分析船舶電站控制器異常信號采集方法

時建鋒

大連中遠(yuǎn)海運海事工程技術(shù)有限公司南通分公司 江蘇 南通 216002

1 設(shè)計船舶電站控制器異常信號的采集系統(tǒng)

1.1 優(yōu)化設(shè)計采樣結(jié)構(gòu)

為了確保重組后控制器采集信號過程的安穩(wěn)性，將一個ADSP-21060CZ-160處理器裝置到控制器內(nèi)，在同步處置多源對通道信號過程中其提供較可靠的支撐作用，且還參與4通道之下的信號合成、分析測算過程，起到保障性作用，較明顯地提升了信號采集效率。

1.2 優(yōu)化計算CAN總線協(xié)議

在控制器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)束后，便進(jìn)入到優(yōu)化計算調(diào)控其內(nèi)CAN總線異常信號采集協(xié)議的過程。在具體優(yōu)化階段，因收集、通訊電站異常信號階段表現(xiàn)出連貫性、時效性特征，這就預(yù)示著在同一個時間點位下，若數(shù)個異常采集節(jié)點同步傳送出特征存在差異的信號時，傳送階段CAN總線能識別到的各種異常信號周期量會出現(xiàn)相互抑制的狀況[1-2]。在這樣的工況下，如果不配合用傳輸協(xié)議自帶的幀頻進(jìn)行干預(yù)，快速拓展傳輸信道的幀頻參量，那么處在節(jié)點尾端的弱態(tài)信號傳送過程會出現(xiàn)不同程度的延時情況，進(jìn)而導(dǎo)致信號傳輸無法實現(xiàn)同步，滋生出延遲問題。

為規(guī)避以上不良狀況，在本課題研究中提出的方法內(nèi)，針對保留下來的CAN總線通信協(xié)議，采集異常信號階段要優(yōu)先計算出動態(tài)優(yōu)先量[3]。密切監(jiān)測信號采集節(jié)點通信階段的傳送狀態(tài)，若辨識到某個節(jié)點突發(fā)傳送失敗或者節(jié)點傳送出現(xiàn)臨近末端等改變時，算法便會自動提升失敗或靠后信號節(jié)點的優(yōu)先等級，借此方式確保下一次采集階段信號靠前傳輸?shù)臅r效性。具體優(yōu)化計算階段，將被優(yōu)化節(jié)點幀頻協(xié)議細(xì)化為3層去進(jìn)行相關(guān)操作，依次是指令優(yōu)化層、優(yōu)先級提升計算層、節(jié)點綁定層，對應(yīng)的優(yōu)化碼分別為F24-F20、F19-F12、F3-F0。

本課題優(yōu)化CAN總線協(xié)議階段增置了停機傳輸控制指令，借此方式使停機動作發(fā)出過程安穩(wěn)性有更強大保障。規(guī)劃設(shè)計該指令階段，把命令設(shè)定為最高優(yōu)先級m，利用下式表示命令式[4]：

在①式內(nèi)，s、i分別表示的是協(xié)議內(nèi)初有的優(yōu)先級參量、優(yōu)先提升優(yōu)化實施失敗頻次。優(yōu)化期間，如果某個算法對連續(xù)3次優(yōu)先提升一個節(jié)點均以失敗告終，那么就智能啟用保障性優(yōu)化命令，同時把該命令的優(yōu)先級提升至最優(yōu)的級別。

1.3 測算異常信號對應(yīng)的子空間空間追蹤鎖定情況

具體是應(yīng)用子空間追蹤算法去執(zhí)行這個過程，具體運作過程可以做出如下闡述：

設(shè)異常采集信號對應(yīng)的目標(biāo)集合體是u =cγ ，u 是子空間內(nèi)信號的向量Z×1，c表示信號的原始狀態(tài)I×1（Z≤I×1＜I），γ 是子空間異常信號對應(yīng)的采集矩陣，據(jù)此能獲得被采集信號的原始誤差值是t0=u ，信號出現(xiàn)的頻次周期量用L表示，綁定異常信號的目標(biāo)時主要運行如下幾個流程：

