船舶電力數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計

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輸工具，在貨物和人員運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)定運行對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，船舶機艙內(nèi)裝載了越來越多的高端電氣設(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、檢測設(shè)備、通信設(shè)備和控制設(shè)備等，這些電氣設(shè)備的運行狀態(tài)不僅對于船舶供電系統(tǒng)的穩(wěn)定起著重要的作用，同時也是保障整個船舶安全行駛的關(guān)鍵，因此需要對這些電氣設(shè)備進行實時的監(jiān)控。監(jiān)控的基礎(chǔ)是要對這些設(shè)備的相關(guān)電力數(shù)據(jù)進行實時的采集和分析，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，對船舶三相電壓和三相電流，以及各個用電設(shè)備的用電電壓、用電電流進行精確而快速地采集和處理，是對船舶電力系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)進行分析的基礎(chǔ)，同時也是對各種電力故障進行分析的前提條件。如果要實現(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作為系統(tǒng)的主控制器。單片機處理系統(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)字信號方面有些力不從心，大量數(shù)字信號的各種復(fù)雜運算會耗費很大的資源，在很大程度上影響整個系統(tǒng)的性能。隨著數(shù)字信號處理技術(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越多的使用。

本文采用DSP 作為主控制芯片，設(shè)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。

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)的主要功能是對船舶上各種電力設(shè)備上的電力數(shù)據(jù)的指標和參數(shù)進行采集、測量和處理，為以后的運行狀態(tài)監(jiān)控和故障分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些待測的電力數(shù)據(jù)的指標參數(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，實現(xiàn)對船舶電力數(shù)據(jù)的各種指標的測量。

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)主要實現(xiàn)以下3 個功能:

1)數(shù)據(jù)采集與處理功能: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(zhuǎn)換芯片，將模擬信號轉(zhuǎn)換為方便處理的數(shù)字信號，并將這些數(shù)據(jù)進行存儲，以備之后使用;

2)故障檢測與保護功能:將A/D 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化過的信號，判斷各種故障條件，并根據(jù)故障等級及時作出相應(yīng)處理，以達到保護船舶供電系統(tǒng)和各個用電設(shè)備的目的。

3)CAN 通信功能，通過CAN 通信模塊實現(xiàn)與上位機之間的連接，主要負責接收、處理和發(fā)送與上位機之間的各種數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)與用戶之間的實時便捷的交互。

2 系統(tǒng)功能

1)電壓和電流測量

電壓和電流數(shù)據(jù)采集的基本原理是:電壓信號經(jīng)過傳感器送到，計算機接受數(shù)據(jù)量，然后通過經(jīng)過標度變換轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H的電壓量。本系統(tǒng)中被測電壓和電流通過變送器，再送到ADS8364 內(nèi)進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，DSP 在程序控制下采集、處理此數(shù)據(jù)量。

2)頻率和周期測量

TMS320F28035 本身含有定時器/計時器，為測量周期和頻率提供了基礎(chǔ)。

頻率測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測量單位時間內(nèi)頻率信號的脈沖個數(shù)，以此來計算得到頻率。周期法的基本工作原理是記錄1 個信號周期內(nèi)基準定時脈沖的個數(shù)，然后將其換算成相對應(yīng)的頻率，以此來得到頻率。

表達公式如下:

其中，n 為脈沖的個數(shù);t 為時間，即周期。

本文采用周期法對電壓或電流信號的頻率進行測量和計算。首先將被測電壓、電流的標準正弦信號整形為對應(yīng)的方波信號，通過判斷上升沿來確定脈沖的個數(shù)。

3)相位測量

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，信號的相位檢測也是重要的一部分。信號相位檢測一般都需要借助于鑒相電路來實現(xiàn)。鑒相電路的主要工作原理是計算輸入的2 個信號之間的相位差，并將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的脈沖寬度，然后通過該脈沖寬度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓信號，以此來計算2 個輸入信號之間相位的時序與相位差的大小。根據(jù)信號的類別，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。在對信號進行鑒相之前，首先要先將標準的正弦電壓或電流信號，通過過零檢測電路或其他手段，將正弦信號轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的方波序列脈沖信號。之后，鑒相電路根據(jù)輸入信號和參考信號之間的過零點的時間差來進行判斷，最后的輸出信號同樣也是脈沖信號。

