艦艇交流用電設備運行參數監測系統設計

李桂巖，姜海龍

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艦艇交流用電設備運行參數監測系統設計

李桂巖，姜海龍

（海軍潛艇學院，山東青島 266071）

介紹了由工業級平板電腦與C8051F500單片機利用CAN總線組成的分布式監測系統，詳細描述了系統硬件結構和軟件結構。實現了艦艇交流用電設備運行參數的自動檢測、記錄、保存、導出等功能。實踐證明該監測系統具有實時性好，工作穩定可靠，操作使用簡便，圖形界面友好等優點。完全真正達到了減輕艇員工作量、加強用電設備的監控、為日后設備維護維修提供參考數據的目的。

平板電腦 單片機 CAN總線 監測系統

0 引言

艦艇交流用電設備運行參數監測系統（簡稱監測系統）能實現艦艇交流用電設備的電流電壓的自動檢測，用電設備運行時間和啟動次數的自動記錄，定時保存檢測結果和設備的工作狀態，事后可通過導出記錄文件，對用電設備的運行狀態做進一步分析處理。該監測系統的應用不僅減少艇員檢查、記錄用電設備狀態的工作量，加強用電設備運行狀態的監控，保障艇員人身安全，也為日后維修用電設備提供更準確的參考數據。

隨著測控技術的發展，監測系統和監測儀器實現的方法和手段在不斷更新。本文介紹的艦艇交流用電設備運行參數監測系統采用分布式結構。主機是一臺平板電腦用于完成數據處理、檢測結果和設備狀態顯示及人機交互等任務，從機為C8051F500單片機主要完成定時數據采集、數據濾波、數據傳送等任務。

1 系統硬件設計

1.1 總體方案設計

為保證艦艇環境下能可靠地工作運行,主機選用工業級平板電腦。具備堅固、防震、防潮、防塵、耐高溫等特點。系統配置：最大內存2GB、板載千兆網卡、4個RS232串行口、2個USB2.0端口、7寸五線電阻觸摸屏，是一款適用于測控領域的理想平板電腦。操作系統是Windows XP,開發軟件是LabWindows/CVI。從機采用C8051F500單片機，該單片機具有高速8051微控制器內核、速度可達50MIPS，4352字節內部數據存儲器，64KB的FLASH存儲器，5個通用16位定時器，1路UART串行口，1路CAN2.0B總線，32通道的可編程12位分辨率的ADC。在不需要增加外部器件的情況下能實現32路模擬量的數據采集，完全滿足監測系統的要求。主機與從機之間采用CAN總線實現串行通信。

艦艇交流用電設備運行參數監測系統具有如下功能：用電設備電流電壓值采集、數據處理、數據傳送、設備運行時間及啟動次數計數、設備狀態設置、人機界面顯示等。系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 艦艇交流用電設備運行參數監測系統結構示意圖

1.2 數據采集功能設計

監控系統的數據采集是由C8051F500單片機每隔10 ms就分別對1號液壓泵、2號液壓泵、主疏水泵、艙底泵等十二項用電設備的電流、電壓巡回檢測。為了提高可靠性，每路電流或電壓連續采集16次，用算術平均值作為本路測量值。

電流檢測采用FZ系列穿孔穿芯一體化交流電流變送器，它可以直接將被測主回路交流電流轉換成按線性比例輸出的DC 4～20 mA，通過250 Ω精密電阻轉換DC 1～5 V電壓，經C8051F500單片機進行數據采集、數字濾波后通過CAN總線傳送給主機。

FZ系列產品為單匝穿孔穿芯式結構，使用時無需改動測量主回路，便于現場連接，原副邊高度絕緣隔離，兩線制輸出接線，輔助工作電源+24 V與輸出信號線DC4～20 mA共用。具有精度高，體積小、功耗小、頻響寬，抗干擾，兩線端口防感應雷能力強，具有雷擊波和突波的保護能力等優點。其接線圖如圖2所示。

電壓檢測采用FZL系列單交流電壓變送器，它可以直接將被測主回路交流電壓轉換成按線性比例輸出的DC 4～20 mA，通過250 Ω精密電阻轉換DC 1～5 V電壓，經C8051F500單片機進行數據采集、數字濾波后通過CAN總線傳送給單板電腦，由單板電腦處理后在屏幕上顯示出相應的電壓值。

圖2 FZ系列交流電流變送器接線圖

FZL系列單交流電壓變送器，采用集成變送器ASIC芯片將被測工頻交流電壓轉換成按線性比例輸出的標準直流信號。FZL系列單交流電壓變送器應用接線如圖3所示。

圖3 FZL系列單交流電壓變送器應用接線圖

1.3 運行時間及啟動次數設計

電流、電壓變送器的輸出值是4～20 mA，經250 Ω精密電阻轉換后得到的電壓為DC1～5 V。也就是說當用電設備在停止工作的情況下，即電流等于零時，變送器輸出電流為4 mA，經250 Ω精密電阻轉換后得到的電壓為DC 1 V。用變送器輸出的電流小于或等于4 mA，可判定用電設備停止工作。為了提高檢測的可靠性，實際檢測中三相電中有二相的變送器輸出的電流小于或等于4 mA判定用電設備停止工作。當變送器再次輸出的電流大于4 mA（實際大于10 mA）時，判定用電設備啟動工作，啟動次數加“1”。當用電設備啟動工作后，運行時間計時器開始工作，按照時、分、秒的格式，每秒鐘計數一次，滿60秒計1分鐘，滿60分鐘計1小時。在實現本次工作計時的同時，還將每臺設備的累計工作時間進行統計，在屏幕上實時顯示。