首先，導(dǎo)入數(shù)據(jù)。具體是導(dǎo)送信號采集矩陣γ ，歷經(jīng)規(guī)范化監(jiān)測分析以后，將異常信號設(shè)定成u ，信號出現(xiàn)的頻率周期量設(shè)為L。

其次，進(jìn)行歸一化測算。假定內(nèi)持有L個最大極值，這就譽為這把所有最大極值對應(yīng)的異常節(jié)點空間參數(shù)設(shè)定成異常參量的基礎(chǔ)參量集V0，重組信號參量，使信號目標(biāo)量符合c0=0，誤差量t0=u。

再者，推進(jìn)循環(huán)計算過程。

（1）設(shè)定l=1，檢查搜索該條件下誤差數(shù)值極為相近的L個信號值。

（2）搜索異常信號集合o中儲留最大的L個極值目標(biāo)量，同時將檢索量整合至綁定目標(biāo)的合集N內(nèi)。

（7）鎖定以后，將異常信號c輸出。

2 信號智能采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)是實現(xiàn)自動采集船舶電站異常信號的重要基礎(chǔ)，系統(tǒng)的功能主要有采集控制器的電壓、電流、相位與功率等參數(shù)信息，并配合實施相應(yīng)處理。本文在設(shè)計系統(tǒng)時選用DSP作為主控制芯片，通過完善設(shè)計過程、強化系統(tǒng)功能等，實現(xiàn)對各種異常信號數(shù)據(jù)的動態(tài)采集與處置。該系統(tǒng)的功能主要有三個：一是采集數(shù)據(jù)，以各種類型的傳感器或互感器為基礎(chǔ)，殘疾各類參數(shù)信息，而后以A/D轉(zhuǎn)換芯片為媒介，把模擬信號轉(zhuǎn)型為便于處理的數(shù)字信號；二是處理數(shù)據(jù)：處理、判別、分析及存儲數(shù)字信號，便于后期取用；三是CAN通訊，具體是利用CAN通信模塊和上位機之間建設(shè)銜接關(guān)系，把前期收集到的各種數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一傳送至上位機，直觀地呈現(xiàn)出來，促進(jìn)和用戶群體之間實時性、便捷式交互過程。

2.1 硬件設(shè)計

（1）高速A/D轉(zhuǎn)換模塊：把采集到的模擬量轉(zhuǎn)型成數(shù)字量是DSP處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，A/D的功能以轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為主，其轉(zhuǎn)換與處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響著整個系統(tǒng)的作業(yè)性能[6]。本系統(tǒng)研發(fā)階段選用了TI公司的ADS8364高速轉(zhuǎn)換芯片，該芯片的特征有低功耗、抗噪性強等特征，其帶有6個同步采集的模擬量輸入通道，這就預(yù)示著其能同步采集到6路信號數(shù)據(jù)。

（2）DSP控制模塊：該模塊是信號智能采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其運轉(zhuǎn)新能直接影響這為整個系統(tǒng)的功能。本文應(yīng)用TI公司自主研發(fā)的TMS320F2812芯片，該芯片的速度高達(dá)150MHz，能準(zhǔn)確處理32位數(shù)。TMS320F2812芯片最典型的特征是持有12位置16通道的AD信息采集，外設(shè)CAN、SCI等接口，能順利的落實采集與處理故障信號數(shù)據(jù)的任務(wù)，滿足實時采集與處置船舶電站控制器異常信號的主觀需求。

