基于SOPC的艦船電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王建農(nóng)，王 偉

(常州工學(xué)院，江蘇 常州213002)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的蓬勃發(fā)展，艦船電氣化的水平在不斷提高，艦船上的用電設(shè)備日益增多，艦船裝機(jī)總量呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)［1］。由于艦船航行于水面，工作環(huán)境和陸地有著很大的不同，環(huán)境的多變性很強(qiáng)，擁有一個(gè)穩(wěn)定、精確性好的系統(tǒng)變得越來(lái)越迫切。與此同時(shí)，艦船設(shè)備的老化、艦船工作人員的誤操作以及多變、不利的工作環(huán)境等因素，常常會(huì)使系統(tǒng)處于不正常的狀態(tài)，輕者導(dǎo)致設(shè)備癱瘓，重者引發(fā)艦船供電系統(tǒng)中斷，最終使艦船無(wú)法正常航行。因此，對(duì)艦船電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)能夠作出迅速的反應(yīng)，確保系統(tǒng)正常工作變得越來(lái)越重要［2］。目前，艦船電能管理系統(tǒng)中的方法主要包括基于牛頓法和P －Q 分解法的配電網(wǎng)絡(luò)法，這種方法收斂性好，計(jì)算效率高，但也有著負(fù)載不平衡等缺點(diǎn)。此外還有一些別的方法，如前推回推法等［3－4］。由于艦船的特殊性，艦船電能管理系統(tǒng)需要根據(jù)自身的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)，比如負(fù)荷多、線路短、電壓低，這些特點(diǎn)都需要考慮進(jìn)艦船電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中［5］。本文結(jié)合傳統(tǒng)艦船電能管理系統(tǒng)，基于SOPC 具有嵌入式結(jié)構(gòu)、處理能力強(qiáng)、在線可重配置的優(yōu)點(diǎn)［6－7］，設(shè)計(jì)一種用于艦船的區(qū)域性的電能管理系統(tǒng)，采用可靠性較好的串口通信方式和計(jì)算機(jī)進(jìn)行一定距離的通信，以滿足艦船實(shí)際運(yùn)行的需要。

1 艦船電能管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

艦船電能管理系統(tǒng)主要用來(lái)采集艦船上不同用電設(shè)備的用電量數(shù)據(jù)，對(duì)不同負(fù)荷的用電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)某一電路出現(xiàn)故障時(shí)，可以及時(shí)將重要負(fù)載接入無(wú)故障的電路中，并將收集到的信息傳輸?shù)诫娔芄芾硐到y(tǒng)中心。這種方式具有很大的智能化特點(diǎn)，它把電路負(fù)載數(shù)據(jù)的采集、收集、分析和處理有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure of the system

當(dāng)艦船各用電設(shè)備處于工作狀態(tài)時(shí)，各設(shè)備的電能使用狀況實(shí)時(shí)地被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采樣，然后由串口通信模塊發(fā)送到上位機(jī)并顯示出來(lái)，同時(shí)，下位機(jī)對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，并根據(jù)下位機(jī)設(shè)定的程序發(fā)出相應(yīng)的指令，管理員也可以由上位機(jī)人為地控制各用電設(shè)備的工作。其工作過(guò)程如下:

1)艦船管理系統(tǒng)根據(jù)管理員設(shè)定的時(shí)間、頻率等參數(shù)對(duì)各負(fù)載的用電信息進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信模塊發(fā)送給管理系統(tǒng)上位機(jī)模塊。

2)艦船管理系統(tǒng)上位機(jī)模塊對(duì)發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析判斷，若各用電設(shè)備和線路都正常，則向下位機(jī)發(fā)送“保持”指令;若出現(xiàn)如過(guò)載、線路中斷等故障問(wèn)題，則進(jìn)入相應(yīng)的自檢程序。

3)下位機(jī)接收到指令后，控制硬件電路，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載和電路的切換，關(guān)閉不太需要的負(fù)載線路，保障重要設(shè)備的正常使用。

