嵌入式監(jiān)視儀表在船舶自動(dòng)化電站的應(yīng)用

王磊 韓有輝 孫傳虎

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶自動(dòng)化電站也不斷更新技術(shù)和設(shè)備，作為高效率高質(zhì)量的航海實(shí)踐教學(xué)設(shè)備，陸上自動(dòng)化機(jī)艙在航海實(shí)踐中有著極其重要的作用。作為幅員遼闊的臨海大國(guó)，中國(guó)的航海教育卻面臨著停滯不前的問題，相對(duì)滯后的理念和設(shè)施是中國(guó)航運(yùn)發(fā)展的一大難題。當(dāng)前，中國(guó)最新引進(jìn)了嵌入式監(jiān)視儀表，加強(qiáng)對(duì)船舶自動(dòng)化研究和探索。本文具體介紹了船舶自動(dòng)化中嵌入式監(jiān)視儀表的設(shè)計(jì)應(yīng)用和具體應(yīng)用，加深對(duì)船舶自動(dòng)化的探究。

關(guān)鍵詞：嵌入式；監(jiān)視儀表；船舶自動(dòng)化；電站；應(yīng)用

0引言

隨著陸上自動(dòng)化理論和技術(shù)的不斷進(jìn)步，船舶自動(dòng)化電站也在不斷地發(fā)展和更新之中，由部分自動(dòng)化不斷發(fā)展到全面自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)與控制機(jī)艙。20世紀(jì)80年代初，我國(guó)的航運(yùn)事業(yè)蒸蒸日上，逐漸躋身航運(yùn)大國(guó)之列。因而，培養(yǎng)有實(shí)踐能力的船員也成為了當(dāng)務(wù)之急，主要包括實(shí)驗(yàn)操作、測(cè)試評(píng)估和海上實(shí)習(xí)等重要環(huán)節(jié)。我國(guó)也在不斷提倡配備科學(xué)、合理的航海教學(xué)設(shè)施，自動(dòng)化機(jī)艙電站成為了重要的航海教學(xué)設(shè)施，它不僅是船員實(shí)踐學(xué)習(xí)的平臺(tái)，也為科學(xué)研究提供了重要的基地。

1船舶自動(dòng)化中嵌入式監(jiān)視儀表的設(shè)計(jì)應(yīng)用

1.1嵌入式監(jiān)視儀表的硬件設(shè)計(jì)

以交流電380V、50HZ的船舶電站為例，動(dòng)力源采用柴油發(fā)電機(jī)組，其中主發(fā)電機(jī)組兩臺(tái)，備用發(fā)電機(jī)組一臺(tái)。主屏電屏要時(shí)刻記錄顯示每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)情況。如圖1所示。

圖1船舶自動(dòng)化電站與監(jiān)視儀表

1.1.1嵌入式監(jiān)視儀表的整體硬件的電路

嵌入式監(jiān)測(cè)儀表是船舶自動(dòng)化電站的設(shè)計(jì)核心，主要用于測(cè)量和監(jiān)視發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的重要參數(shù)。發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的三項(xiàng)電壓和電流取樣和進(jìn)行隔離的主要工具是電壓互感器和電流互感器，而且參數(shù)量程的范圍要符合DSP 的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換的范圍。然而一般的大信號(hào)很難做到，這就需要精度較高的互感器，加強(qiáng)信號(hào)來調(diào)理電路的走向，例如電流變換電路、極性變換電路等。

在自動(dòng)化裝置DSP數(shù)字信號(hào)處理能力和事件管理能力都很強(qiáng)，在采集、運(yùn)算和處理數(shù)據(jù)方面有很重要的作用，主要采用32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，主頻設(shè)置了豐富的片內(nèi)外設(shè)，有8級(jí)流水線，最大可達(dá)150MHz。

1.1.2抗混疊和極性變換電路

只有有限寬帶信號(hào)才能經(jīng)過A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此在轉(zhuǎn)換模數(shù)之前，信號(hào)必須將高頻信號(hào)經(jīng)過抗混疊的模擬濾波器過濾掉。但是由于現(xiàn)實(shí)的局限性，無法制造出十分理想的濾波器，因此需要借助一個(gè)保護(hù)袋進(jìn)行過渡，50Hz的信號(hào)是最為理想化的。經(jīng)過過濾之后，正負(fù)交替的交流信號(hào)還是存在的，因此DSP中的A/D轉(zhuǎn)換必須采用極性調(diào)理電路將信號(hào)確定在0-3V之間。

1.1.3接口顯示電路

在船舶自動(dòng)化中安裝嵌入式的監(jiān)視儀表運(yùn)行過程中，為了進(jìn)行人機(jī)交互，將監(jiān)視系統(tǒng)顯示的界面圖形化是必不可少的一項(xiàng)功能，它能夠顯示豐富的信息和電力參數(shù)，直觀的反映監(jiān)視儀表運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)，使得操作更加方便，檢修更加容易。

