航行值班时, 驾驶员除了要专注于船舶周围的航行状态, 还要通过各种报警设备来注意船舶自身的安全状
态及仪器设备的运行状态。由于报警装置众多, 又分布在驾驶室内各个位置, 因而在报警信号产生时, 值
班驾驶员需要花费一定的时间查找报警源, 从而延长了处理紧急情况的时间。[1]考虑到安全配员的影响,
当只有一位驾驶员在驾驶台值班时, 同一时间可能存在多种报警, 而这些报警设备的报警信号源有的多达
几十种, 过多繁杂的报警信息会增加值班驾驶员的工作负担和精神压力, 且其分布范围已大大超过值班人
员的视觉范围, 对于查找报警信号源极为不利, 对船舶的航行安全造成了严重影响。如何能够在短时间内
对如此多的报警信息进行管理一直是航运界关注的问题。
1 需求分析
2009年12月2日, 国际海事组织 (IMO) 第26届大会通过了决议A.1021 (26) -2009年报警器和指示器规则,
它对船舶报警的定义、报警优先等级的划分、各报警优先等级的视觉和听觉信号等做出了相关规定。部分
定义与规定如下:报警是指需要加以注意的不正常的情况和状况;优先级是指就严重性、功能、后果而言,
报警的顺序;报警分为四个优先等级, 分别是紧急警报、警报、警告和警示。报警听觉信号应满足以下要
求:能发出紧急报警、警报中的火灾报警、警报中除火灾报警外的其它报警、警告等满足国际标准要求的
声音信号;声音频率范围为200-2 500Hz;脉冲频率范围为0.5-2.0Hz;声级范围为75-95d B, 且应在距报警
器1米处至少高于环境噪声10d B。
船舶综合报警系统是信息化综合船桥的安全保障模块和报警中心管理平台, 它将驾驶台所有的报警信息集
中起来按照不同的优先等级来显示, 且不同优先级的报警具有不同的视觉和听觉显示, 并具有报警管理功
能, 如报警确认和一键消音。当同一时间存在多种报警时, 值班驾驶员就可以根据不同的报警视觉或听觉
显示来判断其报警优先级, 可以很容易区分并发现报警源, 进而在最短的时间内采取相应措施应对紧急情
况。系统会根据当前存在的优先级最高且最新的报警来发出对应的报警提示音, 这部分功能是由报警器来
实现的。经调研, 目前市场上并不存在完全符合国际标准的船舶综合报警器, 因此设计一款符合国际标准
的船舶综合报警器十分必要。
一般船舶综合报警器都会利用蜂鸣器作为其发声器件, 据调研目前市场上主要由压电式和电磁式两种类型
的蜂鸣器。按照是否包含驱动模块, 蜂鸣器还可分为有源和无源两种。其中, 有源蜂鸣器内含驱动模块,
接通电源就能发出声响, 但只能发出一种报警提示音;无源蜂鸣器需要靠外部的驱动才能发出声响, 而且
可以发出多种报警声音, 这主要取决于驱动电路类型。根据需求, 选取压电式无源蜂鸣器作为基础硬件,
利用单片机和自行设计的驱动电路来控制蜂鸣器发出相应的报警提示音, 以达到仅仅通过改变软件通讯协
议中的相关参数而不需改变任何硬件设备就能使报警器发出不同类型、不同声音频率、不同脉冲频率和不
同声级大小的报警提示音的目的。
2 报警器的逻辑组成及其工作原理
船舶综合报警器主要由通信、控制、发声及电源四个部分组成, 如图1所示。通信部分主要作用是完成上
位机与报警器之间的通信功能, 如通信协议串口语句的接收、校验与解析等。控制部分主要作用是完成对
声音信号的波形、频率、声级等参数的控制。发声部分在控制部分的参数控制下, 发出相应的报警提示音
。电源部分的主要作用是为其它部分提供相应的电压。
图1 船舶综合报警器的组成图
图1 船舶综合报警器的组成图 下载原图
船舶综合报警器是综合报警系统的终端发声设备, 主要功能为根据上位机通过串口下发的控制指令实现对
音频波形、声音频率、脉冲频率、声级及蜂鸣器状态的控制, 进而通过蜂鸣器发出相应符合国际标准的报
警提示音。该报警器能够满足如下性能标准:驱动电路可以产生满足国际相关标准的6种音频波形, 分别对
应着不同的报警提示音;报警提示音的声音频率介于200-2 500Hz之间;报警提示音按照指定音频波形进行
一次完整变化的周期为0.5-2.0s, 即声音信号的脉冲频率介于0.5-2Hz;报警提示音声级在75-95d B范围内
。
综合报警系统工作站与报警器之间的串口通信协议符合NMEA0183协议标准, 其语句为$BUZZER, xx, x,
xxxx, xxxx, xx, xx, x*hh<CR><LF>, 详细信息如表1所示。
表1 串口通信协议 下载原表
表1 串口通信协议
3 主要硬件设计
船舶综合报警器整个硬件电路结构组成如图2所示。
