歐亞軍

(長沙民政職業(yè)技術學院，湖南長沙410004)

智能船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

歐亞軍

(長沙民政職業(yè)技術學院，湖南長沙410004)

摘要:隨著船舶技術與信息化技術的發(fā)展，船舶向數(shù)字化、信息化和智能化發(fā)展已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢。船舶電站是船舶上一種重要的裝置，是船舶電力系統(tǒng)的重要組成部分，它的可靠運行對于船舶的安全運行起著重要的作用。船舶電站的電量數(shù)據(jù)是一個重要的參數(shù)，可以用來判斷船舶電站的工作狀態(tài)以及統(tǒng)計分析，因此對船舶電站電量數(shù)據(jù)的智能采集就成了船舶工作人員必不可少的重要工作。本文設計一種智能船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用DSP芯片作為智能船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制器對系統(tǒng)進行了專門設計，實現(xiàn)對船舶電站電量數(shù)據(jù)的實時、智能、精準采集，能夠充分滿足船舶電站電量數(shù)據(jù)采集與處理在精確度和實時性等方面的要求，保障船舶安全行駛。

關鍵詞:船舶電站;電量數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)采集; DSP

Design of intelligent power data acquisition system of ship power station

OU Ya-jun
(Changsha Social Work College，Changsha 410004，China)

Abstract:With the development of marine technology and information technology，the digital，informationalized and intelligent ship has become the inevitable trend of development．The ship power station is an important equipment on ship，is an important part of marine power system，the reliability of ship power station plays an important role in the safe operation of the ship．Electricity data of ship power station is an important parameter that can be used to determine the working status of ship power station and statistical analysis，so the intelligent data acquisition of the ship power station power has become the indispensable important work of the staff in the ship．This paper designed a kind of intelligent power data acquisition system in ship power station，designed the system using DSP chip as the main controller for intelligent data acquisition system of ship power station power，realized the real-time，intelligent，accurate acquisition data acquisition of ship power station power，can fully meet the ship power data acquisitions' needs in the processing accuracy and real-time performance，to ensure the safety of driving of the ship．

Key words:ship power station; electricity data acquisition; data acquisition;DSP

0　引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等各種新興技術的發(fā)展，船舶也逐漸向數(shù)字化、信息化和智能化的方向邁進。

船舶電站是船上一種重要的裝置，由電動機、發(fā)電機和配電裝置組成船舶電站，它是船舶電力系統(tǒng)的重要組成部分，是為船舶提供連續(xù)電能的設備。船舶電站的可靠運行對于船舶的安全運行起著重要作用。船舶電站結構比較復雜，其各個設備的電量數(shù)據(jù)是一個重要的參數(shù)，可以用來判斷船舶電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及統(tǒng)計分析，因此對船舶電站電量數(shù)據(jù)的智能采集就成了船舶工作人員必不可少的重要工作。

DSP是一種數(shù)字信號處理器，憑借著其優(yōu)越的數(shù)據(jù)處理性能和運算速度，在數(shù)據(jù)采集與處理領域得到越來越廣泛的應用。本文研究了DSP在船舶電

站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用，采用DSP芯片作為船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制器，對船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了專門設計，實現(xiàn)對船舶電站電量數(shù)據(jù)的實時、自動、精準采集，能夠充分滿足船舶電力數(shù)據(jù)采集與處理在精確度和實時性等方面的要求，保障船舶安全行駛［1］。

1　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，必須要面對和解決就是通過各種傳感器準確的得到各種數(shù)據(jù)，然后通過這些數(shù)據(jù)來檢測和監(jiān)視工作現(xiàn)場，以達到保證工作現(xiàn)場各種工作設備正常工作的目的。因此對系統(tǒng)中的工作設備進行關鍵數(shù)據(jù)的采集，就成了實現(xiàn)整個系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的重要前期基礎工作。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是目前應用極為廣泛的一種測量設備，主要功能是采集各種數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)以信號的形式傳送到信號處理系統(tǒng)，之后再根據(jù)不同的應用需求對數(shù)據(jù)信號進行相應的計算和處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要的工作過程是，先采集模擬量，然后將模擬量轉換成數(shù)字量，再對數(shù)字量經(jīng)過相應的處理，最后得到所需的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理幾乎是所有自動化控制系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)運行的性能，對于整個系統(tǒng)起著重要的作用。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要包括以下幾個部分:

1)數(shù)據(jù)采集:主要功能是通過各類傳感器或其他數(shù)據(jù)采集設備采集設備的各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)壓力、壓強、溫度等非電量參數(shù)轉換為電量參數(shù)的功能;

2)數(shù)據(jù)存儲:在數(shù)據(jù)采集之后，主要功能是實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲，以備之后的處理和應用;

3)數(shù)據(jù)處理:主要功能是對采集到的數(shù)據(jù)進行針對性的處理，并在處理的基礎上，判斷分析數(shù)據(jù)背后體現(xiàn)出來的工作狀態(tài)。

