智能船舶电站电量数据采集系统设计

欧亚军

(长沙民政职业技术学院，湖南长沙410004)

智能船舶电站电量数据采集系统设计

欧亚军

(长沙民政职业技术学院，湖南长沙410004)

摘要:随着船舶技术与信息化技术的发展，船舶向数字化、信息化和智能化发展已经成为必然的发展趋势。船舶电站是船舶上一种重要的装置，是船舶电力系统的重要组成部分，它的可靠运行对于船舶的安全运行起着重要的作用。船舶电站的电量数据是一个重要的参数，可以用来判断船舶电站的工作状态以及统计分析，因此对船舶电站电量数据的智能采集就成了船舶工作人员必不可少的重要工作。本文设计一种智能船舶电站电量数据采集系统中，采用DSP芯片作为智能船舶电站电量数据采集系统的主控制器对系统进行了专门设计，实现对船舶电站电量数据的实时、智能、精准采集，能够充分满足船舶电站电量数据采集与处理在精确度和实时性等方面的要求，保障船舶安全行驶。

关键词:船舶电站;电量数据;数据采集; 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

随着互联网、物联网、大数据和云计算等各种新兴技术的发展，船舶也逐渐向数字化、信息化和智能化的方向迈进。

船舶电站是船上一种重要的装置，由电动机、发电机和配电装置组成船舶电站，它是船舶电力系统的重要组成部分，是为船舶提供连续电能的设备。船舶电站的可靠运行对于船舶的安全运行起着重要作用。船舶电站结构比较复杂，其各个设备的电量数据是一个重要的参数，可以用来判断船舶电力系统的工作状态以及统计分析，因此对船舶电站电量数据的智能采集就成了船舶工作人员必不可少的重要工作。

DSP是一种数字信号处理器，凭借着其优越的数据处理性能和运算速度，在数据采集与处理领域得到越来越广泛的应用。本文研究了DSP在船舶电

站电量数据采集系统中的应用，采用DSP芯片作为船舶电站电量数据采集系统的主控制器，对船舶电站电量数据采集系统进行了专门设计，实现对船舶电站电量数据的实时、自动、精准采集，能够充分满足船舶电力数据采集与处理在精确度和实时性等方面的要求，保障船舶安全行驶［1］。

1　数据采集系统

在自动化系统的实现过程中，必须要面对和解决就是通过各种传感器准确的得到各种数据，然后通过这些数据来检测和监视工作现场，以达到保证工作现场各种工作设备正常工作的目的。因此对系统中的工作设备进行关键数据的采集，就成了实现整个系统实现自动化的重要前期基础工作。

数据采集系统，是目前应用极为广泛的一种测量设备，主要功能是采集各种数据，然后将数据以信号的形式传送到信号处理系统，之后再根据不同的应用需求对数据信号进行相应的计算和处理。数据采集系统主要的工作过程是，先采集模拟量，然后将模拟量转换成数字量，再对数字量经过相应的处理，最后得到所需的数据。数据处理几乎是所有自动化控制系统中必不可少的环节，系统运行的性能，对于整个系统起着重要的作用。

传统的数据采集与处理系统主要包括以下几个部分:

1)数据采集:主要功能是通过各类传感器或其他数据采集设备采集设备的各种数据，实现压力、压强、温度等非电量参数转换为电量参数的功能;

2)数据存储:在数据采集之后，主要功能是实现对采集到的数据进行存储，以备之后的处理和应用;

3)数据处理:主要功能是对采集到的数据进行针对性的处理，并在处理的基础上，判断分析数据背后体现出来的工作状态。

近来随着数字信号处理技术的发展，出现了DSP芯片，又由于近几年DSP技术逐渐成熟，成本逐年下降，DSP芯片在数据采集与处理方面得到越来越多的使用。

DSP是一种数字处理器，是以数字信号的形式来处理大量信息。其工作原理是接收模拟信号，转换为相对应的数字信号，再对数字信号进行处理。DSP支持流水线的操作方式，而且可以并行执行多个操作，处理速度很快，在一个极短的周期即可以进行一次乘法或加法运算。DSP不仅具有可编程性，而且具有强大数据运算能力与处理速度，这让DSP在数据采集与处理领域得到了广泛应用。

2　船舶电站

船舶电站是船舶上的一种重要的装置，它是船舶电力系统的重要组成部分，是为船舶提供连续电能和动力供应的设备。船舶电站由多个部分组成一个系统，主要由燃油发动机、发电机、配电屏和其他附属设备共同组成［2］。传统的船舶电站结构示意图如图1所示。

