舰艇交流用电设备运行参数监测系统设计

2013-04-29李桂岩姜海龙

船电技术 2013年4期

李桂岩，姜海龙

舰艇交流用电设备运行参数监测系统设计

李桂岩，姜海龙

（海军潜艇学院，山东青岛 266071）

介绍了由工业级平板电脑与C8051F500单片机利用CAN总线组成的分布式监测系统，详细描述了系统硬件结构和软件结构。实现了舰艇交流用电设备运行参数的自动检测、记录、保存、导出等功能。实践证明该监测系统具有实时性好，工作稳定可靠，操作使用简便，图形界面友好等优点。完全真正达到了减轻艇员工作量、加强用电设备的监控、为日后设备维护维修提供参考数据的目的。

平板电脑单片机 CAN总线监测系统

0 引言

舰艇交流用电设备运行参数监测系统（简称监测系统）能实现舰艇交流用电设备的电流电压的自动检测，用电设备运行时间和启动次数的自动记录，定时保存检测结果和设备的工作状态，事后可通过导出记录文件，对用电设备的运行状态做进一步分析处理。该监测系统的应用不仅减少艇员检查、记录用电设备状态的工作量，加强用电设备运行状态的监控，保障艇员人身安全，也为日后维修用电设备提供更准确的参考数据。

随着测控技术的发展，监测系统和监测仪器实现的方法和手段在不断更新。本文介绍的舰艇交流用电设备运行参数监测系统采用分布式结构。主机是一台平板电脑用于完成数据处理、检测结果和设备状态显示及人机交互等任务，从机为C8051F500单片机主要完成定时数据采集、数据滤波、数据传送等任务。

1 系统硬件设计

1.1 总体方案设计

为保证舰艇环境下能可靠地工作运行,主机选用工业级平板电脑。具备坚固、防震、防潮、防尘、耐高温等特点。系统配置：最大内存2GB、板载千兆网卡、4个RS232串行口、2个USB2.0端口、7寸五线电阻触摸屏，是一款适用于测控领域的理想平板电脑。操作系统是Windows XP,开发软件是LabWindows/CVI。从机采用C8051F500单片机，该单片机具有高速8051微控制器内核、速度可达50MIPS，4352字节内部数据存储器，64KB的FLASH存储器，5个通用16位定时器，1路UART串行口，1路CAN2.0B总线，32通道的可编程12位分辨率的ADC。在不需要增加外部器件的情况下能实现32路模拟量的数据采集，完全满足监测系统的要求。主机与从机之间采用CAN总线实现串行通信。

舰艇交流用电设备运行参数监测系统具有如下功能：用电设备电流电压值采集、数据处理、数据传送、设备运行时间及启动次数计数、设备状态设置、人机界面显示等。系统结构示意图如图1所示。

图1 舰艇交流用电设备运行参数监测系统结构示意图

1.2 数据采集功能设计

监控系统的数据采集是由C8051F500单片机每隔10 ms就分别对1号液压泵、2号液压泵、主疏水泵、舱底泵等十二项用电设备的电流、电压巡回检测。为了提高可靠性，每路电流或电压连续采集16次，用算术平均值作为本路测量值。

电流检测采用FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC 4～20 mA，通过250 Ω精密电阻转换DC 1～5 V电压，经C8051F500单片机进行数据采集、数字滤波后通过CAN总线传送给主机。

FZ系列产品为单匝穿孔穿芯式结构，使用时无需改动测量主回路，便于现场连接，原副边高度绝缘隔离，两线制输出接线，辅助工作电源+24 V与输出信号线DC4～20 mA共用。具有精度高，体积小、功耗小、频响宽，抗干扰，两线端口防感应雷能力强，具有雷击波和突波的保护能力等优点。其接线图如图2所示。

电压检测采用FZL系列单交流电压变送器，它可以直接将被测主回路交流电压转换成按线性比例输出的DC 4～20 mA，通过250 Ω精密电阻转换DC 1～5 V电压，经C8051F500单片机进行数据采集、数字滤波后通过CAN总线传送给单板电脑，由单板电脑处理后在屏幕上显示出相应的电压值。

