Bài viết giới thiệu các kết quả nghiên cứu và chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số lắp đặt trên tàu cá và tàu biển chạy tuyến nội địa của Việt Nam. Kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số đã thành công và được kiểm nghiệm bởi Trung tâm Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng 1(Cục Kỹ thuật Hải quân).
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG LA BÀN TỪ KỸ THUẬT SỐ CHO TÀU CÁ VÀ TÀU BIỂN CHẠY TUYẾN NỘI ĐỊA VIỆT NAM RESEARCHING, DESIGNING AND MANUFACTURING THE DEGITAL COMPASS SYSTEM FOR FISHING AND INLAND VESSELS IN VIETNAM PGS TS PHẠM KỲ QUANG; ThS NGUYỄN ĐÌNH THẠCH; ThS VŨ XUÂN HẬU Trường ĐHHH Việt Nam TS NGUYỄN XUÂN PHƯƠNG Trường Đại học GTVT TP Hồ Chí Minh Tóm tắt Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số lắp đặt tàu cá tàu biển chạy tuyến nội địa Việt Nam Kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số thành công kiểm nghiệm Trung tâm Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng 1(Cục Kỹ thuật Hải quân) Abstract The article introduces the results of researching and manufacturing the system of digital compass for fishing vessels and ships that are operated on domestic routes in Vietnam The results of these systems are checked successful by the Central for standards, metrology and quality № Key words: Digital compass, fishing vessels, inland vessels Đặt vấn đề Khi hành trình biển, hệ thống la bàn đóng vai trò quan trọng, giúp người biển xác định hướng tàu Hệ thống đưa tín hiệu hướng vào hệ thống máy lái tàu thủy, giúp cho tàu hướng, tiết kiệm thời gian khoảng cách ngắn [1] Trên tàu thủy đại trang bị hệ thống la bàn điện đại Nhưng điều kiện giá thành hệ thống la bàn điện lớn, nên tàu cá tàu chạy tuyến nội địa Việt Nam, thường không trang bị hệ thống la bàn điện So với hệ thống la bàn điện tàu thủy, hệ thống la bàn từ kỹ thuật số có cấu tạo đơn giản hơn, dễ sử dụng so với hệ thống la bàn điện Các thiết bị chế tạo từ linh kiện điện tử có độ tin cậy cao Hơn nữa, hệ thống la bàn từ kỹ thuật số thiết kế chế tạo thành cơng có giá thành rẻ, có chức quan trọng tương đương hệ thống la bàn điện Đã có cơng trình khoa học tác giả Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Trường Đại học Giao thơng vận tải TP Hồ Chí Minh, cơng bố liên quan đến vấn đề mà tác giả nghiên cứu, kết dừng lại nghiên cứu thiết kế phần hệ thống [3, 4] Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo hoàn thiện hệ thống la bàn từ kỹ thuật số đáp ứng trang bị tàu cá, tàu chạy tuyến nội địa Việt Nam, góp phần thực nội địa hóa sản phẩm cơng nghệ hàng hải Việt Nam [1] Thiết kế chế tạo thiết bị hệ thống 2.1 Sơ đồ khối hệ thống la bàn từ kỹ thuật số 24vdc mỈt lỈp la bµn Hệ thống la bàn từ kỹ thuật số trang sè bị tàu thủy gồm khối sau (hình 1): nmea 0183 - La bàn chủ từ số: Là thiết bị la bàn nmea nmea chủ kỹ thuật số, chức tương đương mỈt lỈp la 0183 0183 đệm tín hiệu la bàn chủ từ số bàn chØ thÞ la bàn điện, có nhiệm vụ cảm ứng từ nmea0183 kim trường Trái đất biến đổi từ trường thành nmea 24vdc tín hiệu điện truyền cho thiết bị khác 0183 24vdc output 24vdc Dữ liệu góc hướng tàu đóng gói theo tin chuẩn hàng hải NMEA0183 nguån 24Vdc - Nguồn cung cấp 24 VDC: Lấy tàu lấy từ thiết bị nguồn dự trữ chuyên dụng Hình Sơ đồ khối hệ thống la bàn từ kỹ thuật số Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 60 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 - Khối mặt lặp la bàn