基于虛擬儀器技術(shù)的船舶艙室溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

季 建, 徐 嬌, 錢興達(dá), 劉志強(qiáng), 徐穎俊, 楊凱盛, 周 楓

(1. 浙江海洋開發(fā)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

基于虛擬儀器技術(shù)的船舶艙室溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

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

(1. 浙江海洋開發(fā)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

針對船舶艙室，設(shè)計(jì)一套基于虛擬儀器技術(shù)的在線文件數(shù)據(jù)存儲與讀取的艙室溫度測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)，主要完成采集系統(tǒng)總體方案、實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)模塊和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

溫度監(jiān)測；溫度采集；船舶艙室；虛擬儀器

0 引 言

20世紀(jì)60年代，日本、丹麥等國最先開始研究船舶艙室集中監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)特點(diǎn)是船舶各個(gè)艙室的溫度、濕度、噪聲和煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)以及動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況均由安裝在集中監(jiān)控室中的一臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中測量和監(jiān)控[1-2]。但是主控計(jì)算機(jī)如果發(fā)生故障，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，系統(tǒng)的可靠性難以保證。

近年來，大規(guī)模集成電路在可靠性、計(jì)算能力和運(yùn)行速度等方面的性能大幅增強(qiáng)，成本降低，集成電路和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過程中，這使船舶艙室溫度監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用這些技術(shù)成為可能。目前，日本及歐洲一些造船技術(shù)先進(jìn)的國家已實(shí)現(xiàn)了船舶綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，使無人艙室成為現(xiàn)實(shí)。我國在這方面的發(fā)展與之有一定差距，在此將虛擬儀器技術(shù)(數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)LabVIEW的系統(tǒng)構(gòu)架方式)應(yīng)用于船舶艙室溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)，降低了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，并取得良好的效果。

1 采集系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

船舶艙室溫度采集系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示，包括船舶艙室環(huán)境測試系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和用戶交互系統(tǒng)。其中用戶交互系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：船艙溫度監(jiān)測模塊和故障告警通知模塊。

圖1 船舶艙室溫度采集系統(tǒng)架構(gòu)框圖

1.2 艙室內(nèi)溫度采集硬件系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

基于先進(jìn)先出寄存器(First Input First Output, FPGA)的船舶艙室溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA芯片和裝有LabVIEW的PC機(jī)組成,按功能可以分為前端信號采集與處理模塊、后端數(shù)據(jù)管理與存儲模塊，實(shí)現(xiàn)基于FPGA(Spartan-3系列的XC3S200)芯片的USB接口參數(shù)模式下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，目的是獲得高速數(shù)據(jù)采集能力。其中，前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由模擬部分、數(shù)字部分和接口組成。采集溫度采用熱電偶，接KAD5612P模數(shù)轉(zhuǎn)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(jī)。設(shè)計(jì)好程序后通過FPGA的JTGA接口將程序下載到FPGA芯片中。溫度數(shù)據(jù)前端采集通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)由ADC模塊、FPGA數(shù)據(jù)存儲模塊和FPGA時(shí)鐘管理模塊等3個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集。

1.2.1 溫度點(diǎn)布局與溫度傳感器

系統(tǒng)應(yīng)用對象是船舶艙室溫度監(jiān)控?，F(xiàn)以某型船舶為例，其溫度采集點(diǎn)布局如圖2所示，需要根據(jù)船舶的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度采集點(diǎn)的布局。選擇溫度采集點(diǎn)時(shí)，對每一個(gè)船舶艙室都要布置溫度采集點(diǎn)，以便能夠監(jiān)測到船舶各個(gè)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(huán)境中，振動(dòng)、潮濕和鹽霧都對其有嚴(yán)重影響，這里選用K型熱電偶對溫度進(jìn)行測量。

