據(jù)的回放。簡易航行數(shù)據(jù)記錄儀的主要功能是船舶固定數(shù) 據(jù)的固化、 船舶動態(tài)信息和操作信息的采集記錄 2。 同時 , 記錄儀還提供系統(tǒng)自檢和故障報警功能。 詳細(xì) 功能介紹如下 :1 固定數(shù)據(jù)的固化固定數(shù)據(jù)指船舶名稱、 船舶國際編碼、 船舶呼號 等固定數(shù)據(jù)資料。航行數(shù)據(jù)記錄儀將固定數(shù)據(jù)固化 在記錄儀中長期保存 , 并備份在最終記錄介質(zhì)中。 可 用回放裝置讀出 , 但不能隨意變更。2 船舶數(shù)據(jù)采集通過 12路 RS422隔離串口 , 采集船舶航行的狀態(tài)和數(shù)據(jù) , 并將這些數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)保護(hù)容器的 最終

8、存儲介質(zhì)中。強(qiáng)制性記錄數(shù)據(jù) 3如表 1所示。a. 音頻采集 通過 19路麥克風(fēng)單元 , 可實現(xiàn)對駕駛室內(nèi)各個工位和駕駛室外相關(guān)部位的聲音記錄。并可以同 時記錄 13路 VHF 電臺 , 指揮電話等設(shè)備的聲音信 號。音頻頻率的響應(yīng)范圍為 :150Hz 6000Hz 。b. 圖像數(shù)據(jù)采集備有雷達(dá)視頻接口 , 可采集單色 /彩色雷達(dá)并 可 實 現(xiàn) 對 其 圖 像 進(jìn) 行 記 錄 。 分 辨 率 640×350-1280×1024; 刷新頻率 60Hz 85Hz 4; 采集時間間隔為 15s 。c. 數(shù)據(jù)存儲所有采集的數(shù)據(jù)可同時分別存儲在主存儲體和 備份存儲體中 , 兩個存儲體都有

9、相應(yīng)的保護(hù)措施 , 防 止對已記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除和篡改。d. 自檢功能系統(tǒng)啟動時 , 具有系統(tǒng)完整性檢測功能 , 并給出 當(dāng)前是否正常運(yùn)行的狀態(tài)指示。 工作不正常時 , 能給 出報警。e. 回放功能通過播放設(shè)備再現(xiàn)記錄在存儲體內(nèi)的數(shù)據(jù) , 主 存儲體和備份存儲體存儲數(shù)據(jù)都可以通過網(wǎng)絡(luò)接口 下載 , 并通過回放軟件重放。2硬件設(shè)計S-VDR 主機(jī)的設(shè)計 :根據(jù) S-VDR 系統(tǒng)的性能 要求和船舶航海行業(yè)的特點(diǎn) , S-VDR 系統(tǒng)在設(shè)計上充分考慮了系統(tǒng)的可靠性、低故障率和易維護(hù)性。S-VDR 主機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心 , 在這方面有著舉足 輕 重 的 作 用 。 本 S-VDR 系 統(tǒng) 把 主 機(jī)

10、 CPU , 4塊 AC97聲 卡 , 1路 視 頻 采 集 卡 , 4路 232串 口 , 12路 485串口 , 8路 DI , 8路 DO 集成設(shè)計在一塊主機(jī)板上 , 盡可能減少系統(tǒng)部件。 同時具有低功耗無風(fēng)扇設(shè) 計 , 采用 CF 卡作為存儲設(shè)備 , 把一切容易出現(xiàn)故障 的計算機(jī)部件都排除在系統(tǒng)之外。在硬件上保證了 系統(tǒng)的品質(zhì) , 即使出現(xiàn)故障 , 大部分都可以通過整板 替換而得到解決 , 大大提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性 , 縮減 了維修時間。數(shù)據(jù)保護(hù)容器的設(shè)計 :數(shù)據(jù)保護(hù)容器在設(shè)計過表 1記錄數(shù)據(jù)Tab.1record data序號 2345678數(shù)據(jù)名稱 日期和時間 船位船速 艏向橋樓音

