王建農(nóng)，王 偉

(常州工學(xué)院，江蘇 常州213002)

0 引 言

船舶是一種重要的運(yùn)輸工具，在貨物和人員運(yùn)輸方面起著重要的作用。船舶電力系統(tǒng)是船舶的心臟，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于保障船舶安全可靠行駛扮演著十分重要的角色。隨著現(xiàn)代船舶技術(shù)的發(fā)展，船舶機(jī)艙內(nèi)裝載了越來(lái)越多的高端電氣設(shè)備，這些電氣設(shè)備主要有供電設(shè)備、配電設(shè)備、用電設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、通信設(shè)備和控制設(shè)備等，這些電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)不僅對(duì)于船舶供電系統(tǒng)的穩(wěn)定起著重要的作用，同時(shí)也是保障整個(gè)船舶安全行駛的關(guān)鍵，因此需要對(duì)這些電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。監(jiān)控的基礎(chǔ)是要對(duì)這些設(shè)備的相關(guān)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和分析，船舶電力數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的重要性不言而喻［1］。

在船舶電力系統(tǒng)中，對(duì)船舶三相電壓和三相電流，以及各個(gè)用電設(shè)備的用電電壓、用電電流進(jìn)行精確而快速地采集和處理，是對(duì)船舶電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)，同時(shí)也是對(duì)各種電力故障進(jìn)行分析的前提條件。如果要實(shí)現(xiàn)這些功能，不僅要求系統(tǒng)的核心處理器具有很快的處理速度以及很高的處理精度，同時(shí)也要求A /D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分具有較高的數(shù)據(jù)采集精度及較快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度。而通常傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，一般都是采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器。單片機(jī)處理系統(tǒng)雖然能滿足一般數(shù)據(jù)的采集和處理功能，但單片機(jī)在處理速度和轉(zhuǎn)換精度具有一定的局限性，尤其是在處理一些數(shù)字信號(hào)方面有些力不從心，大量數(shù)字信號(hào)的各種復(fù)雜運(yùn)算會(huì)耗費(fèi)很大的資源，在很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了DSP芯片，又由于近幾年DSP 技術(shù)的逐漸成熟與成本逐年下降，DSP 芯片在數(shù)據(jù)采集與處理方面得到了越來(lái)越多的使用。

本文采用DSP 作為主控制芯片，設(shè)計(jì)船舶電力數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電力系統(tǒng)中各種電力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理。

1 基于DSP 的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

船舶電力數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的主要功能是對(duì)船舶上各種電力設(shè)備上的電力數(shù)據(jù)的指標(biāo)和參數(shù)進(jìn)行采集、測(cè)量和處理，為以后的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些待測(cè)的電力數(shù)據(jù)的指標(biāo)參數(shù)主要包括電壓有效值、電流有效值、周期、頻率和相位等參數(shù)［2］。

圖1 為船舶電力數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)是以DSP 為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電力數(shù)據(jù)的各種指標(biāo)的測(cè)量。

圖1 電力數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)功能框圖Fig.1 The function block diagram of electric power data acquisition and processing system

電力數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下3 個(gè)功能:

1)數(shù)據(jù)采集與處理功能:通過(guò)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(guò)A/D 轉(zhuǎn)換芯片，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為方便處理的數(shù)字信號(hào)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以備之后使用;

2)故障檢測(cè)與保護(hù)功能:將A/D 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化過(guò)的信號(hào)，判斷各種故障條件，并根據(jù)故障等級(jí)及時(shí)作出相應(yīng)處理，以達(dá)到保護(hù)船舶供電系統(tǒng)和各個(gè)用電設(shè)備的目的。

3)CAN 通信功能，通過(guò)CAN 通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的連接，主要負(fù)責(zé)接收、處理和發(fā)送與上位機(jī)之間的各種數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)與用戶之間的實(shí)時(shí)便捷的交互。

2 系統(tǒng)功能

1)電壓和電流測(cè)量

電壓和電流數(shù)據(jù)采集的基本原理是:電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器送到，計(jì)算機(jī)接受數(shù)據(jù)量，然后通過(guò)經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際的電壓量。本系統(tǒng)中被測(cè)電壓和電流通過(guò)變送器，再送到ADS8364 內(nèi)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，DSP 在程序控制下采集、處理此數(shù)據(jù)量。

