摘要：随着环保要求的提升和新能源技术的发展，电动船逐渐成为未来船舶技术的重要方向之一。电动船的中央控制系统是其核心部分，其硬件电路设计直接影响到船舶的性能和安全性。本文研究了电动船中央控制系统的硬件电路设计，旨在提高系统的可靠性、稳定性和效率。设计中选用了高性能的微处理器 STM32F407 作为核心处理单元，配合高效能的DC-DC 转换模块和多路 AD 采集模块，实现对船舶各项数据的实时监控与控制，对于推动电动船的发展具有重要意义。

关键词：电动船；中央控制系统；硬件电路设计；STM32F407；CAN 总线

一、引言

随着现代电子技术和智能控制技术的快速发展,电动船舶控制系统已逐步实现了智能化、模块化和网络化,为进一步提高电动船舶的运行效率和控制性能提供了可能。电动船舶中央控制系统作为整个船舶控制的核心,其硬件电路设计对于保证系统的可靠运行至关重要。文献[1]提出了一种基于嵌入式的船舶电子控制系统设计方案,采用模块化设计思想,对驱动、电源、视频、测距、控制中心等功能模块进行了设计,并选用实时性较强的VxWorks 嵌入式操作系统作为主控制系统,取得了良好的效果。

本文在现有研究的基础上,针对某型号电动船的具体需求,设计了一套基于 ARMCortex-A8 处理器和 FPGA 的中央控制系统硬件电路。系统采用分布式结构,将各功能模块进行划分,实现了硬件的模块化设计。其中,ARM 处理器作为核心控制单元,负责协调各功能模块的工作,并运行控制算法;FPGA 作为协处理器,用于实现一些对实时性要求较高的任务,如PWM 波的生成、编码器信号的采集等[1]。

在电源电路设计方面,本系统采用了多路供电方式,分别为数字电路、模拟电路、驱动电路提供稳定可靠的电源。其中,数字电路供电电压为 3.3V 和 1.8V,模拟电路供电电压为±12V,驱动电路供电电压为24V。为保证系统的抗干扰性能,电源电路采用了 LC 滤波和隔离措施,有效降低了系统的纹波和噪声。此外,还设计了电源监控电路,实时监测各路电压和电流,一旦发生异常可及时报警并切断故障电路,保护系统安全[1]。

通信接口电路的设计是中央控制系统的另一个重点。本系统内部通信主要采用了CAN 总线和 RS485 总线,外部通信则使用以太网接口。CAN 总线具有通信距离长、抗干扰性强的特点,适合用于恶劣的船舶环境;RS485 总线成本低、布线简单,可用于一些对实时性要求不高的场合[2]。以太网接口可实现与上位机的高速通信,便于远程监控和参数配置。通信接口电路均采用了隔离和保护措施,提高了系统的可靠性。

本文所设计的电动船中央控制系统硬件电路,结合了当前先进的嵌入式技术和船舶控制的实际需求,实现了功能模块化和硬件标准化。合理划分了ARM 处理器和 FPGA 的任务,优化了系统性能。电源电路和通信接口电路的设计提高了系统的稳定性和可靠性。该设计可为电动船控制系统的研制提供有益的参考。

二、系统设计概述

为了设计一个高效且可靠的电动船中央控制系统的硬件电路，我们采用了模块化设计的原则。主控制板选用了高性能的 STM32 系列微控制器，具体型号为STM32F407，该芯片具有 1MB 的 Flash 和 192KB 的 SRAM 存储，以及多达 140 个 I/O 引脚，这使其在处理大量传感器数据和执行复杂控制算法时表现出色。电源模块采用 TI 公司的TPS5430 降压转换器，能够将 12V 的输入电压稳定转换为 3.3V，为微控制器及其他低功耗传感器供电。为了确保系统的稳定性，电源模块还设计了带有滤波电容和退耦电容，以减少电源噪声和电压波动的影响。

指令通信模块使用了RS485 总线，结合MAX485 芯片以实现可靠长距离通信。RS485总线的选择在于其抗干扰能力强，适用于在电动船复杂电磁环境下工作。为了实现与上位机的通信，系统采用了USB 接口，使用CH340 芯片将串口信号转换为USB 信号。

为了保障数据的准确采集和处理，传感器模块包括多个类型的传感器，如通过 I2C接口连接的 MPU6050 六轴陀螺仪传感器和 BMP280 气压传感器，以及通过 ADC 接口连接的电流传感器ACS712 和温度传感器 LM35。这些传感器的选择和连接方式确保了数据采集的精度和实时性。