4)繼續(xù)監(jiān)控，周而復(fù)始。

艦船電能管理系統(tǒng)的下位機(jī)硬件平臺(tái)采用FPGA及外圍硬件電路組成，用于對(duì)艦船電能模塊的信號(hào)采集和控制;人機(jī)界面模塊采用VB 語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要用來(lái)顯示各設(shè)備使用狀況，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。二者之間的通信方式采用RS－232 串口通信。

2 艦船電能管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是:輸入各區(qū)域配電板電壓電流信號(hào)，進(jìn)入采樣保持電路，由FPGA 內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由FPGA 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，根據(jù)邏輯關(guān)系，輸出控制信號(hào)，控制外圍用電設(shè)備的通斷，通過(guò)RS －232 通信接口與上位機(jī)計(jì)算機(jī)相連，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)界面上。

硬件系統(tǒng)以FPGA 為基礎(chǔ)，配上外圍電路，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯處理。Nios II 處理器是基于SOPC技術(shù)的32 位RISC 處理器軟內(nèi)核。典型的SOPC 系統(tǒng)主要包括微處理器內(nèi)核、Avalon 總線、通用I/O控制器、存儲(chǔ)器控制單元和定時(shí)器及其他外設(shè)控制部分。所配置的Nios II 軟核主要包括:32 位CPU單元，程序存儲(chǔ)器SDRAM 的控制單元，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EPCS 的控制單元，UART 控制單元。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The hardware structure of the system

在系統(tǒng)通信中，RS －232 和RS －485 標(biāo)準(zhǔn)總線應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)也最為成熟。其中，RS －232標(biāo)準(zhǔn)總線是在異步串行通信中使用最普遍的標(biāo)準(zhǔn)總線，穩(wěn)定傳輸距離可達(dá)15 m，數(shù)據(jù)傳輸速率最快可至19.2 kb/s。

在艦船電能管理系統(tǒng)中，由于所需要采集的監(jiān)控參數(shù)電壓或者電流值都比較大，而FPGA 所能處理的信號(hào)值都較小，因而需要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)FPGA 對(duì)各監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的處理。首先將監(jiān)控的數(shù)值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的低電壓，如圖3 所示為信號(hào)采集電路，Uaout 輸出的峰值電壓為2.5 V。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化的電流或者電壓信號(hào)使用MAX187 芯片轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA。經(jīng)過(guò)處理后，輸出控制信號(hào)通過(guò)光耦隔離來(lái)控制用電設(shè)備。如圖4 所示，CHa為從FPGA 輸出的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)上接一個(gè)3.3 V電源來(lái)提高輸出電流，Ha 為實(shí)際輸出控制信號(hào)，可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)改變輸出電壓，進(jìn)而控制用電設(shè)備。

圖3 信號(hào)采集電路Fig.3 Signal acquisition circuit

圖4 光耦隔離電路Fig.4 Optical coupling isolation circuit

3 艦船電能管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

艦船電能管理系統(tǒng)中的軟件主要由下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件2 部分組成。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，并將各用電設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)信息以串口通信的方式實(shí)時(shí)地發(fā)送回上位機(jī)。上位機(jī)軟件主要用于對(duì)各設(shè)備和線路用電狀況的實(shí)時(shí)顯示，便于管理員在主界面對(duì)用電設(shè)備和線路的人為控制。

3.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

艦船電能管理系統(tǒng)的下位機(jī)程序采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)程序編譯后，下載到FPGA 開(kāi)發(fā)板中運(yùn)行。圖5 為FPGA 處理器的主函數(shù)流程圖，該系統(tǒng)的下位機(jī)軟件程序主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能:

1)FPGA 的初始化設(shè)置，中斷初始化設(shè)置，用電負(fù)載初始化設(shè)置;

2)串口中斷服務(wù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)數(shù)據(jù)和返回下位機(jī)數(shù)據(jù)的功能;

3)系統(tǒng)通過(guò)AD 轉(zhuǎn)換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣;

4)對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，主要判斷是否有故障，設(shè)備工作是否正常;