2)頻率和周期測(cè)量

TMS320F28035 本身含有定時(shí)器/計(jì)時(shí)器，為測(cè)量周期和頻率提供了基礎(chǔ)。

頻率測(cè)量方法一般有頻率法和周期法2 種。其中頻率法的基本工作原理是通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)頻率信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，以此來(lái)計(jì)算得到頻率。周期法的基本工作原理是記錄1 個(gè)信號(hào)周期內(nèi)基準(zhǔn)定時(shí)脈沖的個(gè)數(shù)，然后將其換算成相對(duì)應(yīng)的頻率，以此來(lái)得到頻率。

表達(dá)公式如下:

其中，n 為脈沖的個(gè)數(shù);t 為時(shí)間，即周期。

本文采用周期法對(duì)電壓或電流信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。首先將被測(cè)電壓、電流的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)整形為對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)，通過(guò)判斷上升沿來(lái)確定脈沖的個(gè)數(shù)。

3)相位測(cè)量

電力數(shù)據(jù)中除了電壓、電流有效值、頻率和周期等參數(shù)外，信號(hào)的相位檢測(cè)也是重要的一部分。信號(hào)相位檢測(cè)一般都需要借助于鑒相電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。鑒相電路的主要工作原理是計(jì)算輸入的2 個(gè)信號(hào)之間的相位差，并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的脈沖寬度，然后通過(guò)該脈沖寬度轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，以此來(lái)計(jì)算2 個(gè)輸入信號(hào)之間相位的時(shí)序與相位差的大小。根據(jù)信號(hào)的類別，鑒相器一般分為模擬鑒相電路和數(shù)字鑒相電路2 種。模擬鑒相電路是指，將相位差轉(zhuǎn)換的脈寬通過(guò)低通濾波器將其轉(zhuǎn)化為模擬輸出電壓值。數(shù)字鑒相電路，是指將相位差轉(zhuǎn)換的脈寬通過(guò)數(shù)字電路將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。

傳統(tǒng)的鑒相電路，一般都是采用門電路和觸發(fā)器兩者組合而成的。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行鑒相之前，首先要先將標(biāo)準(zhǔn)的正弦電壓或電流信號(hào)，通過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路或其他手段，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的方波序列脈沖信號(hào)。之后，鑒相電路根據(jù)輸入信號(hào)和參考信號(hào)之間的過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行判斷，最后的輸出信號(hào)同樣也是脈沖信號(hào)。

3 系統(tǒng)搭建

船舶電力數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，按照功能模塊劃分，主要包括DSP 核心控制模塊、CPLD 邏輯控制模塊、A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和CAN 通信模塊等幾部分。其中DSP 核心控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。圖2 是本系統(tǒng)的各個(gè)模塊的功能框圖和連接示意圖。

圖2 系統(tǒng)功能模塊連接圖Fig.2 Connection diagram of the function block

3.1 DSP 控制模塊

DSP 控制模塊是系統(tǒng)的核心和大腦，承擔(dān)著與周圍各個(gè)功能模塊的連接與控制，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)電力數(shù)據(jù)采集以及對(duì)采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理，同時(shí)通過(guò)CAN 通信模塊與PC 上位機(jī)之間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

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

DSP 控制系統(tǒng)部分，是整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，其性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)。本系統(tǒng)采用美國(guó)TI 公司的TMS320F28035 作為主控芯片。

可對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行高速的處理，其運(yùn)算與處理能力相當(dāng)于普通的單片機(jī)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。

3.2 CPLD 邏輯控制模塊

由于TMS320F28035 芯片是一款比較精致的精簡(jiǎn)版的處理芯片，其片上資源相對(duì)有限。如果用TMS320F28035 芯片直接去控制A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，將會(huì)占用其較多的資源，因此，會(huì)在很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)工作效率和性能。因此通過(guò)外接CPLD邏輯控制芯片對(duì)制A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片的接口電路進(jìn)行控制。

CPLD 邏輯控制模塊，介于DSP 控制模塊和A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊之間，主要功能是首先接收DSP 發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，然后根據(jù)相關(guān)指令，控制A/D 轉(zhuǎn)換模塊執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，簡(jiǎn)而言之就是替DSP 管理A/D。

