简易船载航海数据记录仪S_VDR的设计与实现

1、Automation &Instrumentation 2007(2仪器仪表装置简易船载航海数据记录仪 S-VDR 的设计与实现文章编号 :1001-9944(200702-0001-03陈兵 , 于芳涛(天津市工业自动化仪表研究所 , 天津 300060摘要 :从性能标准要求、 系统原理与功能、 系统结构组成等几个方面对简易船载航海数据 记录仪 (S-VDR 进行了简单的介绍。 并介绍了运用模块化的设计思想实现的 S-VDR 系统。 该系统综合应用了嵌入式工控机、 单片机、 多媒体技术、 数据压缩技术及通信技术 , 可以根 据不同船舶的要求进行配置 , 对于远洋船舶和沿海船舶均有使用

2、价值。 关键词 :简易型航海数据记录仪 ; 嵌入式系统 ; 模块化设计 中图分类号 :TP216文献标志码 :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; 修订日期 :2007-01-06作者简介 :陈兵 (1981- , 男 , 学士 , 助理工程师 , 研究方

5、向为工业自动化控制领域。简易船载航海数据记录 仪 (S-VDR 是 根 据 国 际海事组织 (IMO 在 SOLAS 公约新增第 V/20.2条 款 1而研制的一种用于记录和保存船舶航行过程中 重要信息参数的智能设备。船舶安装 S-VDR 主要 是以一种安全和可恢复的方式 , 保持存储有关船舶 发生事故前后一段时间的船舶位置、动态、物理状 况、 命令和操作的信息 , 以便用于随后确定事故原因 的调查。本文介绍的以嵌入式工控机为主体的 S-VDR 系统 , 充分考虑我国船舶的实际情况和技术条件 , 运用嵌入式工控机、 单片机和计算机通信技术 ,采用模块化结构 , 并对各种设备的通信接口都进行 了

6、系统的设计 , 不同船舶可以根据具体要求进行配 置。 具有技术先进、 结构简单、 实用性强的特点 , 对于 我国推广应用航行数据记录仪具有重要意义。1系统组成原理及功能S-VDR 系统结构如图 1所示 , 系统主要由下列几个部分组成。(1 S-VDR 主机 , 这里指用于数据采集的嵌入 式工控机。34自动化与仪表 2007(2仪器仪表装置(2 数据保护容器 (PDC , 俗称黑匣子 , 用于存 储最终数据。(3 电源箱 , 给 S-VDR 主机提供电源 , 内含 电 池组 , 以保证掉电后 2小时的系统运行需要。(4 麦克风组 , 用于记录声音数据。(5 报警面板 , 提供声光和文字的报警信息

7、。 (6 各种记录数据的接口电路板 , 包括音频 , 视 频和串口设备。(7 回放再现设备 , 用于数据的回放。简易航行数据记录仪的主要功能是船舶固定数 据的固化、 船舶动态信息和操作信息的采集记录 2。 同时 , 记录仪还提供系统自检和故障报警功能。 详细 功能介绍如下 :1 固定数据的固化固定数据指船舶名称、 船舶国际编码、 船舶呼号 等固定数据资料。航行数据记录仪将固定数据固化 在记录仪中长期保存 , 并备份在最终记录介质中。 可 用回放装置读出 , 但不能随意变更。2 船舶数据采集通过 12路 RS422隔离串口 , 采集船舶航行的状态和数据 , 并将这些数据记录到数据保护容器的 最终

8、存储介质中。强制性记录数据 3如表 1所示。a. 音频采集 通过 19路麦克风单元 , 可实现对驾驶室内各个工位和驾驶室外相关部位的声音记录。并可以同 时记录 13路 VHF 电台 , 指挥电话等设备的声音信 号。音频频率的响应范围为 :150Hz 6000Hz 。b. 图像数据采集备有雷达视频接口 , 可采集单色 /彩色雷达并 可 实 现 对 其 图 像 进 行 记 录 。 分 辨 率 640×350-1280×1024; 刷新频率 60Hz 85Hz 4; 采集时间间隔为 15s 。c. 数据存储所有采集的数据可同时分别存储在主存储体和 备份存储体中 , 两个存储体都有