5)下位機(jī)內(nèi)部函數(shù)程序?qū)收线M(jìn)行處理，并發(fā)送數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)。

圖5 下位機(jī)主函數(shù)流程圖Fig.5 The flowchart of the main function

SOPC 技術(shù)是以FPGA 為硬件構(gòu)架，將SOC 設(shè)計(jì)思想融入進(jìn)來(lái)，使整個(gè)硬件的設(shè)計(jì)理念發(fā)生變化。系統(tǒng)的硬件由于采用了嵌入式處理單元而變得非常簡(jiǎn)單，這種方式使得系統(tǒng)具有很大的可重配置性，因而系統(tǒng)具有很大的靈活性。針對(duì)SOPC 系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境已經(jīng)非常完善，有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)員提高系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

VB6.0 是一種可視化，面向?qū)ο蟮母呒?jí)編程語(yǔ)言，有許多內(nèi)部函數(shù)，其中的MSComm 控件可以和RS－232 串口通信很好地結(jié)合起來(lái)，便于管理員開(kāi)發(fā)出高效、簡(jiǎn)潔、豐富、美觀的圖形界面?；诖?，艦船電能管理系統(tǒng)中的人機(jī)界面程序采用VB6.0 進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

系統(tǒng)采用RS－232 串口通信的通信方式，它的作用主要有:

1)將計(jì)算機(jī)編寫(xiě)的程序下載到FPGA;

2)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和FPGA 的雙向通信。

圖6 為艦船電能管理系統(tǒng)的上位機(jī)人機(jī)界面，它的主要功能包括RS －232 串口通信參數(shù)的設(shè)置，各工作負(fù)載的用電狀況的顯示及對(duì)各負(fù)載電路是否啟用的控制。

圖6 上位機(jī)人機(jī)界面Fig.6 The PC HMI

系統(tǒng)采用RS －232 串口通信方式，具有穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，人機(jī)界面用VB6. 0 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有很強(qiáng)的可視化效果，便于管理員快速、準(zhǔn)確地得到艦船當(dāng)前各用電設(shè)備的電能使用狀況。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的基于SOPC 的艦船電能管理系統(tǒng)充分利用了SOPC 的優(yōu)點(diǎn)，將硬件和軟件緊密的結(jié)合在一起，充分發(fā)揮了FPGA 和嵌入式系統(tǒng)NiosⅡ的靈活性，在保證系統(tǒng)運(yùn)算能力的前提下，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)的步驟，有效降低了系統(tǒng)硬件和軟件的復(fù)雜度，縮短了開(kāi)發(fā)周期。本文的研究成果可為艦船領(lǐng)域電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

［1］馬偉明． 艦船動(dòng)力發(fā)展的方向——綜合電力系統(tǒng)［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，14(6):1 －6．MA Wei-ming． Integrated power systems － trend of ship power development［J］． Journal of Naval University of Engineering，2002，14(6):1 －6．

［2］ZHOU Su-yang，WU Zhi，LI Jia-ning，et al． Real-time energy control approach for smart home［J］． Energy Management System Electric Power Components and Systems，2014，42(3 －4):315 －326．

［3］李文杰．電能管理系統(tǒng)在工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．電氣時(shí)代，2007(9):118 －122．

［4］QIAN Mei，WU Zheng-guo，HAN Jiang-gu．Real-time simulation and analyses of ship energy management system network［J］．Energy Procedia，2012(16):1972 －1978．

［5］CORADDU，ANDREA，F(xiàn)IGARI M，et al．Stefano numerical investigation on ship energy efficiency by monte carlo simulation［J］．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2014，228(3):115 －120．

［6］唐京城，胡海． 基于SOPC 的實(shí)時(shí)紅外圖像處理系統(tǒng)［J］．計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2006，34(7):168 －171．TANG Jing-cheng，HU Hai． SOPC － based real-time infrared image processing system［J］． Computer ＆ Digital Engineering，2006，34(7):168 －171．

［7］文旭，胡兵，何金定．基于SOPC 的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26(4):56 －58．