11、頻 VHF 通信 音頻雷達(dá)視頻 AIS 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)來源 全球定位 系統(tǒng)全球定位 系統(tǒng) 計程儀 電羅經(jīng)麥克風(fēng) VHF 電臺 雷達(dá)船舶自動 識別系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式(ZDA IEC61162-1(GNS , DTM IEC61162-1(VBW IEC61162-1AND2(HDT IEC61162-2S-VDR 要求強(qiáng)制 強(qiáng)制 強(qiáng)制 強(qiáng)制 強(qiáng)制 強(qiáng)制有輸出強(qiáng)制 , 沒有 , 可 以用 AIS 數(shù)據(jù)代替 在沒有雷達(dá)輸出接口 時 , 強(qiáng)制35Automation &Instrumentation 2007(2儀器儀表裝置程 中 以 IEC60945環(huán) 境 性 能 要 求 和 IEC61996幸 存

12、能力要求為依據(jù) , 能在經(jīng)受了下列情況后保證最終 記錄介質(zhì)的數(shù)據(jù)可被恢復(fù)并且沒有丟失。(1 沖擊 :50g 的半正弦脈沖 , 持續(xù) 11ms 。 (2 穿刺 :250Kg 并帶有 100mm 直徑尖頭的物 體 , 從 3m 高處落下。(3 耐火 :260 的低溫火燒 10h , 1100 高溫火 燒 1h 。(4 深海壓力和潛水 :浸沒在海水中經(jīng)受 60MPa 的壓力 (相當(dāng)于 6000m 水深 。數(shù)據(jù)保護(hù)容器在可靠性和功耗設(shè)計上 , 選用ARM 結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)板 , 采用寬溫的電子存儲芯片作為其存儲介質(zhì)。聲音采集功能的硬件設(shè)計 :系統(tǒng)所要安裝的麥 克風(fēng)很多 , 為了彌補(bǔ)系統(tǒng)聲卡數(shù)量的不足 , 在

13、保證錄 音質(zhì)量的前提下 , 采用了如下的設(shè)計方法 , 一塊聲卡 的硬件接線圖如圖 2所示。在錄音的方式上采用的是 line in 錄音 , 混音板 上可以根據(jù)實際效果調(diào)節(jié)線路的增益 , 以達(dá)到最佳 錄音效果。為了測試 MIC 是否正常 , 在每個 MIC 中 內(nèi)置了一個 1KHz 的揚(yáng)聲器 , 通過 DO , 系統(tǒng)軟件能 控制揚(yáng)聲器發(fā)聲。系統(tǒng)通過讓指定的一個揚(yáng)聲器發(fā) 聲 , 然后分析回錄的聲音數(shù)據(jù)的方式來判斷相應(yīng)的 麥克風(fēng)的好壞。 另外需要說明的是 , 之所以選擇三路 混一路 , 是通過實驗證明的 , 這種連接方式的錄音效 果完全符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。3軟件設(shè)計系統(tǒng)的程序組主要由以下幾個部分組成

14、 :(1 S-VDR 主控程序系統(tǒng)的主控軟件完成系統(tǒng)的初始化、 系統(tǒng)自檢、 其它功能模塊的加載、 數(shù)據(jù) 的采集、 報警信息管理等功能 , 系統(tǒng)的檢測功能 (硬件看門狗 。(2 視頻壓縮模塊主要完成視頻信號的壓縮(JPEG 2000的壓縮算法 。l 音頻壓縮功能 , 主要完成麥克風(fēng)數(shù)據(jù)的壓縮功能 (G722音頻壓縮算法 。2 PDC 管理模塊 , 主要功能是把最終需要保護(hù)的數(shù)據(jù)寫入 PDC , 完成數(shù)據(jù)正確性的校驗及實時監(jiān) 測 PDC 的狀態(tài) , 提供給主控程序。3 系統(tǒng)校時功能 , 根據(jù) GPS 的時間信息 , 完成對系統(tǒng)時間的校時功能。4 數(shù)據(jù)備份模塊 , 主要功能是完成把保護(hù)數(shù)據(jù)寫入備份存