9、相应的保护措施 , 防 止对已记录的数据进行删除和篡改。d. 自检功能系统启动时 , 具有系统完整性检测功能 , 并给出 当前是否正常运行的状态指示。 工作不正常时 , 能给 出报警。e. 回放功能通过播放设备再现记录在存储体内的数据 , 主 存储体和备份存储体存储数据都可以通过网络接口 下载 , 并通过回放软件重放。2硬件设计S-VDR 主机的设计 :根据 S-VDR 系统的性能 要求和船舶航海行业的特点 , S-VDR 系统在设计上充分考虑了系统的可靠性、低故障率和易维护性。S-VDR 主机作为整个系统的核心 , 在这方面有着举足 轻 重 的 作 用 。 本 S-VDR 系 统 把 主 机

10、 CPU , 4块 AC97声 卡 , 1路 视 频 采 集 卡 , 4路 232串 口 , 12路 485串口 , 8路 DI , 8路 DO 集成设计在一块主机板上 , 尽可能减少系统部件。 同时具有低功耗无风扇设 计 , 采用 CF 卡作为存储设备 , 把一切容易出现故障 的计算机部件都排除在系统之外。在硬件上保证了 系统的品质 , 即使出现故障 , 大部分都可以通过整板 替换而得到解决 , 大大提高了系统的可维护性 , 缩减 了维修时间。数据保护容器的设计 :数据保护容器在设计过表 1记录数据Tab.1record data序号 2345678数据名称 日期和时间 船位船速 艏向桥楼音

11、频 VHF 通信 音频雷达视频 AIS 数据 数据来源 全球定位 系统全球定位 系统 计程仪 电罗经麦克风 VHF 电台 雷达船舶自动 识别系统数据格式(ZDA IEC61162-1(GNS , DTM IEC61162-1(VBW IEC61162-1AND2(HDT IEC61162-2S-VDR 要求强制 强制 强制 强制 强制 强制有输出强制 , 没有 , 可 以用 AIS 数据代替 在没有雷达输出接口 时 , 强制35Automation &Instrumentation 2007(2仪器仪表装置程 中 以 IEC60945环 境 性 能 要 求 和 IEC61996幸 存

12、能力要求为依据 , 能在经受了下列情况后保证最终 记录介质的数据可被恢复并且没有丢失。(1 冲击 :50g 的半正弦脉冲 , 持续 11ms 。 (2 穿刺 :250Kg 并带有 100mm 直径尖头的物 体 , 从 3m 高处落下。(3 耐火 :260 的低温火烧 10h , 1100 高温火 烧 1h 。(4 深海压力和潜水 :浸没在海水中经受 60MPa 的压力 (相当于 6000m 水深 。数据保护容器在可靠性和功耗设计上 , 选用ARM 结构的系统板 , 采用宽温的电子存储芯片作为其存储介质。声音采集功能的硬件设计 :系统所要安装的麦 克风很多 , 为了弥补系统声卡数量的不足 , 在

13、保证录 音质量的前提下 , 采用了如下的设计方法 , 一块声卡 的硬件接线图如图 2所示。在录音的方式上采用的是 line in 录音 , 混音板 上可以根据实际效果调节线路的增益 , 以达到最佳 录音效果。为了测试 MIC 是否正常 , 在每个 MIC 中 内置了一个 1KHz 的扬声器 , 通过 DO , 系统软件能 控制扬声器发声。系统通过让指定的一个扬声器发 声 , 然后分析回录的声音数据的方式来判断相应的 麦克风的好坏。 另外需要说明的是 , 之所以选择三路 混一路 , 是通过实验证明的 , 这种连接方式的录音效 果完全符合产品的技术要求。3软件设计系统的程序组主要由以下几个部分组成

