船舶電力數據采集與處理系統的設計

王建農，王 偉

(常州工學院，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。船舶電力系統是船舶的心臟，其穩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。隨著現代船舶技術的發展，船舶機艙內裝載了越來越多的高端電氣設備，這些電氣設備主要有供電設備、配電設備、用電設備、檢測設備、通信設備和控制設備等，這些電氣設備的運行狀態不僅對于船舶供電系統的穩定起著重要的作用，同時也是保障整個船舶安全行駛的關鍵，因此需要對這些電氣設備進行實時的監控。監控的基礎是要對這些設備的相關電力數據進行實時的采集和分析，船舶電力數據采集與分析系統的重要性不言而喻［1］。

在船舶電力系統中，對船舶三相電壓和三相電流，以及各個用電設備的用電電壓、用電電流進行精確而快速地采集和處理，是對船舶電力系統的整體運行狀態進行分析的基礎，同時也是對各種電力故障進行分析的前提條件。如果要實現這些功能，不僅要求系統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 數據轉換部分具有較高的數據采集精度及較快的數據轉換速度。而通常傳統的數據采集與處理系統，一般都是采用單片機作為系統的主控制器。單片機處理系統雖然能滿足一般數據的采集和處理功能，但單片機在處理速度和轉換精度具有一定的局限性，尤其是在處理一些數字信號方面有些力不從心，大量數字信號的各種復雜運算會耗費很大的資源，在很大程度上影響整個系統的性能。隨著數字信號處理技術的發展，出現了DSP芯片，又由于近幾年DSP 技術的逐漸成熟與成本逐年下降，DSP 芯片在數據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，設計船舶電力數據采集與處理系統，實現對船舶電力系統中各種電力數據的實時采集與處理。

1 基于DSP 的數據采集與處理系統

船舶電力數據采集與處理系統的主要功能是對船舶上各種電力設備上的電力數據的指標和參數進行采集、測量和處理，為以后的運行狀態監控和故障分析提供基礎數據。這些待測的電力數據的指標參數主要包括電壓有效值、電流有效值、周期、頻率和相位等參數［2］。

圖1 為船舶電力數據采集與處理系統框圖，該系統是以DSP 為控制核心，實現對船舶電力數據的各種指標的測量。

圖1 電力數據采集與處理系統功能框圖Fig.1 The function block diagram of electric power data acquisition and processing system

電力數據采集與處理系統主要實現以下3 個功能:

1)數據采集與處理功能:通過各類傳感器或互感器，采集系統電壓、電流、相位等各種參數數據，然后將采集到的數據通過A/D 轉換芯片，將模擬信號轉換為方便處理的數字信號，并將這些數據進行存儲，以備之后使用;

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

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

2 系統功能

1)電壓和電流測量

電壓和電流數據采集的基本原理是:電壓信號經過傳感器送到，計算機接受數據量，然后通過經過標度變換轉變為實際的電壓量。本系統中被測電壓和電流通過變送器，再送到ADS8364 內進行模/數轉換，DSP 在程序控制下采集、處理此數據量。

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。

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頻率信號的脈沖個數，以此來計算得到頻率。周期法的基本工作原理是記錄1 個信號周期內基準定時脈沖的個數，然后將其換算成相對應的頻率，以此來得到頻率。

表達公式如下:

其中，n 為脈沖的個數;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的方波信號，通過判斷上升沿來確定脈沖的個數。

3)相位測量

電力數據中除了電壓、電流有效值、頻率和周期等參數外，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。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，并將其轉換為對應的脈沖寬度，然后通過該脈沖寬度轉化為對應的電壓信號，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。根據信號的類別，鑒相器一般分為模擬鑒相電路和數字鑒相電路2 種。模擬鑒相電路是指，將相位差轉換的脈寬通過低通濾波器將其轉化為模擬輸出電壓值。數字鑒相電路，是指將相位差轉換的脈寬通過數字電路將其轉化為數字量。

傳統的鑒相電路，一般都是采用門電路和觸發器兩者組合而成的。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，將正弦信號轉化為相對應的方波序列脈沖信號。之后，鑒相電路根據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 系統搭建