圖2 某型船溫度采集點(diǎn)布局

1.2.2 數(shù)據(jù)采集傳輸與接口

如圖3所示，船舶艙室工作現(xiàn)場的溫度數(shù)據(jù)采集是通過安裝在艙室內(nèi)不同位置的傳感器來完成的，而后通過A/D轉(zhuǎn)換器將采集的數(shù)據(jù)傳到板卡，并通過采集程序?qū)⒉杉男盘栟D(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)傳至基于LabView的上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

圖3 數(shù)據(jù)采集傳輸接口

FPGA作為PC的前一級，需要通過USB向計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)，PC機(jī)發(fā)布的對各種USB設(shè)備的控制信號以及各種設(shè)備向PC機(jī)發(fā)送的請求信號均由USB通過固件程序處理，完成PC機(jī)與芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行初始化、對外圍電路進(jìn)行控制和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。溫度采集系統(tǒng)需要利用VISA函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和傳輸。

通過采集得到的溫度數(shù)據(jù)從FPGA內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器(Random Access Memory， RAM)送入U(xiǎn)SB接口芯片，利用FPGA內(nèi)部集成的FIFO，選擇端點(diǎn)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(tǒng)要同時(shí)進(jìn)行8通道的溫度數(shù)據(jù)采集，由于FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器太小，因此最終確定拓展兩塊靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(Static Random Access Memory, SRAM)來完成數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲。

如圖4所示，每一個(gè)溫度傳感器對應(yīng)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器與FPGA芯片的I/O口連接，F(xiàn)PGA芯片通過USB芯片CY7C68013A的匹配與上位機(jī)系統(tǒng)相連接，整個(gè)系統(tǒng)中FPGA芯片、USB芯片、USB接口和同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)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(shù)據(jù)的采集。溫度數(shù)據(jù)從FPGA內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器傳輸?shù)経SB接口芯片需要用到內(nèi)部FIFO，它的大小為16KB，USB芯片CY7C68013A集成4個(gè)FIFO，有一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)外部電路的24 HMz晶振。Cypress已經(jīng)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(shù)。

圖4 FPGA芯片元件位置

ADC(Analog to Oigital Converter)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊在整個(gè)溫度采集系統(tǒng)的作用是至關(guān)重要的，A/D的工作需要通過低壓差分信號技術(shù)接口(Low Voltage Differential Signaling, LVDS)時(shí)序驅(qū)動(dòng)。圖5是A/D在LVDS模式下工作的時(shí)序圖。

圖5 A/D在LVDS模式下的時(shí)序

Spartan-3系列器件時(shí)鐘管理(Data Communication Module， DCM)由3個(gè)器件組成：數(shù)字延遲鎖鎖相環(huán)DDL，數(shù)字頻率合成器DFS和數(shù)字移相器DSP結(jié)構(gòu)[3]。DCM為FPGA芯片、A/D芯片和SRAM提供工作時(shí)鐘頻率分別是50 MHz，250 MHz，125 MHz。本方案是調(diào)用DCM的Verilog HDL產(chǎn)生的采集數(shù)據(jù)工作的時(shí)鐘。圖6為DCM模塊結(jié)構(gòu)。

圖6 DCM模塊結(jié)構(gòu)

1.3 基于LabVIEW溫度采集系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)

船舶艙室溫度實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的上位機(jī)，用戶可以通過LabVIEW開發(fā)采集程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)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(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。

圖7 LabVIEW功能模塊

圖8為LabVIEW的串口數(shù)據(jù)讀取程序框圖。在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時(shí)，VISA先通過VISA OPEN打開已經(jīng)配置好的串口，經(jīng)由VISA Write將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)送至VISA指定的串口，通過VISA Read從緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)。在實(shí)際過程中，將VISA Open函數(shù)放在主循環(huán)外，讀寫函數(shù)放在循環(huán)內(nèi)，這可避免多次打開VISA 而浪費(fèi)時(shí)間和資源。圖9為LabVIEW串口數(shù)據(jù)讀取程序框圖。

