基于虛擬儀器技術的船舶艙室溫度監測系統設計與開發

季 建, 徐 嬌, 錢興達, 劉志強, 徐穎俊, 楊凱盛, 周 楓

(1. 浙江海洋開發研究院， 浙江 舟山 316000； 2.上海船舶工藝研究所 舟山船舶工程研究中心，浙江 舟山 316000； 3. 江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江212003)

基于虛擬儀器技術的船舶艙室溫度監測系統設計與開發

季 建1, 徐 嬌2, 錢興達3, 劉志強3, 徐穎俊1, 楊凱盛1, 周 楓1

(1. 浙江海洋開發研究院， 浙江 舟山 316000； 2.上海船舶工藝研究所 舟山船舶工程研究中心，浙江 舟山 316000； 3. 江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江212003)

針對船舶艙室，設計一套基于虛擬儀器技術的在線文件數據存儲與讀取的艙室溫度測量數據系統，主要完成采集系統總體方案、實時溫度采集系統模塊和數據管理系統的設計與開發。

溫度監測；溫度采集；船舶艙室；虛擬儀器

0 引 言

20世紀60年代，日本、丹麥等國最先開始研究船舶艙室集中監控系統，該系統特點是船舶各個艙室的溫度、濕度、噪聲和煙霧濃度等環境參數以及動力設備的運轉狀況均由安裝在集中監控室中的一臺計算機進行集中測量和監控[1-2]。但是主控計算機如果發生故障，會造成整個系統癱瘓，系統的可靠性難以保證。

近年來，大規模集成電路在可靠性、計算能力和運行速度等方面的性能大幅增強，成本降低，集成電路和計算機網絡技術廣泛應用于工業控制過程中，這使船舶艙室溫度監控系統應用這些技術成為可能。目前，日本及歐洲一些造船技術先進的國家已實現了船舶綜合自動化系統，使無人艙室成為現實。我國在這方面的發展與之有一定差距，在此將虛擬儀器技術(數據采集卡和上位機LabVIEW的系統構架方式)應用于船舶艙室溫度監測系統設計和開發，降低了系統開發時間和經濟成本，并取得良好的效果。

1 采集系統總體方案設計

1.1 總體架構

船舶艙室溫度采集系統的架構如圖1所示，包括船舶艙室環境測試系統、管理系統和用戶交互系統。其中用戶交互系統分為兩個部分：船艙溫度監測模塊和故障告警通知模塊。

圖1 船舶艙室溫度采集系統架構框圖

1.2 艙室內溫度采集硬件系統選型設計

基于先進先出寄存器(First Input First Output, FPGA)的船舶艙室溫度數據采集系統由溫度傳感器、A/D轉換器、FPGA芯片和裝有LabVIEW的PC機組成,按功能可以分為前端信號采集與處理模塊、后端數據管理與存儲模塊，實現基于FPGA(Spartan-3系列的XC3S200)芯片的USB接口參數模式下的數據采集系統，目的是獲得高速數據采集能力。其中，前端數據采集系統主要由模擬部分、數字部分和接口組成。采集溫度采用熱電偶，接KAD5612P模數轉換芯片，然后連入FPGA采集控制，通過USB接口芯片(型號：EP4CE10F17C8)接入上位機。設計好程序后通過FPGA的JTGA接口將程序下載到FPGA芯片中。溫度數據前端采集通過模數轉換，經由ADC模塊、FPGA數據存儲模塊和FPGA時鐘管理模塊等3個模塊實現數據同步采集。

1.2.1 溫度點布局與溫度傳感器

系統應用對象是船舶艙室溫度監控。現以某型船舶為例，其溫度采集點布局如圖2所示，需要根據船舶的具體結構進行溫度采集點的布局。選擇溫度采集點時，對每一個船舶艙室都要布置溫度采集點，以便能夠監測到船舶各個艙的溫度，通常傳感器安裝于船舶艙室頂部中央位置且處于較為惡劣的環境中，振動、潮濕和鹽霧都對其有嚴重影響，這里選用K型熱電偶對溫度進行測量。