近來隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，出現(xiàn)了DSP芯片，又由于近幾年DSP技術逐漸成熟，成本逐年下降，DSP芯片在數(shù)據(jù)采集與處理方面得到越來越多的使用。

DSP是一種數(shù)字處理器，是以數(shù)字信號的形式來處理大量信息。其工作原理是接收模擬信號，轉換為相對應的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行處理。DSP支持流水線的操作方式，而且可以并行執(zhí)行多個操作，處理速度很快，在一個極短的周期即可以進行一次乘法或加法運算。DSP不僅具有可編程性，而且具有強大數(shù)據(jù)運算能力與處理速度，這讓DSP在數(shù)據(jù)采集與處理領域得到了廣泛應用。

2　船舶電站

船舶電站是船舶上的一種重要的裝置，它是船舶電力系統(tǒng)的重要組成部分，是為船舶提供連續(xù)電能和動力供應的設備。船舶電站由多個部分組成一個系統(tǒng)，主要由燃油發(fā)動機、發(fā)電機、配電屏和其他附屬設備共同組成［2］。傳統(tǒng)的船舶電站結構示意圖如圖1所示。

圖1　船舶電站結構示意圖Fig.1　The structure of the ship power station

燃油發(fā)動機的主要功能是將汽油、柴油等燃油燃燒，將能量轉化為機械能，然后帶動發(fā)電機運轉。

發(fā)電機組的主要功能是將機械能轉化為電能，是船舶電站電能的來源。一般柴油機船上都裝配有2～3臺發(fā)電機組，互相補充，為船舶提供動力。

主配電屏的主要功能是對發(fā)電機組發(fā)出的電力，進行控制及合理的分配。

為滿足船舶在各種不同工況下，船舶電站都可以為船舶進行連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地供電，船舶上一般都配備以下幾種電站:

1)主電站:船舶的正常供電電站，船舶正常工作時為全船提供電能。

2)停泊電站:是指船舶處于停泊狀態(tài)，而又無其他電能供應時，停泊電站工作，為船舶上的所有用電負載提供電能。

3)應急電站:是指船舶在遇到特殊情況，主電站停止工作時，應急電站工作，向船舶提供基本的應急安全保障供電。

4)特殊電站:不同于主電站，其電能供應具有特殊的用途，主要是為船舶上的通訊設備、各種助航設備以及信號報警系統(tǒng)供電。

本文研究的船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)針對船舶主電站進行。

3　智能船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

船舶電站電量數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)船舶自動化的重要組成部分。要實現(xiàn)船舶電站監(jiān)控的基礎，就是要對船舶電站中設備的相關電量數(shù)據(jù)進行實時的采集和分析。因此船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要性就得以體現(xiàn)。

在船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，主要的功能是對電網(wǎng)、發(fā)電機和備用蓄電池等裝置的電壓、電流、頻率、相位和功率等參數(shù)進行精確而快速地采集和處理。這些數(shù)據(jù)的采集是對船舶電力系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)進行分析的基礎，同時也是對各種電力故障進行分析的前提條件。本文采用DSP作為主控制芯片，設計船舶電力數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對船舶電力系統(tǒng)中各種電力數(shù)據(jù)的實時采集與處理［3］。

圖2　船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.2　Block diagram of power data acquisition system of ship power station

圖2為船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)是以DSP作為控制核心，實現(xiàn)對電網(wǎng)、發(fā)電機和備用蓄電池等裝置的電壓、電流、頻率、相位和功率等船舶電力數(shù)據(jù)的各種指標的測量，系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下3個功能:

1)數(shù)據(jù)采集功能:通過各類傳感器或互感器，采集系統(tǒng)電壓、電流、相位等各種參數(shù)數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過A/D轉換芯片，將模擬信號轉換為方便處理的數(shù)字信號;

2)數(shù)據(jù)處理功能:將轉化過的數(shù)字信號，進行處理、判斷和分析，并將這些數(shù)據(jù)進行存儲，以備之后使用;

3) CAN通訊功能，通過CAN通信模塊實現(xiàn)與上位機之間的連接，將采集的各種數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機進行直觀的顯示，實現(xiàn)與用戶之間的實時便捷的交互［4］。

4　硬件設計

船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要包括DSP核心控制模塊、高速A/D數(shù)據(jù)轉換模塊、SRAM高速緩存模塊和CAN通信模塊等幾部分。DSP控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　DSP控制系統(tǒng)框圖Fig.3　Block diagram of DSP control system

4.1高速A/D轉換模塊

DSP進行數(shù)據(jù)處理的前提是將采集到的模擬量轉化為數(shù)字量。A/D轉換部分主要的功能就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換。A/D轉換部分的數(shù)據(jù)轉換和處理的精度會在很大程度上影響整個系統(tǒng)的工作性能。本系統(tǒng)中的A/D轉換芯片，采用TI公司的ADS8364高速轉換芯片，該芯片是一種低功耗、雙16位的高速模數(shù)轉換器。ADS8364芯片具有較強的抗噪性，特別比較適合應用于船舶這種航行條件比較復雜、噪聲比較大的環(huán)境。ADS8364芯片有6個同步采集的模擬量輸入通道，可以同時進行6路數(shù)據(jù)的采集。