图1　船舶电站结构示意图Fig.1　The structure of the ship power station

燃油发动机的主要功能是将汽油、柴油等燃油燃烧，将能量转化为机械能，然后带动发电机运转。

发电机组的主要功能是将机械能转化为电能，是船舶电站电能的来源。一般柴油机船上都装配有2～3台发电机组，互相补充，为船舶提供动力。

主配电屏的主要功能是对发电机组发出的电力，进行控制及合理的分配。

为满足船舶在各种不同工况下，船舶电站都可以为船舶进行连续、稳定、可靠地供电，船舶上一般都配备以下几种电站:

1)主电站:船舶的正常供电电站，船舶正常工作时为全船提供电能。

2)停泊电站:是指船舶处于停泊状态，而又无其他电能供应时，停泊电站工作，为船舶上的所有用电负载提供电能。

3)应急电站:是指船舶在遇到特殊情况，主电站停止工作时，应急电站工作，向船舶提供基本的应急安全保障供电。

4)特殊电站:不同于主电站，其电能供应具有特殊的用途，主要是为船舶上的通讯设备、各种助航设备以及信号报警系统供电。

本文研究的船舶电站电量数据采集系统针对船舶主电站进行。

3　智能船舶电站电量数据采集系统

船舶电站电量数据采集是实现船舶自动化的重要组成部分。要实现船舶电站监控的基础，就是要对船舶电站中设备的相关电量数据进行实时的采集和分析。因此船舶电站电量数据采集系统的重要性就得以体现。

在船舶电站电量数据采集系统中，主要的功能是对电网、发电机和备用蓄电池等装置的电压、电流、频率、相位和功率等参数进行精确而快速地采集和处理。这些数据的采集是对船舶电力系统的整体运行状态进行分析的基础，同时也是对各种电力故障进行分析的前提条件。本文采用DSP作为主控制芯片，设计船舶电力数据采集与处理系统，实现对船舶电力系统中各种电力数据的实时采集与处理［3］。

图2　船舶电站电量数据采集系统框图Fig.2　Block diagram of power data acquisition system of ship power station

图2为船舶电站电量数据采集系统框图，该系统是以DSP作为控制核心，实现对电网、发电机和备用蓄电池等装置的电压、电流、频率、相位和功率等船舶电力数据的各种指标的测量，系统主要实现以下3个功能:

1)数据采集功能:通过各类传感器或互感器，采集系统电压、电流、相位等各种参数数据，然后将采集到的数据通过A/D转换芯片，将模拟信号转换为方便处理的数字信号;

2)数据处理功能:将转化过的数字信号，进行处理、判断和分析，并将这些数据进行存储，以备之后使用;

3) CAN通讯功能，通过CAN通信模块实现与上位机之间的连接，将采集的各种数据发送到上位机进行直观的显示，实现与用户之间的实时便捷的交互［4］。

4　硬件设计

船舶电站电量数据采集系统，主要包括DSP核心控制模块、高速A/D数据转换模块、SRAM高速缓存模块和CAN通信模块等几部分。DSP控制系统如图3所示。

图3　DSP控制系统框图Fig.3　Block diagram of DSP control system

4.1高速A/D转换模块

DSP进行数据处理的前提是将采集到的模拟量转化为数字量。A/D转换部分主要的功能就是实现数据转换。A/D转换部分的数据转换和处理的精度会在很大程度上影响整个系统的工作性能。本系统中的A/D转换芯片，采用TI公司的ADS8364高速转换芯片，该芯片是一种低功耗、双16位的高速模数转换器。ADS8364芯片具有较强的抗噪性，特别比较适合应用于船舶这种航行条件比较复杂、噪声比较大的环境。ADS8364芯片有6个同步采集的模拟量输入通道，可以同时进行6路数据的采集。

4.2 DSP控制模块

DSP控制系统是整个数据采集系统最关键的部分，其运行性能的好坏直接关系到整个系统的性能。本文选用TI公司的TMS320F2812芯片，该处理芯片的速度达到了150 MHZ，处理数据位数也达到了32位。TMS320F2812芯片最大的亮点是其拥有12位16通道的AD数据采集，使其对数据采集与处理得心应手。再加上丰富的外设接口，如CAN、SCI等。该芯片具有成本低、速度快和性价比高等一系列优点，通过评估分析，该芯片在处理速度、实时性和精度等方面的性能，可以满足船舶电站电量数据的实时采集和处理的需求。