14、 :(1 S-VDR 主控程序系统的主控软件完成系统的初始化、 系统自检、 其它功能模块的加载、 数据 的采集、 报警信息管理等功能 , 系统的检测功能 (硬件看门狗 。(2 视频压缩模块主要完成视频信号的压缩(JPEG 2000的压缩算法 。l 音频压缩功能 , 主要完成麦克风数据的压缩功能 (G722音频压缩算法 。2 PDC 管理模块 , 主要功能是把最终需要保护的数据写入 PDC , 完成数据正确性的校验及实时监 测 PDC 的状态 , 提供给主控程序。3 系统校时功能 , 根据 GPS 的时间信息 , 完成对系统时间的校时功能。4 数据备份模块 , 主要功能是完成把保护数据写入备份存

15、储芯片的功能。5 S-VDR 系统配置程序 , 完成系统正常运行的信息配置功能 , 同时完成船舶固定数据的固化功能。6 S-VDR 数据回放程序 , 完成对保存数据的回放 , 现场再现功能。(3 S-VDR 主控软件的设计主控软件采用面向对象的、 模块化的设计思想 , 根据功能划分成若干 个相对独立功能模块。各模块通过进程间的数据通 讯技术 , 把各自的运行状态通知给其它模块。 通过这 种设计 , 任何单一模块出现问题不会影响系统的其 它模块的正常运行 , 同时主控软件又能根据各模块 的运行状态 , 合理的分配系统资源 (CPU , 内存空 间 , 并能根据其运行状态决定是否需要结束并重新 载

16、入这个功能模块。最后整个软件又具有看门狗功 能 , 一旦整个系统瘫痪 , 硬件看门狗将在 40s 后重 新启动系统。系统软件的流程图如图 3所示。4结语系统经过实验调试表明其功能和性能可以达到海事局 船舶航行数据记录仪技术条件和检验程序 5相关要求 , 并取得了中国船级社 (CCS 的型式认可证书。 目前 , 该产品已经在国内外多艘船上实际 应用 , 运行效果良好。(下转第 44页 36Automation &Instrumentation 2007(2参考文献 :11997国际海事组织 A.861(20 号决议案 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黄建设 . 新型船舶操作信息记录器系统原理及技术措施 J. 中国航海 , 2000, (2 :11-15.3船载航行数据记录仪 (VDR 性能要求、检验方式及合格的检验 结果 Z. 国际电工委员会 , 国际电工标准 IEC61996.4王世远 . 航海雷达与 ARPAM. 大连 :大连海事大学出版社 , 1999. 5中华

18、人民共和国交通部海事局 . 船舶航行数据记录仪技术条件和检验程序 Z.2001.(上接第 36页 总线与网络 比令牌总线网大。3样板网络的组建制作的通讯模块板如图 3。采用 P89V51单片机 , PLCC44封装 ; 图中下部为电源模块 , 为系统提供 +5V 、 +15V 电压 ; 中部是载 波芯片及外围电路 , 对载波信号进行功率放大、 滤 波等 ; 上部是与设备的通讯接口 , 通过 RS232与家 庭网络设备相连。 家庭网络控制中心上位机界面如 图 4, 通过它对家庭网络中的设备选择控制或状态 查询。基于控制源是信号或信息 , 家电一般可分为两 种类型 :开关型和信息型。 排风扇、 引水机、 电动窗帘 和灯具等属于前者 , 而有信息交互的诸如空调、 微波 炉等属于后者。 基于这种分类 , 制定了设备类控制协 议 , 并建立家庭网络样板屋 , 通讯节点上连接两种类 型家电设备 , 经实际运行 , 网络状况良好。4结语本文设计了一种介质访问方法 , 以解决低速电力载波芯片 PL2102不宜有复杂的介质访问