15、儲芯片的功能。5 S-VDR 系統(tǒng)配置程序 , 完成系統(tǒng)正常運(yùn)行的信息配置功能 , 同時完成船舶固定數(shù)據(jù)的固化功能。6 S-VDR 數(shù)據(jù)回放程序 , 完成對保存數(shù)據(jù)的回放 , 現(xiàn)場再現(xiàn)功能。(3 S-VDR 主控軟件的設(shè)計主控軟件采用面向?qū)ο蟮摹?模塊化的設(shè)計思想 , 根據(jù)功能劃分成若干 個相對獨(dú)立功能模塊。各模塊通過進(jìn)程間的數(shù)據(jù)通 訊技術(shù) , 把各自的運(yùn)行狀態(tài)通知給其它模塊。 通過這 種設(shè)計 , 任何單一模塊出現(xiàn)問題不會影響系統(tǒng)的其 它模塊的正常運(yùn)行 , 同時主控軟件又能根據(jù)各模塊 的運(yùn)行狀態(tài) , 合理的分配系統(tǒng)資源 (CPU , 內(nèi)存空 間 , 并能根據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)決定是否需要結(jié)束并重新 載

16、入這個功能模塊。最后整個軟件又具有看門狗功 能 , 一旦整個系統(tǒng)癱瘓 , 硬件看門狗將在 40s 后重 新啟動系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件的流程圖如圖 3所示。4結(jié)語系統(tǒng)經(jīng)過實驗調(diào)試表明其功能和性能可以達(dá)到海事局 船舶航行數(shù)據(jù)記錄儀技術(shù)條件和檢驗程序 5相關(guān)要求 , 并取得了中國船級社 (CCS 的型式認(rèn)可證書。 目前 , 該產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)外多艘船上實際 應(yīng)用 , 運(yùn)行效果良好。(下轉(zhuǎn)第 44頁 36Automation &Instrumentation 2007(2參考文獻(xiàn) :11997國際海事組織 A.861(20 號決議案 Z.1997.IMO Briefing of Maritime Saf

17、ety Committee 72nd session IMO Briefing of Maritime Safety Committee 73rd session IMO Briefing of Maritime Safety Committee 74th session 2黃建設(shè) . 新型船舶操作信息記錄器系統(tǒng)原理及技術(shù)措施 J. 中國航海 , 2000, (2 :11-15.3船載航行數(shù)據(jù)記錄儀 (VDR 性能要求、檢驗方式及合格的檢驗 結(jié)果 Z. 國際電工委員會 , 國際電工標(biāo)準(zhǔn) IEC61996.4王世遠(yuǎn) . 航海雷達(dá)與 ARPAM. 大連 :大連海事大學(xué)出版社 , 1999. 5中華

18、人民共和國交通部海事局 . 船舶航行數(shù)據(jù)記錄儀技術(shù)條件和檢驗程序 Z.2001.(上接第 36頁 總線與網(wǎng)絡(luò) 比令牌總線網(wǎng)大。3樣板網(wǎng)絡(luò)的組建制作的通訊模塊板如圖 3。采用 P89V51單片機(jī) , PLCC44封裝 ; 圖中下部為電源模塊 , 為系統(tǒng)提供 +5V 、 +15V 電壓 ; 中部是載 波芯片及外圍電路 , 對載波信號進(jìn)行功率放大、 濾 波等 ; 上部是與設(shè)備的通訊接口 , 通過 RS232與家 庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連。 家庭網(wǎng)絡(luò)控制中心上位機(jī)界面如 圖 4, 通過它對家庭網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備選擇控制或狀態(tài) 查詢?；诳刂圃词切盘柣蛐畔?, 家電一般可分為兩 種類型 :開關(guān)型和信息型。 排風(fēng)扇、 引水機(jī)、 電動窗簾 和燈具等屬于前者 , 而有信息交互的諸如空調(diào)、 微波 爐等屬于后者。 基于這種分類 , 制定了設(shè)備類控制協(xié) 議 , 并建立家庭網(wǎng)絡(luò)樣板屋 , 通訊節(jié)點(diǎn)上連接兩種類 型家電設(shè)備 , 經(jīng)實際運(yùn)行 , 網(wǎng)絡(luò)狀況良好。4結(jié)語本文設(shè)計了一種介質(zhì)訪問方法 , 以解決低速電力載波芯片 PL2102不宜有復(fù)雜的介質(zhì)訪問