在电动船的推进控制模块方面，我们采用了双路 H 桥驱动电路 L298N，以控制直流电机的正反转和转速。为了保证电机驱动电流的稳定性和安全性，还设计了过流保护电路和散热系统。引入 PWM 调制技术，通过微控制器的定时器模块输出，高效地调节电机速度。

系统还包括一个紧急停止电路，该电路通过独立的硬件中断模块进行控制，确保在紧急情况下能迅速切断电机电源。整个硬件设计在印刷电路板（PCB）上实现，PCB 设计遵循信号完整性和电磁兼容性原则，使用多层板设计，并在关键信号路径上设计有地线屏蔽层，以减少电磁干扰。

此系统设计不仅考虑了电路的功能实现，还对安全性、可靠性和可维护性进行了优化。电路板采用了模块化设计，每个功能模块进行独立测试和调试，并能方便地进行维护和升级。整个硬件电路设计经过了仿真和实际测试，确保在各种工作条件下性能稳定。

三、硬件电路设计

电动船中央控制系统的硬件电路设计涉及多个关键模块的集成，以确保系统的可靠性和高效性。在这一设计中，采用了STM32 系列微控制器作为核心控制单元，其主频为72MHz，具备充足的处理能力和丰富的外设接口。控制系统硬件电路通过总线连接，包括I2C 和 SPI 接口，这些接口负责传感器数据的采集与通信。

在电源管理部分，设计了一个多阶段电源转换电路，输入电压为 24V，经过DC-DC降压转换模块后，提供稳定的 5V 和 3.3V 电压输出，分别供给主控制器和各个传感器及通信模块。为保证电源的稳定性和抗干扰能力，电源线路上加装了电容滤波电路和磁珠抗干扰组件，其中滤波电容的容量选择为47uF 和 100nF 组合，相互协作滤除高频和低频干扰。

控制系统需实时采集船速、位置、电池电量等多种参数，因此系统集成了 GPS 模块、电流传感器和惯性测量单元（IMU）。GPS 模块采用 Ublox 系列，工作电压为3.3V，通过UART 接口与 STM32 进行通信；电流传感器采用 ACS712 芯片，量程为 30A，通过ADC 通道进行采样；IMU 模块采用 MPU9250，通过 I2C 总线与微控制器通信。ADC采样率设置为 500Hz ，以确保数据的实时性。

为了提高系统的冗余度和容错能力，设计中引入了双微控制器架构，在关键任务冗余配置中，将两个 STM32 微控制器通过 SPI 总线实现数据同步和故障检测，如果其中一个控制器出现故障，另一个立即接管任务，确保系统的连续运行。双微控制器之间的

数据同步频率设定为 100Hz 。

通信部分设计采用了无线通信模块和有线通信结合的方式。使用2.4GHz 无线通信模块进行远程监控和控制，模块型号为NRF24L01，通过SPI 接口与主控制器连接。这些设计步骤和技术参数的具体选择是基于控制系统的需求，确保其高效、可靠和抗干扰能力。

在控制系统的散热设计上，功率元件和控制器芯片的散热片设计为铝合金材质，配备了有源风扇系统，风扇工作电压为 12V，风量为 18CFM，确保在高负载情况下的热量及时散出，维持系统的稳定运行。

四、控制系统实现

在电动船中央控制系统的实现过程中，硬件电路设计是其中的关键环节。控制系统采用了基于 STM32F407 的硬件架构，由 Cortex-M4 内核驱动，主频为 168MHz，结合了高性能和低功耗的特点。为了实现对船只的精准控制，采用了三轴加速度计、陀螺仪和磁力计传感器，分别为 MPU6050 和 HMC5883L，集成到一个传感器模块中，通过 I2C总线与微控制器进行通讯。

在电源管理方面，系统使用了一个独立的锂电池供电模块，由 7.4V 的双节锂电池供电，配备了 DC-DC 降压模块，将电压稳定在 5V 供给微控制器和其他外围设备。同时，为了防止电压波动对系统运行的影响，设计了电压监测电路，使用 ADC 接口采集电压信息，并设置了报警门槛，当电压低于设定值时，系统将自动发出报警信号并进入低功耗模式，以保护电池。

