嵌入式油船排油監控系統的設計

白艷祥，曾鴻，牟鑫，張均東

嵌入式油船排油監控系統的設計

白艷祥，曾鴻，牟鑫，張均東

（大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連 116026）

以基于ARM Cortex?-M3內核的STM32F107VCT6微處理器為硬件平臺，將μC/OS-II嵌入式實時操作系統移植到微處理器之上，搭建了系統軟件開發平臺，開發出排油監控系統控制器，集數據采集、GPS定位、分析計算、指令執行、數據存儲、記錄打印等功能于一體。給出了控制單元具體的軟硬件實現方法，在.Net開發環境下利用Visual C#編程語言完成計算機監控軟件的構建，實現了與控制單元的通信。在油船貨油裝卸模擬系統的運行結果表明，該排油監控系統可滿足國際海事組織(IMO)關于油船排油監控系統的有關要求。

排油監控 嵌入式 STM32F107VCT6 μC/OS-II 監控軟件 Visual C#

0 引言

隨著全球石油海運量的增加以及油船噸位的加大，油船洗艙水、壓載水等含油污水量必然會增加，加上各種技術與人為的因素，每年排入海洋中的含油污水也隨之增多。《MARPOL 73/78防污公約》附則I第15（3）（a）條明確規定，150總噸及以上的油船應裝有經主管機關批準的排油監控系統。國際海事組織（IMO）海上環境保護委員會第49屆會議以MEPC.108(49)決議的方式通過了《修訂的油船排油監控系統指南和技術條件》，根據該決議要求，我國于2009年發布GB/T12918-2009《油船排油監控系統技術條件》[1]。本文根據以上公約及標準設計一套嵌入式油船排油監控系統，并將打印驅動控制等模塊集中于一體，使結構安裝更加簡單，能夠滿足標準及技術要求。

1 系統的總體設計及工作原理

圖1為排油監控系統的結構框圖[1]。取樣探針裝于排污管道上，系統工作時，取樣泵按程序定時啟動，從探頭取樣進入油份計，油份濃度以標準4-20 mA信號形式送入控制單元。流量計安裝在排污管道上，將當前污水流量以4-20 mA信號形式傳送給控制單元，以便和油份計一起計算累計排油量。船上自帶的航速測量模塊將船速以標準4-20 mA信號的形式傳送給控制單元。公約要求不同海域的油污排放標準是不一樣的，控制單元與GPS模塊采用RS485通信方式獲取當前船位信息，判斷當前船舶所處的海域。控制閥主要包括排污管道上的循環閥和排海閥，執行排放控制命令。正常排放時，排海閥打開循環閥關閉，將含油污水排至舷外，相反，當油污不達標或總排量超標時，循環閥打開，排海閥關閉使含油污水回流至污水艙。此外控制閥還包括凈水沖洗管路上的電磁閥控制沖洗水流通。

本系統包括一套實時監控軟件，安裝于貨控室監控計算機上，可以在軟件上進行系統的狀態監視與相關遙控操作，與控制單元采用嵌入式以太網進行通信。

圖1 排油監控系統結構圖

2 嵌入式控制單元的軟硬件設計

根據系統的需要，選用基于ARM Cortex?- M3內核的STM32F107VCT6微處理器為控制核心，該處理器自帶512 KB高速Flash片內存儲器，128位寬度的存儲器接口和加速結構可以使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，同時在片內集成了SPI接口、I2C接口、實時時鐘控制器、以太網、看門狗等非常豐富的片上功能模塊，完全能夠滿足系統的要求[2]。圖2為嵌入式控制單元的硬件構成。

2.1 硬件設計

1）電源電路

本模塊采用直流24 V穩壓電源供電，在系統中應用到模擬電源和模擬地。為了降低噪聲和系統的電源出錯幾率，模擬電源與數字電源、模擬地與數字地應該進行隔離。本設計采用貼片磁珠將數字電源的高頻噪聲進行隔離。

圖2 嵌入式控制單元硬件總體框圖

2）開關量輸出電路

由微處理器的6路GPIO經過光電隔離輸出擴展6路繼電器輸出控制電路，由繼電器控制取樣泵、聲光報警以及控制閥的驅動電路。

3）模擬量輸入電路

本系統中油份濃度、船速以及流量信號均以4-20 mA的形式傳送給微處理器，而STM32F107內嵌的AD轉換器只能識別電壓信號，其工作電壓是+3.3 V。需要對電流信號進行調理，使其轉換為在AD測量范圍內的電壓信號。詳細電路圖如圖3。