（3）高速緩存模塊：流經(jīng)船舶電站控制器的電量數(shù)據(jù)容量相對較大，為實現(xiàn)對批量化數(shù)據(jù)的快速存儲，需要增設(shè)高速緩存模塊。緩存方案通常有先進(jìn)先出（FIFO）、雙口RAM與高速SRAM切換方式三種[7]。本文課題研究中綜合分析如上三種緩沖方案的性能、成本及實現(xiàn)便捷性以后，參照既往船舶電站控制器故障信號的發(fā)生規(guī)律與特征，最后決定選用FIFO去構(gòu)建A/D高速緩存模塊。結(jié)合采集與處理異常信號的需求，選用CY7C4245芯片作為FIFO存儲器，該芯片存儲量和存儲寬帶是4k×18bit，大體能滿足存儲電站控制器異常信號數(shù)據(jù)的現(xiàn)實需求，且芯片有獨立的18位輸入輸出接口，能使用讀寫操作的同步性得到更大保障，讀寫速度最大為100MHz，且自帶重發(fā)數(shù)據(jù)的功能。

2.2 軟件設(shè)計

軟件是采集系統(tǒng)實現(xiàn)采集信號數(shù)據(jù)功能的主要部門之一，其通過和硬件設(shè)施配合、整合，將采集與處理數(shù)據(jù)的功能充分出來。本系統(tǒng)設(shè)計時選用了IT公司CGS作為集成研發(fā)環(huán)境，利用C語言完成編程設(shè)計。

分析DSP主程序的實施過程，可以做出如下概括：首先，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，而后裝設(shè)掃描儀表、開啟數(shù)據(jù)采集按鈕，判別FIFO緩存時候達(dá)到存滿狀態(tài)，存滿時傳送出斷離信號用于斷離觸發(fā)DSP控制系統(tǒng)[8]。其次，DSP系統(tǒng)檢測到斷離信號，中斷檢測過程，獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)信息并加以處理。最后，利用CAN總線自帶的通信功能把處理后的數(shù)據(jù)傳送到上位機。針對上位機是否接收到數(shù)據(jù)的情況做出科學(xué)判斷，若確定收到，則暫停數(shù)據(jù)采集過程，反之系統(tǒng)自動返回循環(huán)采集下一輪異常信號數(shù)據(jù)。

3 仿真實驗與統(tǒng)計結(jié)果

利用仿真測試流程去仿真模擬船舶電站異常信號采集情況，共計模擬100組，將每10組異常信號設(shè)定為1個測試周期進(jìn)行規(guī)劃，共計設(shè)定了10個測試周期；記錄各周期的信號采集率和采集響應(yīng)具體時間，并和優(yōu)化設(shè)計之前的采集方法進(jìn)行對照分析，獲得相應(yīng)的結(jié)論。檢測結(jié)果被統(tǒng)計在表1內(nèi)[9]。

比較表1內(nèi)的數(shù)據(jù)信息后發(fā)現(xiàn)，提出優(yōu)化設(shè)計建議以及對控制器采集方法實施相應(yīng)策略以后，和優(yōu)化前的異常信號采集方法相比較，異常信號采集率顯著提升，處理響應(yīng)時間顯著短縮，由此可見，本課題研究中提出的新型電站異常信號采集方法靈敏度、準(zhǔn)確度均處于較高層面上，具有一定推廣價值。

表1 異常信號采集效果仿真實驗結(jié)果統(tǒng)計表

4 結(jié)束語

針對常既往的船舶電站異常信號采樣方法在實施階段存在的信號傳輸同步性較差、延遲問題等，在分析控制器結(jié)構(gòu)特征及相關(guān)算法實施步驟的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型的電站控制器異常信號采集法，有針對性的重組設(shè)計了控制器結(jié)構(gòu)、CAN總線通信協(xié)議及優(yōu)化計算了異常信號的目標(biāo)鎖定情況，較明顯地提升了控制器異常信號采集敏感度和精準(zhǔn)性，基于仿真實驗過程得以檢測驗證。希望能和同行分享經(jīng)驗方法，為控制與專研船舶電站異常信號提供嶄新的思路。