船舶電力數據采集與處理系統，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 數據轉換模塊和CAN 通信模塊等幾部分。其中DSP 核心控制模塊是整個系統的核心。圖2 是本系統的各個模塊的功能框圖和連接示意圖。

圖2 系統功能模塊連接圖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，主要功能是實現對電力數據采集以及對采樣后的數據進行相關的處理，同時通過CAN 通信模塊與PC 上位機之間進行通信，實現數據傳輸。

圖3 DSP 控制系統框圖Fig.3 Block diagram of DSP control system

DSP 控制系統部分，是整個系統最關鍵的部分，其性能的好壞直接關系到整個系統的狀態。本系統采用美國TI 公司的TMS320F28035 作為主控芯片。

可對電力數據進行高速的處理，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的優越控制性能。

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 數據轉換芯片，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 數據轉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 數據轉換模塊之間，主要功能是首先接收DSP 發送過來的指令，然后根據相關指令，控制A/D 轉換模塊執行相應的動作，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，它需要通結合相應的軟件代碼，然后生成相應的操作電路，然后就可以實現各種功能［3］。

3.3 A/D 轉換模塊

A/D 轉換部分，是整個系統的前端，其數據轉換和處理的精度會在很大程度上影響整個系統的工作性能。本系統中的A/D 轉換芯片，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 位模數轉換器。ADS8364 芯片具有較強的抗噪性，它在工頻50 kHz 讀取數據時，其共模抑制為80 dB，特別比較適合應用于船舶這種航行條件比較復雜、噪聲比較大的環境。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 種不同的數據。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據通信方式，本系統采用的TMS320F28035 主控芯片帶有CAN 通信功能，可以方便的實現與PC 上位機之間數據的通信。由于TMS320F28035 芯片內部已經含有CAN 控制器，所以只需外部增加1 個CAN 收發器，就可以實現與上位之間的CAN 通信，外部電路十分簡單。

4 軟件設計

本系統采用TI 公司自帶的CCS 為集成開發環境，采用C 語言進行編程設計。

DSP 主程序流程圖如圖3 所示。程序的主要工作流程是系統上電復位后，首先要對DSP 控制系統自身進行初始化，完成CPU 內核、外設功能和全局變量3 個部分的初始化工作，然后程序進入循環狀態，等待上位機CAN 的控制指令。當DSP 收到上位機發送過來的控制指令后，選擇確定的處理算法，同時向CPLD 邏輯控制模塊發出動作命令，讓其控制A/D 轉換模塊，使A/D 轉換模塊進行信號的采集，并進行存儲［4］。

主程序通過計數中斷調用中斷子程序，中斷子程序執行算法，完成各個模塊的主要功能，主要包括數據采樣與處理、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，數據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 轉換芯片等待DSP 的HOLD 保持信號，當信號來臨時，啟動轉換。轉換完成時，A/D 轉換芯片傳送中斷信號給DSP，使其對所需的通道結果寄存器進行讀取［5］。

5 結 語

圖5 數據采集和處理流程圖Fig.5 Flowchart of the data acquisition and processing program

對船舶上各種設備的電力數據的實時采集和處理對于保證船舶電力系統的穩定運行以及船舶的安全行駛起著至關重要的作用。本文對船舶電力數據采集與處理系統進行了設計，采用DSP 芯片作為該系統的主控制器，通過增加CPLD 邏輯控制芯片和A/D 轉換芯片，實現了對船舶電力數據的實時采集、處理與應急反應，能夠充分滿足船舶電力數據采集與處理在精確度和實時性等方面的要求，保障船舶電力系統的穩定運行，為船舶在水域中安全行駛提供保障。

［1］張菊，張淑娥．基于DSP 的數據采集與處理系統的設計［J］．電力系統通信，2006，27(159)．

［2］劉懌恒．基于FPGA 的數據采集與處理系統設計［D］．長沙:湖南大學，2013．

［3］查明，劉慶．基于CPLD 的大功率發射機激勵信號檢測電路設計［J］．艦船科學技術，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 的船舶電站監控系統設計［J］．電力自動化設備，2011，(1):122－125．

［5］黃孝平．一種嵌入式航海數據采集系統方案設計［J］．艦船科學技術，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．