圖3 模擬量輸入電路

4）GPS通信模塊

微處理器通過MAX485電平轉換芯片與GPS通信獲取當前的船位信息，實現不同區域按不同標準排放。

5）監控數據存儲單元

根據GB/T12918-20095的要求，船舶排油監控系統的控制部分能將系統運行過程中的一些重要參數、排放開始時間、排放終止時間、報警開始與結束時間以及一些手動操作命令等以電子的方式存儲起來。本文選用新一代記憶設備SD卡，具有高記憶容量、數據傳輸率快速、移動靈活性以及很好的安全性等優點。

6）監控數據打印記錄單元

根據GB/T12918-20095的要求，船舶排油監控系統的控制部分的記錄裝置應包括一個可電子格式化的打印機，記錄的參數應在打印紙上清晰顯示，一旦從記錄裝置中取下也能保持原樣，并應至少保存3年。在排油監控系統監測期間，每隔10 min打印機自動打印記錄時間和日期、船速、船舶經度和緯度、流量、瞬間排放率、油份濃度、排油總量等信息數據。系統發生報警或故障等情況時也會自動打印記錄相關數據。

本設計中采用周立功公司的ZYTP80微打控制芯片和愛普生M-T532微打機芯[3]。將打印機硬件及軟件驅動集成到控制單元板卡上。ZYTP80芯片內嵌熱敏打印機驅動電路和驅動控制程序，集成度較高，便于工程師開發應用。微打控制芯片通過控制線和電源線驅動熱敏微打機芯。主控CPU端通過UART發送相應的指令控制ZYTP80系列微打控制芯片完成打印記錄工作。詳細電路圖如圖4所示。

圖4 打印記錄模塊電路

如圖4所示端子J1和J2用來連接愛普生M-T532微打機芯和ZYTP80微打控制芯片，電路中有POWER電源指示燈，OFFLINE指示燈和ERROR指示燈，端子座P2外接ON/OFFLINE和FEED兩個按鍵。OFFLINE指示燈為黃色，當亮起時說明打印機為在線狀態，可以通過微處理器發送指令工作；當閃爍時，說明打印機為離線狀態，此時不能接受任何指令。打印機的離線狀態和在線狀態可以通過ON/OFFLINE按鍵來切換。ERROR指示燈為紅色，是錯誤指示燈，當打印機正常工作時，此燈不亮，當打印機發生錯誤，或者打印機中缺紙，都會由此燈閃爍提醒。FEED按鍵用來進紙，如果先按住FEED按鍵再上電，則會打印一段測試數據。

ZYTP80微打控制芯片的RXD和TXD兩個引腳與微處理器的串口引腳連接，完成打印控制命令的傳送。

7）時鐘模塊

船舶排油監控系統需要顯示、記錄并能存儲的監控狀態參數應包括含油污水排放的時間，日期等。STM32F107VCT6處理器內部帶有RTC實時時鐘，精度高，正常運行時使用系統的3.3 V電源，而在系統斷電時則由備份電池供電保證時間信息持續不丟失。

8）以太網通信模塊

以太網通信模塊完成控制單元與貨控室監控計算機的通信。STM32F107內部集成高性能的以太網模塊，只需外部連接以太網物理層（PHY）芯片即可，本設計選用高性價比的DM9161A作為以太網PHY芯片，然后連接標準RJ45接口便可以完成10M/100M自適應以太網的物理連接。

9）人機接口

CPU通過ZLG7290芯片來管理鍵盤，用于參數設置。ZLG7290能夠管理多達64只按鍵，自動消除抖動，其中有8只可以作為功能鍵使用，與微控制器之間采用I2C串行通信，使硬件電路更加簡單，布線方便。

顯示單元采用大連佳顯公司的EDM4004A液晶顯示屏，用于清晰的顯示時間日期、油份濃度、排污流量、船速、排油總量、瞬間排放率、報警信號、控制閥開關狀態等主要信息。

根據以上所述設計出嵌入式排油監控系統的監控面板如圖5所示。

圖5 監控面板

2.2 軟件的設計

本文通過用C和匯編語言改寫一些與處理器相關的代碼（μC/OS-II在讀寫處理器寄存器時只能通過匯編語言來實現）[4]，將μC/OS-II嵌入式實時操作系統成功移植在STM32上，搭建了嵌入式應用開發平臺。

程序設計過程中首先設計出微處理器與鍵盤、液晶顯示、打印機等各個外部設備連接的驅動程序，提供給應用程序API接口函數，其次設計出串口和以太網中斷服務程序分別實現與GPS模塊和監控機的通信。

