基于SOPC的舰船电能管理系统设计

王建农，王 伟

(常州工学院，江苏 常州213002)

0 引 言

随着现代科技的蓬勃发展，舰船电气化的水平在不断提高，舰船上的用电设备日益增多，舰船装机总量呈现指数型增长的态势［1］。由于舰船航行于水面，工作环境和陆地有着很大的不同，环境的多变性很强，拥有一个稳定、精确性好的系统变得越来越迫切。与此同时，舰船设备的老化、舰船工作人员的误操作以及多变、不利的工作环境等因素，常常会使系统处于不正常的状态，轻者导致设备瘫痪，重者引发舰船供电系统中断，最终使舰船无法正常航行。因此，对舰船电力系统进行实时监控，在系统出现故障问题时能够作出迅速的反应，确保系统正常工作变得越来越重要［2］。目前，舰船电能管理系统中的方法主要包括基于牛顿法和P －Q 分解法的配电网络法，这种方法收敛性好，计算效率高，但也有着负载不平衡等缺点。此外还有一些别的方法，如前推回推法等［3－4］。由于舰船的特殊性，舰船电能管理系统需要根据自身的特点来设计，比如负荷多、线路短、电压低，这些特点都需要考虑进舰船电能管理系统的设计之中［5］。本文结合传统舰船电能管理系统，基于SOPC 具有嵌入式结构、处理能力强、在线可重配置的优点［6－7］，设计一种用于舰船的区域性的电能管理系统，采用可靠性较好的串口通信方式和计算机进行一定距离的通信，以满足舰船实际运行的需要。

1 舰船电能管理系统总体设计

舰船电能管理系统主要用来采集舰船上不同用电设备的用电量数据，对不同负荷的用电线路进行实时监控。当某一电路出现故障时，可以及时将重要负载接入无故障的电路中，并将收集到的信息传输到电能管理系统中心。这种方式具有很大的智能化特点，它把电路负载数据的采集、收集、分析和处理有机地统一起来。

图1 系统总体结构框图Fig.1 The structure of the system

当舰船各用电设备处于工作状态时，各设备的电能使用状况实时地被数据采集系统进行采样，然后由串口通信模块发送到上位机并显示出来，同时，下位机对采样到的数据进行存储和分析，并根据下位机设定的程序发出相应的指令，管理员也可以由上位机人为地控制各用电设备的工作。其工作过程如下:

1)舰船管理系统根据管理员设定的时间、频率等参数对各负载的用电信息进行数据收集，并将数据通过串口通信模块发送给管理系统上位机模块。

2)舰船管理系统上位机模块对发送回来的数据信息进行分析判断，若各用电设备和线路都正常，则向下位机发送“保持”指令;若出现如过载、线路中断等故障问题，则进入相应的自检程序。

3)下位机接收到指令后，控制硬件电路，实现不同负载和电路的切换，关闭不太需要的负载线路，保障重要设备的正常使用。

4)继续监控，周而复始。

舰船电能管理系统的下位机硬件平台采用FPGA及外围硬件电路组成，用于对舰船电能模块的信号采集和控制;人机界面模块采用VB 语言进行开发，主要用来显示各设备使用状况，并对系统进行控制。二者之间的通信方式采用RS－232 串口通信。

2 舰船电能管理系统硬件设计

整个系统的设计思路是:输入各区域配电板电压电流信号，进入采样保持电路，由FPGA 内A/D转换模块转换成数字信号，再由FPGA 芯片进行数据运算和处理，根据逻辑关系，输出控制信号，控制外围用电设备的通断，通过RS －232 通信接口与上位机计算机相连，并将检测数据显示在上位机界面上。

硬件系统以FPGA 为基础，配上外围电路，以实现系统的逻辑处理。Nios II 处理器是基于SOPC技术的32 位RISC 处理器软内核。典型的SOPC 系统主要包括微处理器内核、Avalon 总线、通用I/O控制器、存储器控制单元和定时器及其他外设控制部分。所配置的Nios II 软核主要包括:32 位CPU单元，程序存储器SDRAM 的控制单元，数据存储器EPCS 的控制单元，UART 控制单元。系统的硬件结构如图2 所示。

图2 系统硬件结构框图Fig.2 The hardware structure of the system

在系统通信中，RS －232 和RS －485 标准总线应用最为广泛，技术也最为成熟。其中，RS －232标准总线是在异步串行通信中使用最普遍的标准总线，稳定传输距离可达15 m，数据传输速率最快可至19.2 kb/s。