圖2 某型船溫度采集點布局

1.2.2 數據采集傳輸與接口

如圖3所示，船舶艙室工作現場的溫度數據采集是通過安裝在艙室內不同位置的傳感器來完成的，而后通過A/D轉換器將采集的數據傳到板卡，并通過采集程序將采集的信號轉換為溫度數據，最后將數據傳至基于LabView的上位機系統數據庫管理系統。

圖3 數據采集傳輸接口

FPGA作為PC的前一級，需要通過USB向計算機傳送數據，PC機發布的對各種USB設備的控制信號以及各種設備向PC機發送的請求信號均由USB通過固件程序處理，完成PC機與芯片之間的數據傳輸，同時能夠對設備進行初始化、對外圍電路進行控制和實現數據的交換。溫度采集系統需要利用VISA函數進行數據的讀取和傳輸。

通過采集得到的溫度數據從FPGA內的數據存儲器(Random Access Memory， RAM)送入USB接口芯片，利用FPGA內部集成的FIFO，選擇端點緩沖，大批量傳輸模式，在slave FIFO工作模式下完成。本文選用的是CY7C68013A芯片。但本次系統要同時進行8通道的溫度數據采集，由于FPGA內部的數據存儲器太小，因此最終確定拓展兩塊靜態隨機存取存儲器(Static Random Access Memory, SRAM)來完成數據的暫時存儲。

如圖4所示，每一個溫度傳感器對應一個A/D轉換器，A/D轉換器與FPGA芯片的I/O口連接，FPGA芯片通過USB芯片CY7C68013A的匹配與上位機系統相連接，整個系統中FPGA芯片、USB芯片、USB接口和同步動態隨機存取存儲器(Synchronous Dynamic Random Access Memory， SDRAM)等元件都集成在一塊PCB板上來完成數據的采集。溫度數據從FPGA內的數據存儲器傳輸到USB接口芯片需要用到內部FIFO，它的大小為16KB，USB芯片CY7C68013A集成4個FIFO，有一個用于驅動外部電路的24 HMz晶振。Cypress已經配置好了工程框架，已滿足基本USB的使用，由于要連接FPGA，因此需要編寫接口函數。

圖4 FPGA芯片元件位置

ADC(Analog to Oigital Converter)數據轉換模塊在整個溫度采集系統的作用是至關重要的，A/D的工作需要通過低壓差分信號技術接口(Low Voltage Differential Signaling, LVDS)時序驅動。圖5是A/D在LVDS模式下工作的時序圖。

圖5 A/D在LVDS模式下的時序

Spartan-3系列器件時鐘管理(Data Communication Module， DCM)由3個器件組成：數字延遲鎖鎖相環DDL，數字頻率合成器DFS和數字移相器DSP結構[3]。DCM為FPGA芯片、A/D芯片和SRAM提供工作時鐘頻率分別是50 MHz，250 MHz，125 MHz。本方案是調用DCM的Verilog HDL產生的采集數據工作的時鐘。圖6為DCM模塊結構。

圖6 DCM模塊結構

1.3 基于LabVIEW溫度采集系統前端設計

船舶艙室溫度實時采集系統的上位機，用戶可以通過LabVIEW開發采集程序實現數據顯示和處理。圖7為LabVIEW的功能模塊圖，通過圖7就能看出LabVIEW主要分為3個功能模塊：數據讀取模塊、數據顯示模塊和數據存儲模塊。

圖7 LabVIEW功能模塊

圖8為LabVIEW的串口數據讀取程序框圖。在進行數據讀取時，VISA先通過VISA OPEN打開已經配置好的串口，經由VISA Write將緩沖區中的數據送至VISA指定的串口，通過VISA Read從緩沖區中讀出數據。在實際過程中，將VISA Open函數放在主循環外，讀寫函數放在循環內，這可避免多次打開VISA 而浪費時間和資源。圖9為LabVIEW串口數據讀取程序框圖。

圖8 串口數據讀取程序框圖

圖9 串口數據讀取程序框圖

圖10是LabVIEW的實時溫度數據顯示界面，通過面板可以控制開始數據采集和停止數據采集。在系統設計中共有8個數據通道，可以通過點擊左上角曲線切換按鈕來分別顯示每個通道的數據變化。