图2 FZ系列交流电流变送器接线图

FZL系列单交流电压变送器，采用集成变送器ASIC芯片将被测工频交流电压转换成按线性比例输出的标准直流信号。FZL系列单交流电压变送器应用接线如图3所示。

图3 FZL系列单交流电压变送器应用接线图

1.3 运行时间及启动次数设计

电流、电压变送器的输出值是4～20 mA，经250 Ω精密电阻转换后得到的电压为DC1～5 V。也就是说当用电设备在停止工作的情况下，即电流等于零时，变送器输出电流为4 mA，经250 Ω精密电阻转换后得到的电压为DC 1 V。用变送器输出的电流小于或等于4 mA，可判定用电设备停止工作。为了提高检测的可靠性，实际检测中三相电中有二相的变送器输出的电流小于或等于4 mA判定用电设备停止工作。当变送器再次输出的电流大于4 mA（实际大于10 mA）时，判定用电设备启动工作，启动次数加“1”。当用电设备启动工作后，运行时间计时器开始工作，按照时、分、秒的格式，每秒钟计数一次，满60秒计1分钟，满60分钟计1小时。在实现本次工作计时的同时，还将每台设备的累计工作时间进行统计，在屏幕上实时显示。

1.4 人机界面功能设计

平板电脑显示区域 178.0×127 mm ，显示对角尺寸 7 英寸，触摸类型五线电阻式触摸屏，分辨率 4096×4096。保存温度 -20 ～ +60℃，工作环境温度 0 ～+50℃，湿度 5%—95% 。为友好的图形界面做好了硬件基础。

1.5 串行通信功能设计

平板电脑与单片机之间采用CAN总线。C8051F500单片机本身具有CAN2.0B总线，平板电脑通过USBCAN I调试器与C8051F500单片机的CAN总线联接，USBCAN I调试器功能特点如下：

1）USBCAN I调试器带有1路CAN接口，平板电脑可以通过USB总线连到CAN网络中，构建现场网络的CAN 核心控制单元；

2）USBCAN I 调试器可以被作为一个标准的CAN 节点，是CAN 总线产品开发，CAN 设备测试及数据分析的强大工具；而且USBCAN I 调试器具有体积小、方便安装等特点；

3）USBCAN I 调试器可以利用提供的CANMonitor 工具软件，直接进行CAN 总线的配置，发送和接收；

4）USBCAN I 调试器设备中，CAN 总线电路采用独立的DCDC 电源模块，进行磁耦合隔离，使该接口适配器具有很强的抗干扰能力，大大提高了系统在恶劣环境中使用的可靠性。

2 系统软件设计

系统软件分为两部分，即平板电脑应用软件和单片机应用软件。

2.1 平板电脑应用软件设计

平板电脑采用Windows XP 操作系统平台，利用LabWindows/CVI开发软件，开发了平板电脑应用软件。该软件分三个部分：用户界面、数据通信、系统维护。

1）用户界面包括：检测数据显示界面，主要是显示当前用电设备运行的电流电压参数、设备本次运行时间和设备累计运行时间、设备启动次数等内容；设备运行状态界面，主要是显示用电设备当前运行状态是工作还是停止，工作状态情况下的检测到的参数值等；文件显示界面，主要用于显示实时检测中保存在文件中的参数值，以及维护与维修时的记录文件内容。

2）数据通信包括：拷贝库函数文件到工作目录下，即库函数文件总共有二个文件：ControlCAN.h、ControlCAN.dll和一个文件夹kerneldlls。拷贝当前工作目录下；改写头文件；生成动态连接库导入库并导入ControlCAN.lib，将头文件ControlCAN.h添加到工程文件中；定义VCI_CAN_OBJ 结构体；编写初始化模块包括：打开设备、初始化、启动设备；编写发送数据模块，接收数据模块。

3）系统维护包括：系统初始状态设置，主要有检测日期、检测时间、运行时间、启动次数等参数设置；检测数据导出，主要是将实时检测数据导到微机上进一步分析或输出打印；维护与维修登记等。

2.2 单片机应用软件设计

单片机应用软件是采用Keil开发工具，使用C语言编写的应用程序。包括：系统配置模块、数据采集模块、数据通信等三个模块。

1）系统配置模块，时钟源采用内部振荡器、时钟频率24 MHz；串行通信使用CAN总线，P0.6、P0.7配置为发送和接收端口；P1、P2、P3配置为模拟输入端口，作为ADC模拟量的输入线。

2）数据采集模块，由定时计数器2每间隔10 μs启动一次ADC转换器工作，每个通道连续采集16次，根据16次检测值求出算术平均值作为通道的当前检测值。ADC转换器按照用电设备的编排顺序依次完成数据采集工作，每隔10毫秒循环检测一次。

3）数据通信模块，采用CAN总线，首先对32个消息对象进行清零处理。然后配置发送、接收消息对象，基本参数为：波特率为1MB/S，每帧数据为8个字节，设置为标准的掩码和仲裁方式，允许发送和接收中断。由于每个电流或电压的检测值占用2个字节，每帧数据最多只能传送4个测量值，每个用电设备至少需要检测两相电流一个电压， 12项用电设备至少定义9个发送消息对象以区分各种用电设备的测量值。定义1个接收消息对象作为单片机接收平板电脑的数据和命令。