本文選用Altera 公司的EPM1270 芯片作為CPLD 控制模塊的主控芯片。該芯片具有116 個(gè)可拓展I/O 口，極大方便了以后擴(kuò)展。EPM1270 芯片包含980 個(gè)可編程邏輯宏單元和8 kB 的Flash 存儲(chǔ)空間。CPLD 芯片是可編程邏輯控制器，它需要通結(jié)合相應(yīng)的軟件代碼，然后生成相應(yīng)的操作電路，然后就可以實(shí)現(xiàn)各種功能［3］。

3.3 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

A/D 轉(zhuǎn)換部分，是整個(gè)系統(tǒng)的前端，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理的精度會(huì)在很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。本系統(tǒng)中的A/D 轉(zhuǎn)換芯片，同樣采用的是美國(guó)TI 公司的ADS8364 芯片，該芯片是一種高速、低功耗、雙16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS8364 芯片具有較強(qiáng)的抗噪性，它在工頻50 kHz 讀取數(shù)據(jù)時(shí)，其共模抑制為80 dB，特別比較適合應(yīng)用于船舶這種航行條件比較復(fù)雜、噪聲比較大的環(huán)境。ADS8364 芯片有6 個(gè)同步采集的模擬量輸入通道，可以同時(shí)處理6 種不同的數(shù)據(jù)。ADS8364 芯片有6 個(gè)采樣保持電路，一共分成3 組，每組都由1 個(gè)HOLD 引腳進(jìn)行控制。

3.4 CAN 通信模塊

CAN 通信時(shí)指一種串行數(shù)據(jù)通信方式，本系統(tǒng)采用的TMS320F28035 主控芯片帶有CAN 通信功能，可以方便的實(shí)現(xiàn)與PC 上位機(jī)之間數(shù)據(jù)的通信。由于TMS320F28035 芯片內(nèi)部已經(jīng)含有CAN 控制器，所以只需外部增加1 個(gè)CAN 收發(fā)器，就可以實(shí)現(xiàn)與上位之間的CAN 通信，外部電路十分簡(jiǎn)單。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用TI 公司自帶的CCS 為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C 語(yǔ)言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。

DSP 主程序流程圖如圖3 所示。程序的主要工作流程是系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先要對(duì)DSP 控制系統(tǒng)自身進(jìn)行初始化，完成CPU 內(nèi)核、外設(shè)功能和全局變量3 個(gè)部分的初始化工作，然后程序進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，等待上位機(jī)CAN 的控制指令。當(dāng)DSP 收到上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制指令后，選擇確定的處理算法，同時(shí)向CPLD 邏輯控制模塊發(fā)出動(dòng)作命令，讓其控制A/D 轉(zhuǎn)換模塊，使A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)的采集，并進(jìn)行存儲(chǔ)［4］。

主程序通過(guò)計(jì)數(shù)中斷調(diào)用中斷子程序，中斷子程序執(zhí)行算法，完成各個(gè)模塊的主要功能，主要包括數(shù)據(jù)采樣與處理、故障檢測(cè)與保護(hù)和CAN 通信等。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program

除了DSP 主程序外，數(shù)據(jù)采集與處理子程序也很重要。其流程圖如圖5 所示。主要工作流程是，首先，在外部時(shí)鐘信號(hào)的作用下，A/D 轉(zhuǎn)換芯片等待DSP 的HOLD 保持信號(hào)，當(dāng)信號(hào)來(lái)臨時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換芯片傳送中斷信號(hào)給DSP，使其對(duì)所需的通道結(jié)果寄存器進(jìn)行讀?。?］。

5 結(jié) 語(yǔ)

圖5 數(shù)據(jù)采集和處理流程圖Fig.5 Flowchart of the data acquisition and processing program

對(duì)船舶上各種設(shè)備的電力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理對(duì)于保證船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及船舶的安全行駛起著至關(guān)重要的作用。本文對(duì)船舶電力數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用DSP 芯片作為該系統(tǒng)的主控制器，通過(guò)增加CPLD 邏輯控制芯片和A/D 轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶電力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理與應(yīng)急反應(yīng)，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(shí)時(shí)性等方面的要求，保障船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為船舶在水域中安全行駛提供保障。

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［5］黃孝平．一種嵌入式航海數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2015，307(1):225 －228．HUANG Xiao-ping．A design of marine radar data acquisition embedded system ［J］．Ship Science and Technology，2015，307(1):225 －228．