4.2 DSP控制模塊

DSP控制系統(tǒng)是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最關鍵的部分，其運行性能的好壞直接關系到整個系統(tǒng)的性能。本文選用TI公司的TMS320F2812芯片，該處理芯片的速度達到了150 MHZ，處理數(shù)據(jù)位數(shù)也達到了32位。TMS320F2812芯片最大的亮點是其擁有12位16通道的AD數(shù)據(jù)采集，使其對數(shù)據(jù)采集與處理得心應手。再加上豐富的外設接口，如CAN、SCI等。該芯片具有成本低、速度快和性價比高等一系列優(yōu)點，通過評估分析，該芯片在處理速度、實時性和精度等方面的性能，可以滿足船舶電站電量數(shù)據(jù)的實時采集和處理的需求。

TMS320F2812可對數(shù)據(jù)進行高速的處理，其運算與處理能力相當于普通的單片機的幾十倍，可以在很大程度上確保系統(tǒng)的優(yōu)越控制性能。該控制芯片適合應用于信號實時采集與處理方面，于是將該控制芯片作為電力數(shù)據(jù)采集與處理系的主控芯片，可以很好地改善系統(tǒng)的整體性能。

DSP控制模塊是系統(tǒng)的核心和大腦，承擔著與周圍各個功能模塊的連接與控制，主要功能是實現(xiàn)對電力數(shù)據(jù)采集以及對采樣后的數(shù)據(jù)進行相關的處理。

4.3高速緩存模塊

船舶電站的電量數(shù)據(jù)容量很大，為了實現(xiàn)對這些大容量數(shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)存儲，需要增加高速緩存

裝置。高速緩存方案一般有FIFO (先進先出)方式、雙口RAM方式和高速SRAM切換方式3種。本文綜合考慮以上3種高速緩存方案的性能、價格和實現(xiàn)方便性后，結合船舶電站電量數(shù)據(jù)的特點，最后選用FIFO方式來構成A/D采樣高速緩存。

本文根據(jù)船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用需求，選用CY7C4245芯片作為高速FIFO存儲器。CY7C4245是一種高速、低功耗的FIFO存儲器，其存儲量和存儲寬帶為4 k×18bit，基本可以滿足船舶電站電量數(shù)據(jù)的存儲需求。CY7C4245具有獨立的18位輸入和輸出接口，可以實現(xiàn)同步的讀寫操作，最高讀寫速度可以達到100 MHZ，并且?guī)в袛?shù)據(jù)重發(fā)功能，擁有獨立的讀寫使能管腳。CY7C4245提供5種狀態(tài)指示當前數(shù)據(jù)存儲的深度，寬度和深度可擴展。CY7C4245的采樣點數(shù)達到指定的數(shù)量時，會觸發(fā)DSP的外部中斷，然后中止測量，然后由DSP對數(shù)據(jù)進行讀取和處理操作。

5　系統(tǒng)軟件

軟件是數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)實現(xiàn)采集功能重要的部分，通過與硬件結合共同完成數(shù)據(jù)采集與處理的功能。本系統(tǒng)采用TI公司自帶的CCS為集成開發(fā)環(huán)境，采用經(jīng)典的C語言進行編程設計。

圖4　數(shù)據(jù)采集程序的工作流程圖Fig.4　The work flowchart of the data acquisition program

DSP主程序流程圖如圖4所示。程序的主要工作流程是:首先對系統(tǒng)進行初始化，初始化之后首先裝置掃描表，之后啟動數(shù)據(jù)采集，然后判斷FIFO緩存是否存滿，存滿則發(fā)出中斷信號觸發(fā)DSP中斷。然后DSP檢測到中斷信號，中斷測量，讀取數(shù)據(jù)并進行處理，最后通過CAN通信將處理之后的數(shù)據(jù)傳送給上位機。上位機需要判斷是否收到數(shù)據(jù)，如果確認收到，則停止數(shù)據(jù)采集，如果沒有系統(tǒng)再次返回進行下一輪數(shù)據(jù)采集工作［5］。

6　結語

船舶電站是船舶電力系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠運行對于船舶的安全行駛起著重要的作用。船舶電站的電量數(shù)據(jù)是一個重要的參數(shù)，可以用來判斷和分析船舶電站的工作狀態(tài)。本文利用DSP在數(shù)據(jù)處理方面快速、精準的特點，將其應用在船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用TI公司的DSP2812芯片作為作船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制器，對船舶電站電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行設計與分析，實現(xiàn)對船舶電站電量數(shù)據(jù)的實時、智能、精準采集，能夠充分滿足船舶電力數(shù)據(jù)采集與處理在精確度和實時性等方面的要求。

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作者簡介:歐亞軍(1981－)，男，碩士，實驗師，研究方向為嵌入式技術與物聯(lián)網(wǎng)技術。

收稿日期:2015－02－28;修回日期: 2015－04－27

文章編號:1672－7649(2015) 07－0145－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.033

中圖分類號:U665．261

文獻標識碼:A