1.4 人機界面功能設計

平板電腦顯示區域 178.0×127 mm ，顯示對角尺寸 7 英寸，觸摸類型五線電阻式觸摸屏，分辨率 4096×4096。保存溫度 -20 ～ +60℃，工作環境溫度 0 ～+50℃，濕度 5%—95% 。為友好的圖形界面做好了硬件基礎。

1.5 串行通信功能設計

平板電腦與單片機之間采用CAN總線。C8051F500單片機本身具有CAN2.0B總線，平板電腦通過USBCAN I調試器與C8051F500單片機的CAN總線聯接，USBCAN I調試器功能特點如下：

1）USBCAN I調試器帶有1路CAN接口，平板電腦可以通過USB總線連到CAN網絡中，構建現場網絡的CAN 核心控制單元；

2）USBCAN I 調試器可以被作為一個標準的CAN 節點，是CAN 總線產品開發，CAN 設備測試及數據分析的強大工具；而且USBCAN I 調試器具有體積小、方便安裝等特點；

3）USBCAN I 調試器可以利用提供的CANMonitor 工具軟件，直接進行CAN 總線的配置，發送和接收；

4）USBCAN I 調試器設備中，CAN 總線電路采用獨立的DCDC 電源模塊，進行磁耦合隔離，使該接口適配器具有很強的抗干擾能力，大大提高了系統在惡劣環境中使用的可靠性。

2 系統軟件設計

系統軟件分為兩部分，即平板電腦應用軟件和單片機應用軟件。

2.1 平板電腦應用軟件設計

平板電腦采用Windows XP 操作系統平臺，利用LabWindows/CVI開發軟件，開發了平板電腦應用軟件。該軟件分三個部分：用戶界面、數據通信、系統維護。

1）用戶界面包括：檢測數據顯示界面，主要是顯示當前用電設備運行的電流電壓參數、設備本次運行時間和設備累計運行時間、設備啟動次數等內容；設備運行狀態界面，主要是顯示用電設備當前運行狀態是工作還是停止，工作狀態情況下的檢測到的參數值等；文件顯示界面，主要用于顯示實時檢測中保存在文件中的參數值，以及維護與維修時的記錄文件內容。

2）數據通信包括：拷貝庫函數文件到工作目錄下，即庫函數文件總共有二個文件：ControlCAN.h、ControlCAN.dll和一個文件夾kerneldlls。拷貝當前工作目錄下；改寫頭文件；生成動態連接庫導入庫并導入ControlCAN.lib，將頭文件ControlCAN.h添加到工程文件中；定義VCI_CAN_OBJ 結構體；編寫初始化模塊包括：打開設備、初始化、啟動設備；編寫發送數據模塊，接收數據模塊。

3）系統維護包括：系統初始狀態設置，主要有檢測日期、檢測時間、運行時間、啟動次數等參數設置；檢測數據導出，主要是將實時檢測數據導到微機上進一步分析或輸出打印；維護與維修登記等。

2.2 單片機應用軟件設計

單片機應用軟件是采用Keil開發工具，使用C語言編寫的應用程序。包括：系統配置模塊、數據采集模塊、數據通信等三個模塊。

1）系統配置模塊，時鐘源采用內部振蕩器、時鐘頻率24 MHz；串行通信使用CAN總線，P0.6、P0.7配置為發送和接收端口；P1、P2、P3配置為模擬輸入端口，作為ADC模擬量的輸入線。

2）數據采集模塊，由定時計數器2每間隔10 μs啟動一次ADC轉換器工作，每個通道連續采集16次，根據16次檢測值求出算術平均值作為通道的當前檢測值。ADC轉換器按照用電設備的編排順序依次完成數據采集工作，每隔10毫秒循環檢測一次。

3）數據通信模塊，采用CAN總線，首先對32個消息對象進行清零處理。然后配置發送、接收消息對象，基本參數為：波特率為1MB/S，每幀數據為8個字節，設置為標準的掩碼和仲裁方式，允許發送和接收中斷。由于每個電流或電壓的檢測值占用2個字節，每幀數據最多只能傳送4個測量值，每個用電設備至少需要檢測兩相電流一個電壓， 12項用電設備至少定義9個發送消息對象以區分各種用電設備的測量值。定義1個接收消息對象作為單片機接收平板電腦的數據和命令。

3 結束語

本文就工業級平板電腦與C8051F500單片機利用CAN總線組成的分布式監測系統進行了詳細論述。該系統充分發揮了工業級平板電腦穩定性、可靠性高，圖形界面友好，C8051F500單片機運算速度快、存儲容量大、模擬輸入通道多的特點。是一款理想的工控監測系統，具有廣泛的應用前景。

[1] 王建新, 隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術及工程應用[M]. 北京:化學工業出版社, 2011.

[2] 陳小米,張浩.基于AMR的艦船車鐘記錄儀設計[J].船電技術, 2012, 32（3）: 9-11.

Design of Monitoring System of Operating Parameters Based on AC Equipment of Warships

Li Guiyan, Jiang Hailong

(Navy Submarine Academy, Qingdao266071, Shandong, China)

TP277

A

1003-4862（2013）04-0001-03

2012-08-24

李桂巖（1957-），男，教授。研究方向：計算機應用。