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系統(tǒng)的核心。圖2 是本系統(tǒng)的各個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(guān)的處理，同時通過CAN 通信模塊與PC 上位機之間進行通信，實現(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，是整個系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，其性能的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的狀態(tài)。本系統(tǒng)采用美國TI 公司的TMS320F28035 作為主控芯片。

可對電力數(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。

3.2 CPLD 邏輯控制模塊

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

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)送過來的指令，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)的動作，簡而言之就是替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 個可拓展I/O 口，極大方便了以后擴展。EPM1270 芯片包含980 個可編程邏輯宏單元和8 kB 的Flash 存儲空間。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，是整個系統(tǒng)的前端，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片，同樣采用的是美國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 芯片具有較強的抗噪性，它在工頻50 kHz 讀取數(shù)據(jù)時，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 個同步采集的模擬量輸入通道，可以同時處理6 種不同的數(shù)據(jù)。ADS8364 芯片有6 個采樣保持電路，一共分成3 組，每組都由1 個HOLD 引腳進行控制。

3.4 CAN 通信模塊

CAN 通信時指一種串行數(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，可以方便的實現(xiàn)與PC 上位機之間數(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CAN 收發(fā)器，就可以實現(xiàn)與上位之間的CAN 通信，外部電路十分簡單。

4 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用TI 公司自帶的CCS 為集成開發(fā)環(huán)境，采用C 語言進行編程設(shè)計。

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DSP 控制系統(tǒng)自身進行初始化，完成CPU 內(nèi)核、外設(shè)功能和全局變量3 個部分的初始化工作，然后程序進入循環(huán)狀態(tài)，等待上位機CAN 的控制指令。當DSP 收到上位機發(fā)送過來的控制指令后，選擇確定的處理算法，同時向CPLD 邏輯控制模塊發(fā)出動作命令，讓其控制A/D 轉(zhuǎn)換模塊，使A/D 轉(zhuǎn)換模塊進行信號的采集，并進行存儲［4］。

主程序通過計數(shù)中斷調(diào)用中斷子程序，中斷子程序執(zhí)行算法，完成各個模塊的主要功能，主要包括數(shù)據(jù)采樣與處理、故障檢測與保護和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，在外部時鐘信號的作用下，A/D 轉(zhuǎn)換芯片等待DSP 的HOLD 保持信號，當信號來臨時，啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成時，A/D 轉(zhuǎn)換芯片傳送中斷信號給DSP，使其對所需的通道結(jié)果寄存器進行讀?。?］。

5 結(jié) 語

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

對船舶上各種設(shè)備的電力數(shù)據(jù)的實時采集和處理對于保證船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及船舶的安全行駛起著至關(guān)重要的作用。本文對船舶電力數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進行了設(shè)計，采用DSP 芯片作為該系統(tǒng)的主控制器，通過增加CPLD 邏輯控制芯片和A/D 轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)了對船舶電力數(shù)據(jù)的實時采集、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時性等方面的要求，保障船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，為船舶在水域中安全行駛提供保障。

［1］張菊，張淑娥．基于DSP 的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計［J］．電力系統(tǒng)通信，2006，27(159)．

［2］劉懌恒．基于FPGA 的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計［D］．長沙:湖南大學(xué)，2013．

［3］查明，劉慶．基于CPLD 的大功率發(fā)射機激勵信號檢測電路設(shè)計［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2008(S1):101 －104．CHA Ming，LIU Qing．The design of the circuit to detect CPLD-based exciting signal of large power transmitter［J］．Ship Science and Technology，2008(S1):101 －104．

［4］蔣曉峰，施偉鋒，劉以建，等．基于觸摸屏和PLC 的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］．電力自動化設(shè)備，2011，(1):122－125．

［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［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．