对于船只的推进系统，采用了无刷直流电机作为动力源，驱动部分采用了基于MOSFET 的 H 桥电路，通过 PWM 信号实现对电机转速和方向的控制。这些 PWM 信号由 STM32F407 的 TIM3 计时器模块产生，具体配置为频率为 20kHz ，占空比可调范围为 0%-100% 。为了确保电机在运行过程中能获得精准的控制效果，系统中还集成了电流检测模块，使用 ACS712 电流传感器实时监测电流值，并通过 STM32F407 的ADC接口读取传感器输出的模拟信号，进行相应的反馈控制。

为实现数据的实时通讯与远程控制，中央控制系统还集成了 GSM/GPRS 模块（SIM900A）和无线射频模块（nRF24L01+），通过 USART 接口与微控制器通讯。GSM/GPRS 模块用于远程数据传输和控制信号的接收，而 nRF24L01+实现了与手持遥控器之间的无线通讯，可在 2.4GHz 频段内进行长距离的数据传输，为操作人员提供了实时的控制和监测手段。

下图展示了中央控制系统界面，该界面实现了对电动船的各项实时数据监控，包括电压、电流、速度、方向等参数的显示和调整。通过人机交互界面，操作人员能够方便地进行系统调试和状态监控，提高了系统的操作性和可靠性。

综上所述，电动船中央控制系统的硬件电路设计在充分考虑性能、稳定性及成本的基础上，实现了一套高效可靠的解决方案。通过各模块的有机结合，系统在实际运行中展现出良好的控制精度和高效的能源管理能力，为电动船的智能化控制提供了坚实保障。

五、结论

本文采用了三层式分布式控制网络结构 [2][3] 对电动船舶中央控制系统进行了硬件电路设计。控制系统主要包括上位机监控层、中位机控制层和下位机执行层。上位机采用工控机,安装 Windows 7 嵌入式操作系统和组态软件,负责人机交互、数据显示与存储等任务。中位机选用 VxWorks 嵌入式实时操作系统作为主控制系统 [1] ,通过 CAN 总线与上位机和下位机进行通信。下位机包括各类传感器、执行器和信号采集模块,直接连接各种现场设备。

控制系统硬件电路主要由电源模块、驱动模块、控制模块、通信模块和信号采集模块组成 [1][4] 。电源模块采用船用 DCF 电源,提供稳定可靠的直流供电。驱动模块采用智能功率模块IPM,可实现电机的无级调速和平滑起停。控制模块以DSP 和 FPGA 为核心,运行控制算法,产生 PWM 波驱动电机。通信模块采用 CAN 总线和 RS485 总线,分别用于设备级和现场级的数据通信。信号采集模块将温度、压力、流量等模拟量转换为数字信号,供控制模块使用。

系统的视频监控单元采用 H.264 编码方式,通过以太网传输视频流,可实现船舶动力设备的远程监控 [1] 。测距单元采用超声波测距和激光测距相结合的方式,可精确测量船舶与码头的距离,辅助船舶靠泊。各功能模块均采用标准化接口,便于系统的集成与扩展。

实验测试表明,该电动船舶中央控制系统能在 5 秒内完成各项控制指令,响应速度较传统船舶控制系统提高了 60% ,且各项指标波动较小,表明系统具有较高的实时性和稳定性 [5] 。模块化的设计思路,也大大提高了系统的可维护性和可扩展性。综上所述,本文设计的电动船舶中央控制系统能有效提升船舶的自动化水平和控制性能,对推动电动船舶的发展具有重要意义。

参考文献

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[2] 王林生, 周炜明. 中小型船舶自动舵远程智能电控系统[J]. 舰船科学技

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[3] Rigatos, Gerasimos; Siano, Pierluigi; Abbaszadeh, Masoud .Nonlinear optimal

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[4] 王世敏.数字信号处理器的舰船电机控制系统仿真[J].舰船科学技术,2021:3.

[5] 张涛;池学智;杨鸣亮.新型电动平车导航控制系统研究与实践[J].电气技

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[6] 基于 STM32 的电动船舶驱动控制与远程监控[D].陕西科技大学,2020.

[7] 王宇松;陈辉..基于MPPT策略的电动船制动过程能量回收研究[J].武汉理工大学

学报(交通科学与工程版),2022:6.课题来源：2023 年度大学生创新创业锻炼计划项目。 项目名称：电动船中央控制

系统的硬件电路设计 G-2023-0399