圖8 串口數(shù)據(jù)讀取程序框圖

圖9 串口數(shù)據(jù)讀取程序框圖

圖10是LabVIEW的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)顯示界面，通過面板可以控制開始數(shù)據(jù)采集和停止數(shù)據(jù)采集。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中共有8個(gè)數(shù)據(jù)通道，可以通過點(diǎn)擊左上角曲線切換按鈕來分別顯示每個(gè)通道的數(shù)據(jù)變化。

圖10 溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示面板

2 基于ASP的數(shù)據(jù)后臺管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要采用了服務(wù)器端腳本環(huán)境(Active Server Pages, ASP)的B/S結(jié)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

瀏覽器將用戶請求發(fā)送到Web服務(wù)器，服務(wù)器調(diào)用后臺數(shù)據(jù)庫，調(diào)用數(shù)據(jù)并經(jīng)過計(jì)算后將結(jié)果發(fā)送到瀏覽器界面，實(shí)現(xiàn)用戶對數(shù)據(jù)庫的訪問。訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)只是對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的操作，通過瀏覽器界面相應(yīng)的操作可以直接對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。溫度采集由兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，分別是在線監(jiān)測系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)。設(shè)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(tǒng)的ER圖如圖12所示，清晰地表示出數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系。在數(shù)據(jù)庫中，用戶要訪問的數(shù)據(jù)根據(jù)類別存儲在各個(gè)相應(yīng)位置中，由可變的行數(shù)和確定的列數(shù)組成，列是一組數(shù)據(jù)的各個(gè)參數(shù)，行是單個(gè)數(shù)據(jù)的記錄集[4]。

為了使系統(tǒng)需求的信息能夠保存到數(shù)據(jù)庫中，在溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建3個(gè)數(shù)據(jù)庫表，溫度傳感器表，實(shí)時(shí)溫度表和用戶信息表。設(shè)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(shí)時(shí)監(jiān)測模塊通過前端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集得到并通過LabVIEW處理和保存到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，網(wǎng)頁通過連接數(shù)據(jù)庫將溫度數(shù)據(jù)顯示到網(wǎng)頁，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。圖14是溫度數(shù)據(jù)的顯示界面。

圖12 系統(tǒng)ER圖

圖13 溫度傳感器的信息管理

圖14 溫度數(shù)據(jù)顯示界面

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3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器技術(shù)的在線文件數(shù)據(jù)存儲與讀取的艙室溫度測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)，主要完成采集系統(tǒng)總體方案、實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)模塊和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該成果與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或監(jiān)控軟件相比，通過FPGA總控可實(shí)現(xiàn)多通道高速數(shù)據(jù)的同步采集，特別適合于船舶這類需要較多采集點(diǎn)的應(yīng)用場合，可在船上的其他設(shè)備和儀器中使用，實(shí)現(xiàn)航運(yùn)效能技術(shù)的改造升級。由于目前航運(yùn)市場整體處于低迷階段，采用先進(jìn)技術(shù)的船舶將使船員不受時(shí)間和空間的限制，實(shí)時(shí)知曉船舶的各種狀態(tài)，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(jī)艙監(jiān)測和報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[C]//中國系統(tǒng)仿真學(xué)會(huì)全國會(huì)員代表大會(huì)暨全國學(xué)術(shù)年會(huì)，2006：52-55．

[2] 馮素梅．基于 LonWorks 技術(shù)的船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006．

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[4] 劉貴國. Dreamweaver CS6+ASP動(dòng)態(tài)網(wǎng)站開發(fā)完全學(xué)習(xí)手冊[M].北京：清華大學(xué)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(xiàng)重大社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目“船舶制造虛擬空間仿真驗(yàn)證實(shí)操平臺研究與應(yīng)用”(編號：2012C13004)；舟山市市級科技項(xiàng)目：船裝平臺建設(shè)(編號：2011C21003)

季 建(1986-)，男，工程師，研究方向?yàn)榇疤摂M仿真技術(shù)、設(shè)備開發(fā)

1000-3878(2017)04-0040-06

U662

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