số: Tổ hợp nhiều mặt lặp la bàn số tàu thủy, đặt vị trí cần thiết, như: Buồng lái, buồng thuyền trưởng,… Khối mặt lặp la bàn số có chức hiển thị hướng tốc độ quay trở tàu thủy đèn Led mặt lặp - Khối mặt lặp la bàn thị kim: Là tổ hợp nhiều mặt lặp dạng kim quay, tàu thủy yêu cầu nhiều vị trí phải trang bị thiết bị để phục vụ cho nhu cầu quan sát hướng tàu Khác với mặt lặp la bàn số, thiết bị thực thị góc hướng tàu kim quay Mặt lặp kim lấy tín hiệu NMEA0183 từ la bàn chủ từ số sau quay kim thị theo giá trị góc phương vị từ la bàn chủ phát Ưu điểm mặt lặp dạng kim có độ bền cao, thẩm mỹ đẹp đặt vị trí bên ngồi với điều kiện môi trường khắc nghiệt Nhược điểm mặt lặp kim chế tạo phức tạp giá thành cao - Bộ đệm tín hiệu NMEA0183: Có tác dụng khuyếch đại tín hiệu NMEA0183 đầu vào từ la bàn chủ phát đến mặt lặp la bàn Bộ đệm có vai trò quan trọng hệ thống, để thực ghép nối thiết bị thành mạng Bộ đệm tín hiệu có đầu vào NMEA0183 đầu ra, cho phép ghép nối cho nhiều thiết bị nhận tín hiệu từ bên ngồi 2.2 Thiết kế chế tạo thiết bị la bàn chủ kỹ thuật số - Hạt nhân thiết bị la bàn chủ từ kỹ thuật số chip HMC5883L Đây chip chuyên dụng thường ứng dụng thiết bị bên điện thoại, máy định vị, Nhóm tác giả sử dụng chip HMC5883L để cảm ứng từ trường Trái đất biến đổi thành tín hiệu góc hướng tàu, đưa đến vi điều khiển Atmega8 xử lý cuối đưa liệu NMEA0183 phát tới thiết bị ngoại vi khác - IC Max485 dùng để biến đổi tín hiệu NMEA0183 từ dạng TTL phát từ vi điều khiển sang điện áp vi sai dây truyền thông với thiết bị ngoại vi khác theo mơ hình mạng truyền thơng Hình Sơ đồ mạch in, mạch điện thiết bị la bàn chủ kỹ thuật số sau thiết kế chế tạo 2.3 Thiết kế chế tạo thiết bị mặt lặp la bàn từ kỹ thuật số - Trung tâm điều khiển thiết bị mặt lặp la bàn thị số vi điều khiển Atmega16 Vi điều khiển thu nhận liệu chuẩn hàng hải NMEA0183 phát từ la bàn chủ, sau thực thuật tốn xử lý, biến đổi cuối cho hiển thị giá trị góc hướng tàu Led 1, 2, 3, - Led loại nhỏ 5, 6, 7, có tác dụng hiển thị tốc độ quay trở tàu, đơn vị tính (độ/phút) Đây thông số quan trọng bắt buộc thiết bị mặt lặp số Thông số giúp người điều khiển biết tốc độ quay tàu, từ đưa biện pháp xử lý an toàn - Trên thiết bị mặt lặp số có nút ấn S1, S2 dùng để điều chỉnh độ sáng đèn Led hiển thị mặt lặp số Để thuận lợi quan sát ban đêm cần tăng độ sáng ban ngày ngược lại - IC Max485 dùng để thu tín hiệu tin NMEA0183 từ la bàn chủ dạng điện áp vi sai biến đổi thành tín hiệu TTL giao tiếp với vi điều khiển Atmega16 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 61 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 5V U1 LM7805 IN C1 C3 104 1000uF/50V J2 OUT C2 R1 330 C4 5V OUT DC IN GND J1 1000uF/16V 104 D1 Power U2 4,7K X2 C7 22P C8 22P A1015 Q1 A2 U4 K1 K2 a K3 b K4 c K5 d K6 e K710 f K8 g p A1015 Q2 A3 U5 K1 K2 a K3 b K4 c K5 d K6 e K710 f K8 g p A1015 Q3 A4 U6 K1 K2 a K3 b K4 c K5 d K6 e K710 f K8 g p U3 K1 K2 a K3 b K4 c K5 d K6 e K710 f K8 g p ATMega16 A1015 Q4 A1 R3 1K A* ANODE Y1 12MHz X1 5V K8 K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 R6 1K X1 X2 RXD TXD ENX LED1 LED2 D+ D- R5 1K A* ANODE 5V 10uF R4 1K S1 RESET 5V A1 A2 A3 A4 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 A* ANODE MOSI MISO SCK RES C5 PB0 (XCK/T0) (ADC0) PA0 PB1 (T1) (ADC1) PA1 PB2(INT2/AIN0) (ADC2) PA2 PB3(OC0/AIN1) (ADC3) PA3 PB4(SS) (ADC4) PA4 PB5(MOSI) (ADC5) PA5 PB6(MISO) (ADC6) PA6 PB7(SCK) (ADC7) PA7 RESET AVEF VCC