1.2嵌入式監(jiān)視儀表的軟件設(shè)計(jì)

1.2.1用DSP法處理嵌入式監(jiān)視儀表的監(jiān)視參數(shù)

計(jì)算監(jiān)視參數(shù)，即通過計(jì)算機(jī)軟件將采集到的數(shù)據(jù)信息的電壓和電流參數(shù)的序列進(jìn)行記錄，通過各種參數(shù)計(jì)算將電壓和電流的實(shí)部和虛部計(jì)算出來。一般常用的參數(shù)數(shù)據(jù)包括監(jiān)視電壓、電流、頻率、功率和諧波等電量，在分析電力質(zhì)量時(shí)，要充分結(jié)合以上電量，以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信和遙控?zé)舸白詣?dòng)化的基本工作。

1.2.2用DSP軟件實(shí)現(xiàn)嵌入式監(jiān)視儀表的監(jiān)視參數(shù)處理

用DSP軟件實(shí)現(xiàn)嵌入式監(jiān)視儀表的監(jiān)視參數(shù)處理主要有兩種方式，一種是數(shù)字濾波，一種是快速計(jì)算。其中數(shù)字濾波可以使用FIR和IIR進(jìn)行處理，主要是FIR濾波，為了快速計(jì)算大量的監(jiān)視參量數(shù)據(jù)，不僅要采用處理速度較快的芯片等硬件，還要采用快速傅立葉變換等軟件。

1.2.3設(shè)計(jì)程序的顯示

嵌入式監(jiān)視儀表采用uCDUI的顯示界面，主要支持嵌入式的圖形，廣泛應(yīng)用于使用LCD圖形的接口，不僅適用于單任務(wù)系統(tǒng)，還可以運(yùn)用到多任務(wù)的環(huán)境中，由不同模塊中的不同的層組成。使用之前，用戶首先需要設(shè)計(jì)LCD的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。例如，設(shè)置不同層次的主題要求，之后在進(jìn)行操作時(shí)只需要在主界面根據(jù)不同的需求點(diǎn)擊相應(yīng)的菜單即可。

2船舶自動(dòng)化中嵌入式監(jiān)視儀表的具體應(yīng)用

2.1船舶自動(dòng)化中嵌入式微機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的通用工控的PC端和控制板卡式的數(shù)據(jù)采集的方式廣泛應(yīng)用于船舶控制當(dāng)中，但是在探索動(dòng)態(tài)模型以及研究環(huán)仿真的半實(shí)物模式的過程中，無法兼顧數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和精確度，而這方面又必須有所突破。船舶自動(dòng)化則很好地解決了這個(gè)問題。嵌入式微機(jī)系統(tǒng)中的嵌入式仿真平臺(tái)將實(shí)時(shí)操作和雙核處理結(jié)構(gòu)完整地結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制實(shí)踐操作。嵌入式微機(jī)系統(tǒng)的主處理器是ARM核微控制器，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和加載啟動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)。DSP 將船舶自動(dòng)化測(cè)量出的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，再將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給ARM，最后由ARM將數(shù)據(jù)傳輸給外界。

2.2船舶自動(dòng)化中數(shù)字化監(jiān)視儀表的應(yīng)用

船舶自動(dòng)化中的監(jiān)視儀表采用了密度較高的LED智能顯示儀表，為了便于船員的管理，主要有兩種顯示方法，分別是數(shù)字和模擬，這樣不僅可以顯示正負(fù)方向，精度也達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn)。核心儀表也是一塊微控制器，包括存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器和CAN通信控制器等，性價(jià)比和集成度都很高，主要涉及的相關(guān)數(shù)字處理有數(shù)字濾波、分程顯示等，還可以實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)控制和自動(dòng)零位。

2.3船舶自動(dòng)化中多總線技術(shù)和嵌入式監(jiān)視儀表的仿真應(yīng)用

20世紀(jì)90年代初世界先進(jìn)的船舶中已經(jīng)開始使用船舶自動(dòng)化多總線技術(shù)，在運(yùn)行過程中將多種獨(dú)立的控制系統(tǒng)集合起來組成一個(gè)總線系統(tǒng)，綜合模擬船舶機(jī)艙的控制過程，實(shí)現(xiàn)了船舶自動(dòng)化嵌入式監(jiān)視儀表的仿真和半實(shí)物仿真，很好地解決了船舶自動(dòng)化中的孤島問題，在通訊方式不統(tǒng)一的復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)間的信息交流和傳遞，并在實(shí)際中廣泛運(yùn)用。

3結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代船舶也在逐漸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，其中嵌入式監(jiān)視儀表是一項(xiàng)重要的研究方向和對(duì)象，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不斷更新和發(fā)展。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的船舶自動(dòng)化電站還處在一個(gè)不成熟的發(fā)展階段，不能完全滿足國(guó)內(nèi)船舶業(yè)的迅速發(fā)展。因此，在加深對(duì)嵌入式監(jiān)視儀表的研究和探索過程中，要積極采取措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

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