在舰船电能管理系统中，由于所需要采集的监控参数电压或者电流值都比较大，而FPGA 所能处理的信号值都较小，因而需要对采集的信号进行处理，以实现FPGA 对各监控数据的处理。首先将监控的数值转换成对应的低电压，如图3 所示为信号采集电路，Uaout 输出的峰值电压为2.5 V。经过转化的电流或者电压信号使用MAX187 芯片转换后输入到FPGA。经过处理后，输出控制信号通过光耦隔离来控制用电设备。如图4 所示，CHa为从FPGA 输出的数字信号，通过上接一个3.3 V电源来提高输出电流，Ha 为实际输出控制信号，可以根据实际情况来改变输出电压，进而控制用电设备。

图3 信号采集电路Fig.3 Signal acquisition circuit

图4 光耦隔离电路Fig.4 Optical coupling isolation circuit

3 舰船电能管理系统软件设计

舰船电能管理系统中的软件主要由下位机软件和上位机软件2 部分组成。下位机软件主要实现对数据的采集、分析和处理，并将各用电设备的当前状态信息以串口通信的方式实时地发送回上位机。上位机软件主要用于对各设备和线路用电状况的实时显示，便于管理员在主界面对用电设备和线路的人为控制。

3.1 下位机设计

舰船电能管理系统的下位机程序采用C 语言编写，通过程序编译后，下载到FPGA 开发板中运行。图5 为FPGA 处理器的主函数流程图，该系统的下位机软件程序主要实现以下几个功能:

1)FPGA 的初始化设置，中断初始化设置，用电负载初始化设置;

2)串口中断服务函数，实现接收上位机数据和返回下位机数据的功能;

3)系统通过AD 转换对数据进行采样;

4)对采样得到的数据信息进行分析，主要判断是否有故障，设备工作是否正常;

5)下位机内部函数程序对故障进行处理，并发送数据至计算机。

图5 下位机主函数流程图Fig.5 The flowchart of the main function

SOPC 技术是以FPGA 为硬件构架，将SOC 设计思想融入进来，使整个硬件的设计理念发生变化。系统的硬件由于采用了嵌入式处理单元而变得非常简单，这种方式使得系统具有很大的可重配置性，因而系统具有很大的灵活性。针对SOPC 系统的软硬件开发环境已经非常完善，有利于系统设计员提高系统的开发效率。

3.2 上位机设计

VB6.0 是一种可视化，面向对象的高级编程语言，有许多内部函数，其中的MSComm 控件可以和RS－232 串口通信很好地结合起来，便于管理员开发出高效、简洁、丰富、美观的图形界面。基于此，舰船电能管理系统中的人机界面程序采用VB6.0 进行开发。

系统采用RS－232 串口通信的通信方式，它的作用主要有:

1)将计算机编写的程序下载到FPGA;

2)实现计算机和FPGA 的双向通信。

图6 为舰船电能管理系统的上位机人机界面，它的主要功能包括RS －232 串口通信参数的设置，各工作负载的用电状况的显示及对各负载电路是否启用的控制。

图6 上位机人机界面Fig.6 The PC HMI

系统采用RS －232 串口通信方式，具有稳定性好、实时性强的特点，人机界面用VB6. 0 进行开发，具有很强的可视化效果，便于管理员快速、准确地得到舰船当前各用电设备的电能使用状况。

4 结 语

本文提出的基于SOPC 的舰船电能管理系统充分利用了SOPC 的优点，将硬件和软件紧密的结合在一起，充分发挥了FPGA 和嵌入式系统NiosⅡ的灵活性，在保证系统运算能力的前提下，简化了硬件设计和软件开发的步骤，有效降低了系统硬件和软件的复杂度，缩短了开发周期。本文的研究成果可为舰船领域电能管理系统的设计提供一定的参考。

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［3］李文杰．电能管理系统在工业企业供电系统中的应用［J］．电气时代，2007(9):118 －122．

［4］QIAN Mei，WU Zheng-guo，HAN Jiang-gu．Real-time simulation and analyses of ship energy management system network［J］．Energy Procedia，2012(16):1972 －1978．

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［6］唐京城，胡海． 基于SOPC 的实时红外图像处理系统［J］．计算机与数字工程，2006，34(7):168 －171．TANG Jing-cheng，HU Hai． SOPC － based real-time infrared image processing system［J］． Computer ＆ Digital Engineering，2006，34(7):168 －171．

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