GND1 GND AVCC XTAL2 (TOSC2) PC7 XTAL1 (TOSC1) PC6 PD0 (RXD) (TDI) PC5 PD1 (TXD) (TDO) PC4 PD2 (INT0) (TMS) PC3 PD3 (INT1) (TCK) PC2 PD4 (OC1B) (SDA) PC1 PD5 (OC1A) (SCL) PC0 PD6 (ICP1) (OC2) PD7 R2 10k 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 A* ANODE A5 A6 A7 A8 5V J13 LED7SEG1 LED7SEG2 LED7SEG3 LED7SEG4 5V D+ BURNER D- R7 1K LED1 R11 1K R12 1K R13 1K LED2 S2 S3 A1015 Q8 A5 R88 1K A1015 Q5 A6 A1015 Q6 A7 A1015 Q7 A8 J3 NMEA INPUT LED7SEG6 LED7SEG7 U10 K1 K2 a K3 b K4 c K5 d K6 e K710 f K8 g p U11 K1 K2 a K3 b K4 c K5 d K6 e K710 f K8 g p LED7SEG8 LED7SEG5 U9 K1 K2 a K3 b K4 c K5 d K6 e K710 f K8 g p A* ANODE A* ANODE U8 K1 K2 a K3 b K4 c K5 d K6 e K710 f K8 g p D7 LED 8 R87 1K D6 LED A* ANODE MISO SCK MOSI RES A* ANODE +5V +5V R86 1K +5V R85 1K TXD DI DE RE A A B RO RXD D8 ENX B C53 10uF U7 GNDVCC + D5 MAX485 R89 +5V 1K Hình Sơ đồ nguyên lý mạch điện thiết bị mặt lặp la bàn từ kỹ thuật số Hình Sơ đồ mạch điện mặt trên, mặt thiết bị mặt lặp số sau thiết kế chế tạo 2.4 Thiết kế chế tạo mặt lặp la bàn thị kim - Trung tâm điều khiển mạch điện mặt lặp la bàn kim vi điều khiển Atmega8 Vi điều khiển thu tín hiệu NMEA0183 từ la bàn chủ thơng qua thuật tốn điều khiển, sau phát xung điều khiển làm quay cấu thị động bước, từ thị giá trị góc hướng kim quay cho người điều khiển tàu +5V +5V +5V/3A +12V R1 10K D4 4007 D8 D7 4007 4007 VS VSS U2 L298/MULTIH 1R2W 3.3n 1R2W C5 R3 L297 R2 ISENA ISENB ENA ENB D3 A B C D 13 14 4007 11 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 D6 15 13 14 IN1 IN2 IN3 IN4 4007 SYNC 10 12 4007 VREF OSC D5 CONTROL A B C D INH1 INH2 SENS1 SENS2 ATmega8-DIL28 15 16 HOME GND 22p 11 ENABLE RESET HALF/FULL CW/CCW CLOCK C4 22p R3 C2 10 20 19 17 18 T/P CLK 3.3n 12M C1 EN RESET EN T/P CLK 22k Y1 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 4007 PC6 (RESET)(SCL/ADC5) PC5 PD0 (RxD) (SDA/ADC4) PC4 PD1 (TxD) (ADC3) PC3 PD2 (INT0) (ADC2) PC2 PD3 (INT1) (ADC1) PC1 PD4 (XCK/T0) (ADC0) PC0 VCC AGND GND AREF PB6 (XT1/TOSC1) AVCC PB7 (XT2/TOSC2) (SCK) PB5 PD5 (T1) (MISO) PB4 PD6 (AIN0) (OC2/MOSI) PB3 PD7 (AIN1) (SS/OC1B) PB2 PB0 (ICP) (OC1A) PB1 4007 0.1u 10 11 12 13 14 VCC RxD 12 IC1 RESET C3 D2 D1 RESET L297 SW1 Hình Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển cấu báo mặt lặp la bàn kim Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 62 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 Hình Động bước cấu báo mặt lặp la bàn kim - Trung tâm báo mặt lặp la bàn kim, nhóm tác giả sử dụng động bước kết hợp với hệ bánh có tỉ số truyền phù hợp Ưu điểm cấu báo kim dễ quan sát, kín nước chịu khắc nghiệt mơi trường - Thiết kế khí hộp điều khiển mặt lặp la bàn kim mặt lặp kim đảm bảo đạt yêu cầu tiêu chuẩn, thẩm mỹ đẹp đặt bên trời Bền bỉ với thời gian chịu điều kiện khí hậu thời tiết khắc nghiệt biển - Trên hộp điều khiển mặt lặp la bàn kim có nút ấn để lấy đồng điểm “0”, gọi nút đồng Khi bắt đầu cấp nguồn điện la bàn kim chạy, ấn nút đồng bộ, kim la bàn điểm độ, sau kết thúc q trình la bàn kim tiến hành truy theo giá trị góc hướng la bàn chủ Hình Hộp điều khiển mặt lặp la bàn kim 2.5 Bộ đệm tín hiệu NMEA0183 Trong mơ hình hệ thống thiết bị ghép nối trực tiếp với Tuy nhiên, để thuận tiện ghép nối thiết bị hệ thống thành mơ hình mạng, nhóm tác giả sử dụng thiết bị đệm tín hiệu NMEA0183 Bộ đệm tín hiệu NMEA0183 có tác dụng khuyếch đại tín hiệu NMEA0183 phát từ la bàn chủ đưa tín hiệu số đầu đến thiết bị mặt lặp