由于μC/OS-II是實時多任務操作系統這就決定了系統的軟件和以往設計的前后臺系統軟件有很大的區別。CPU對大多數事件的處理都是放在任務中來完成的，而各個任務都是由相對應的信號量激活的。本系統將控制程序規劃成模擬量采集、數據分析與計算、開關量輸入輸出以及報警信號的輸入輸四個主要任務，任務的調度是由任務調度器函數OSSched( )完成的。

控制軟件是根據MEPC.107(49)決議、MEPC.108(49)決議及GB/T12918-20095《油船排油監控系統技術條件》的新要求進行設計的。開發原理為：系統工作時將油份濃度信號、船速信號及流量信號等模擬量信號送入微處理器進行計算分析，式（1）、（2）分別為瞬時排放率和排油總量的計算公式[5]，將計算出油量瞬間排放率和排放總量與規定值進行比較，從而決定是否打開舷外排放閥進行排放，當油量的瞬間排放率不超過30 L/n mile，油份濃度未超過15 mg/L，排油總量小于上次載油量（T）的1/30000（新油船）或1/50000（現有油船）時，由微處理器發出打開舷外排放閥的指令，進行正常排放；反之當不符合公約要求的排放標準時關閉舷外排放閥，停止排放，并發出聲光報警。整個過程，各種數據及泵閥的狀態都會動態地在LCD液晶屏上進行顯示，通過鍵盤可以進行報警值的預設、查詢記錄、打印及時間與日期的設置等功能。

式中，為瞬時排放率(L/n mile)；為油份濃度(mg/L)；為含油污水排出量(m3/h)；為船舶航行速度(n mile/h)。

圖6為排油監控系統軟件運行流程圖[6]。系統上電后首先啟動自檢程序，然后對微處理器自身、外部模塊等進行初始化，如果初始化失敗，系統會發出報警信號，需進行人工復位，初始化完畢后，顯示進入初始頁面，需對時間日期、排油總量、油份濃度報警值等參數進行賦初值設置，設置完畢后就進入含油污水排放監控主頁。

3 計算機監控軟件的開發

排油監控系統貨控室計算機監控軟件是在Visual Studio.Net 2010集成開發環境下運用Visual C#編程語言構建開發的[7]。

運行界面如圖7所示，界面友好生動，主要包括數據動態顯示區域、操作控制區域和系統動態顯示部分。貨控室計算機通過以太網與監控單元進行實時的數據傳輸，用戶能夠從界面上獲得船速、油品種類、瞬時排放率、泵閥狀態、含油污水PPM值等系統信息。另外，用戶可以操作界面上的模擬開關、按鈕對整個系統的啟停等進行控制以及對系統參數進行設置。人機界面會實時刷新系統中各參數的變化，系統管路圖上都會有相應的污水流動等動態指示，實時的反映出整個排油監控系統的動態運行情況。

圖6 軟件運行流程圖

圖7 監控軟件運行界面

4 運行總結

本設計已成功應用在大連海事大學輪機自動化實驗室開發的油船貨油裝卸系統模擬器上，實際運行性能良好。控制單元能夠準確的采集、分析、計算各傳感器傳送來的數據并給出相應的指令，能夠完全符合公約及相關規定的要求。控制單元采用嵌入式設計思想，實時性更高，性能更加穩定，擴展性好。同時本文運用Visual C#編程語言設計一套實時監控軟件，通過以太網能夠與控制單元實時通信，操作起來更加集中、直觀。

[1] 王芳, 戰智濤, 馬慶鋒, 倪秀輝. 一種船舶排油監控系統的設計[J]. 山東科學, 2008(04): 76-78.

[2] ST.STM32F107XX [Z]. Datasheet, 2009.

[3] Guangzhou ZLGMCU Development Co., Ltd. ZYTP80- CUxxC [Z]. Datasheet, 2011.

[4] 任哲等編著. 嵌入式實時操作系統μC/OS-II原理及應用(第2版). 北京航天航空大學出版社, 2009.

[5] 周飛云, 趙友濤, 劉彥呈, 張巧芬. 新型船舶排油監控系統設計與實現[J]. 機電設備, 2011(01): 50-53.

[6] 沈浩生, 曾鴻, 張均東等. 油船排油監控系統模擬試驗臺的設計與實現[J]. 大連海事大學學報, 2013(04): 71-74.

[7] Shi Fenghua, Li Xufeng. Visualization modeling of mine roadway based on visual C#. 2008 International Symposium on Information Science and Engineering[R]. 2008, 2(1) : 669- 673.

Design of Embedded Tanker Oil Discharge Monitoring System

Bai Yanxiang, Zeng Hong, Mu Xin, Zhang Jundong

（Marine Engineering College of Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China）

U664.9

A

1003-4862（2014）08-0057-05

2014-03-11

白艷祥(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：輪機自動化與智能化。