圖10 溫度數據實時顯示面板

2 基于ASP的數據后臺管理系統設計

系統主要采用了服務器端腳本環境(Active Server Pages, ASP)的B/S結構，總體結構如圖11所示。

圖11 系統總體結構

瀏覽器將用戶請求發送到Web服務器，服務器調用后臺數據庫，調用數據并經過計算后將結果發送到瀏覽器界面，實現用戶對數據庫的訪問。訪問數據庫中的數據只是對數據庫中數據的操作，通過瀏覽器界面相應的操作可以直接對數據庫中數據進行修改。溫度采集由兩個子系統構成，分別是在線監測系統和后臺管理系統。設備的添加、刪除和用戶的添加、刪除都是未登錄限制訪問的。

系統的ER圖如圖12所示，清晰地表示出數據庫與數據庫之間的關系。在數據庫中，用戶要訪問的數據根據類別存儲在各個相應位置中，由可變的行數和確定的列數組成，列是一組數據的各個參數，行是單個數據的記錄集[4]。

為了使系統需求的信息能夠保存到數據庫中，在溫度監測數據庫中創建3個數據庫表，溫度傳感器表，實時溫度表和用戶信息表。設備管理模塊主要是指溫度傳感器，包括溫度傳感器管理和采集信息的顯示與處理等。圖13為溫度傳感器的信息管理界面。

溫度實時監測模塊通過前端的數據采集系統采集得到并通過LabVIEW處理和保存到數據庫中的數據，網頁通過連接數據庫將溫度數據顯示到網頁，從而實現數據的實時監測。圖14是溫度數據的顯示界面。

圖12 系統ER圖

圖13 溫度傳感器的信息管理

圖14 溫度數據顯示界面

[][]

3 結 論

本文設計了一套基于虛擬儀器技術的在線文件數據存儲與讀取的艙室溫度測量數據系統，主要完成采集系統總體方案、實時溫度采集系統模塊和數據管理系統的設計。該成果與傳統的數據采集系統或監控軟件相比，通過FPGA總控可實現多通道高速數據的同步采集，特別適合于船舶這類需要較多采集點的應用場合，可在船上的其他設備和儀器中使用，實現航運效能技術的改造升級。由于目前航運市場整體處于低迷階段，采用先進技術的船舶將使船員不受時間和空間的限制，實時知曉船舶的各種狀態，使該類船舶在激烈的市場競爭中占有一席之地。

[1] 孫建波，郭晨，張旭．船舶機艙監測和報警系統的設計與實現[C]//中國系統仿真學會全國會員代表大會暨全國學術年會，2006：52-55．

[2] 馮素梅．基于 LonWorks 技術的船舶機艙監控系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006．

[3] 楊義臺. 基于FPGA片外存儲器在高速采集系統中研究和應用無線溫度采集模塊設計[D]. 成都：成都理工大學, 2012.

[4] 劉貴國. Dreamweaver CS6+ASP動態網站開發完全學習手冊[M].北京：清華大學出版社，2014.

Design and Development of Ship Compartment Temperature Monitoring System Based on Virtual Instrument Technology

JI Jian1, XU Jiao2, QIAN Xingda3, LIU Zhiqiang3,XU Yingjun1, YANG Kaisheng1, ZHOU Feng1

(1.Zhejiang Marine Development Research Institute, Zhoushan 316000， Zhejiang， China； 2.Zhoushan Ship Engineering Research Center, Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Zhoushan 316000，Zhejiang， China；3.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003， Jiangsu， China)

A set of ship compartment temperature measurement data system of online file data storage and reading based on virtual instrument technology is designed. It mainly completes the design and development of the overall system, the real-time temperature acquisition system module and the management system.

temperature monitoring; temperature acquisition; ship compartment; virtual instrument

浙江省重大科技專項重大社會發展項目“船舶制造虛擬空間仿真驗證實操平臺研究與應用”(編號：2012C13004)；舟山市市級科技項目：船裝平臺建設(編號：2011C21003)

季 建(1986-)，男，工程師，研究方向為船舶虛擬仿真技術、設備開發

1000-3878(2017)04-0040-06

U662

A