Việc sử dụng đệm có tác dụng chống nhiễu cho hệ thống, làm cho hệ thống hoạt động ổn định tăng độ tin cậy Hình Bộ đệm tín hiệu NMEA0183 Kết thiết kế chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số Sau hồn thiện cơng việc thiết kế chế tạo, nhóm tác giả thực thành cơng việc ghép nối thiết bị thành mơ hình hệ thống la bàn từ kỹ thuật số hoàn chỉnh Hệ thống triển khai lắp đặt tàu thủy Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 63 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 Để thử nghiệm đánh giá hệ thống la bàn từ kỹ thuật số, nhóm tác giả đưa hệ thống đến Trung tâm Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng 1, thuộc Cục kỹ thuật Hải quân (Trung tâm 1), để kiểm tra thông số kỹ thuật như: Độ xác hướng tàu, nhiệt độ, độ rung, đo độ kín nước, độ cách điện,… - Trung tâm Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng 1, thuộc Cục kỹ thuật Hải quân kiểm tra thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn IEC 60945 Kết kiểm tra thể chi tiết theo Biên kiểm tra kỹ thuật số 26/BBKT-TT1, cấp ngày 21/10/2015 Trong khuôn khổ báo, trích dẫn số thơng số kỹ từ Biên kiểm tra, mô tả bảng 1, bảng bảng Hình Hệ thống la bàn từ kỹ thuật số sau nghiên cứu, thiết kế chế tạo Bảng Kết kiểm tra độ xác hệ thống Chỉ thị la bàn chuẩn Chỉ thị la bàn hệ thống Sai số (độ) (độ) (độ) 0.0 0.3 0.3 128.5 128.9 0.4 250.1 250.6 0.5 338.4 338.8 0.4 Bảng Kết kiểm tra chịu nhiệt độ ẩm 400C, độ ẩm 93% Chỉ thị la bàn chuẩn Chỉ thị la bàn hệ thống Sai số (độ) (độ) (độ) 0.0 0.3 0.3 128.4 128.8 0.4 234.1 234.2 0.1 332.4 332.6 0.2 Bảng Kết kiểm tra chịu rung 30Hz, biên độ ± 1mm Chỉ thị la bàn hệ Chỉ thị la bàn chuẩn (độ) Sai số (độ) thống (độ) 0.0 0.6 0.6 121.0 120.3 0.7 264.9 264.0 0.9 357.4 358.2 0.8 Kết luận Kết Đạt Đạt Đạt Đạt Kết Đạt Đạt Đạt Đạt Kết Đạt Đạt Đạt Đạt Từ kết nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số cho tàu cá tàu chạy tuyến nội địa Việt Nam, kết luận rằng: - Hệ thống la bàn từ kỹ thuật số đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn hệ thống điện tàu thủy; - Các kết kiểm định thỏa mãn yêu cầu lắp đặt cho tàu biển triển khai lắp đặt vận hành tàu cá, tàu thủy cỡ vừa nhỏ chạy tuyến nội địa Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Các chuyên đề đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số cho tàu cá tàu biển chạy tuyến nội địa Việt Nam”, 2015 [2] Nguyễn Văn Hòa Giáo trình La bàn từ hàng hải Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2003 [3] Đề tài NCKH cấp Bộ: Nghiên cứu chế tạo la bàn từ hàng hải phục vụ cho tiến trình nội địa hóa sản phẩm, 2008 [4] Đề tài NCKH cấp Trường: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo la bàn từ số đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn tín hiệu hành hải, 2013 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 64 ... Đạt Kết Đạt Đạt Đạt Đạt Kết Đạt Đạt Đạt Đạt Từ kết nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số cho tàu cá tàu chạy tuyến nội địa Việt Nam, kết luận rằng: - Hệ thống la bàn từ kỹ thuật. .. tuyến nội địa Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Các chuyên đề đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số cho tàu cá tàu biển chạy tuyến nội địa Việt Nam , 2015 [2] Nguyễn... số kỹ từ Biên kiểm tra, mô tả bảng 1, bảng bảng Hình Hệ thống la bàn từ kỹ thuật số sau nghiên cứu, thiết kế chế tạo Bảng Kết kiểm tra độ xác hệ thống Chỉ thị la bàn chuẩn Chỉ thị la bàn hệ thống