TMS320F2812可对数据进行高速的处理，其运算与处理能力相当于普通的单片机的几十倍，可以在很大程度上确保系统的优越控制性能。该控制芯片适合应用于信号实时采集与处理方面，于是将该控制芯片作为电力数据采集与处理系的主控芯片，可以很好地改善系统的整体性能。

DSP控制模块是系统的核心和大脑，承担着与周围各个功能模块的连接与控制，主要功能是实现对电力数据采集以及对采样后的数据进行相关的处理。

4.3高速缓存模块

船舶电站的电量数据容量很大，为了实现对这些大容量数据的高速数据存储，需要增加高速缓存

装置。高速缓存方案一般有FIFO (先进先出)方式、双口RAM方式和高速SRAM切换方式3种。本文综合考虑以上3种高速缓存方案的性能、价格和实现方便性后，结合船舶电站电量数据的特点，最后选用FIFO方式来构成A/D采样高速缓存。

本文根据船舶电站电量数据采集系统的应用需求，选用CY7C4245芯片作为高速FIFO存储器。CY7C4245是一种高速、低功耗的FIFO存储器，其存储量和存储宽带为4 k×18bit，基本可以满足船舶电站电量数据的存储需求。CY7C4245具有独立的18位输入和输出接口，可以实现同步的读写操作，最高读写速度可以达到100 MHZ，并且带有数据重发功能，拥有独立的读写使能管脚。CY7C4245提供5种状态指示当前数据存储的深度，宽度和深度可扩展。CY7C4245的采样点数达到指定的数量时，会触发DSP的外部中断，然后中止测量，然后由DSP对数据进行读取和处理操作。

5　系统软件

软件是数据采集控制系统实现采集功能重要的部分，通过与硬件结合共同完成数据采集与处理的功能。本系统采用TI公司自带的CCS为集成开发环境，采用经典的C语言进行编程设计。

图4　数据采集程序的工作流程图Fig.4　The work flowchart of the data acquisition program

DSP主程序流程图如图4所示。程序的主要工作流程是:首先对系统进行初始化，初始化之后首先装置扫描表，之后启动数据采集，然后判断FIFO缓存是否存满，存满则发出中断信号触发DSP中断。然后DSP检测到中断信号，中断测量，读取数据并进行处理，最后通过CAN通信将处理之后的数据传送给上位机。上位机需要判断是否收到数据，如果确认收到，则停止数据采集，如果没有系统再次返回进行下一轮数据采集工作［5］。

6　结语

船舶电站是船舶电力系统的重要组成部分，其可靠运行对于船舶的安全行驶起着重要的作用。船舶电站的电量数据是一个重要的参数，可以用来判断和分析船舶电站的工作状态。本文利用DSP在数据处理方面快速、精准的特点，将其应用在船舶电站电量数据采集系统中，采用TI公司的DSP2812芯片作为作船舶电站电量数据采集系统的主控制器，对船舶电站电量数据采集系统进行设计与分析，实现对船舶电站电量数据的实时、智能、精准采集，能够充分满足船舶电力数据采集与处理在精确度和实时性等方面的要求。

参考文献:

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［2］黄孝平．一种嵌入式航海数据采集系统方案设计［J］．舰船科学技术，2015，37(1) :225－228．HUANG Xiao-ping．A design of marine radar data acquisition embedded system［J］．Ship Science and Technology，2015，37(1) :225－228．

［3］江国和，符栋梁．基于TMS320VC5509A的声呐阵流噪声数据采集系统［J］．舰船科学技术，2009，29(5) :133－136，155．JIANG Guo-he，FU Dong-liang．Sonar array flow noise data acquisition based on TMS320VC5509A［J］．Ship Science and Technology，2009，29(5) :133－136，155．

［4］孙建红．基于DSP的电量参数采集和处理系统研究［J］．船电技术，2012，32(1)．SUN Jian-hong．Research of electrical parameters sampling and processing system based on DSP［J］．Marine Electric＆Electronic Technology，2012，32(1)．

［5］李爽，钟欣，邵楠楠．船舶电站电量参数分析软件的设计与应用［J］．上海船舶运输科学研究所学报，2013，36(2)．LI Shuang，ZHONG Xin，SHAO Nan-nan．Design and application of electric power parameter analysis software for ship power station tests［J］．Journal of Shanghai Scientific Research Institute of Shipping，2013，36(2)．

作者简介:欧亚军(1981－)，男，硕士，实验师，研究方向为嵌入式技术与物联网技术。

收稿日期:2015－02－28;修回日期: 2015－04－27

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

中图分类号:U665．261

文献标识码:A