图2 船舶综合报警器硬件组成图
图2 船舶综合报警器硬件组成图 下载原图
3.1 通信部分
通信部分由ST3232芯片构成的电平转换电路组成, 实现单片机与上位机通信功能。将MCU中的串行口引脚
引出, 通过双列直插DIP封装的MAX232芯片完成电平转换, 最终接至标准的RS232串行接口, 实现与上位机
通过RS232通信的硬件基础, 其电路原理图如图3所示。
图3 通信部分电路原理图
图3 通信部分电路原理图 下载原图
3.2 控制部分
控制部分由STC12C5A60S2单片机与继电器驱动芯片SN75451组成, 主要实现解析上位机控制指令、产生规
定的声音频率与音频波形及控制继电器开关等功能。蜂鸣器需要一定的方波驱动电路才可发声, 频率可以
由555定时器或者单片机产生, 声音频率需通过指令进行调节。由于555定时器产生固定脉冲频率后调节起
来比较复杂困难, 因此考虑使用单片机内部集成的PWM输出模块进行脉冲输出, 比较方便灵活且可以通过
程序直接控制。采用SCT12C5A60S2双列直插DIP封装单片机作为主控芯片, 负责处理接收到的控制指令,
用于控制PWM模块的波形频率输出, 同时与放大部分相连接, 为发声部分提供音频源。其中P1.7引脚与
SN75451芯片连接用于驱动继电器开关, 其电路原理图如图4所示。
3.3 发声部分
发声部分由JRC4556构成的负反馈功率放大电路和播放控制继电器及无源蜂鸣器组成, 主要实现PWM方波信
号的放大整形和声音的播放功能。单片机方波输出信号电压最高为5V, 驱动电流较小仅为几个毫安, 不足
以驱动蜂鸣器, 因此必须增加功率放大电路对单片机输出的方波信号进行放大。发声部分采用JRC4556作
为运放电路, 信号通过Signal处接入, 通过C2电容隔直后进入运放电路, 由R1与RV1构成的电压负反馈电
路对输入信号进行放大至12V。再通过C3电容对波形进行整形后, 通过继电器与蜂鸣器相连接, 从而驱动
蜂鸣器发出相应的报警提示音, 其电路原理图如图5所示。
图4 控制部分电路原理图
图4 控制部分电路原理图 下载原图
图5 发声部分电路原理图
图5 发声部分电路原理图 下载原图
3.4 电源部分
电源部分由开关电源组成, 开关电源可以产生+5V直流电源为单片机供电, 同时产生±12V电源为功率放大
电路供电, 以驱动蜂鸣器发声。电源部分输入电压为+12V-+14V, 输入电压经过FT1滤波器后进入电路, 经
过LM7809和LM7805两级降压后得到单片机所使用的直流5V电压, 其最大电流可达1A, 完全满足报警器功率
需求。运放电源由C6电容处引出, 供给JRC4556使用, 其电路原理图如图6所示。
图6 电源部分电路原理图
图6 电源部分电路原理图 下载原图
4 主要软件设计
船舶综合报警器软件功能分为两大部分, 分别是串口命令解析与发送部分和可调报警频率产生部分。串口
命令解析与发送部分对上位机发送的控制指令, 进行校验和解析, 提取出有效的控制参数传递给控制函数
, 同时采集当前的设备状态, 封装成为回执指令通过串口发送给上位机。报警频率产生部分根据串口部分
提供的控制参数, 产生不同类型的报警提示信号, 软件框图如图7所示。
图7 软件框图
图7 软件框图 下载原图
C语言有结构化、能产生高效代码等优势, 可以大幅度加快开发进度, 特别是开发一些复杂的应用系统。
[2]系统软件代码是采用C语言和Source Insight 3编码工具完成的, 并在Windows XP环境下利用Keil2 C
编译工具完成代码的编译工作。软件部分的主程序主要完成系统的初始化, 包括继电器的初始化、系统参
数初始化、串口初始化、定时器0初始化、定时器1初始化及PWM初始化, 并通过单片机外部中断和定时中
断来调取具有相应功能的子程序, 从而完成对整个程序的控制功能, 主程序流程图如图8所示。
图8 主程序流程图
图8 主程序流程图 下载原图
5 结束语
本文所设计的船舶综合报警器作为综合报警系统的一个终端发声设备, 根据自定义的符合NMEA0183标准的
通信协议, 仅仅通过改变软件通信协议的相关参数而不需改变任何硬件设备, 就可以实现发出符合国标准
的不同波形、频率、声级的报警提示音, 满足船级社和国际海事组织 (IMO) 对船舶报警设备的要求。由
于采用了高性能的STC12C5A60S2型号单片机, 控制不同波型驱动电路来触发蜂鸣器发出不同种类的报警提
示音, 报警反应迅速、性能稳定可靠, 已在设备调试和测试过程中取得了满意的效果。