淺析基于國(guó)產(chǎn)嵌入式軟硬件的電站操作板設(shè)計(jì)

曹希彧，張丹瑞

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海 200135）

船舶自動(dòng)化電站是船舶電力系統(tǒng)中非常重要的組成部分，相較陸地電網(wǎng)具有運(yùn)行工況復(fù)雜、負(fù)荷變化較多等特點(diǎn)，因此船舶自動(dòng)化電站中各模塊須有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，保證船舶航行中的穩(wěn)定性。同時(shí)，船舶自動(dòng)化電站中數(shù)據(jù)的交互日漸增多，常規(guī)船舶自動(dòng)化電站中采用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可能會(huì)導(dǎo)致通信失敗和系統(tǒng)癱瘓，無(wú)法滿足高速通信的要求。綜上所述，提高船舶電站通信的即時(shí)性和穩(wěn)定性顯得尤為重要。本文旨在設(shè)計(jì)一款硬件上基于國(guó)產(chǎn)SCM621主控芯片，軟件上基于國(guó)產(chǎn)RT-Thread嵌入式操作系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化電站操作板。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新研制的船舶電站操作板能夠滿足大型船舶電站抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)通信穩(wěn)定的要求，提高了船舶電站重要模塊的國(guó)產(chǎn)化率。

1 需求分析

電站操作板作為船舶控制的重要設(shè)備，主要負(fù)責(zé)船舶電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組、岸電，跨接，輔助機(jī)組等斷路器以及分閘、解列的半自動(dòng)手動(dòng)遙控控制。

除了控制功能，電站操作板也必須配備顯示功能，通過(guò)LED指示燈顯示機(jī)組、斷路器和岸電的當(dāng)前狀態(tài)。為了能達(dá)到在船舶中較好的控制和顯示效果，電站操作板必須擁有即時(shí)性、穩(wěn)定性以及可靠性等特點(diǎn)。由于電站操作板安裝于配電板面板，而配電板處在一個(gè)復(fù)雜惡劣的電磁環(huán)境，因此電站操作板需具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，確保在航行過(guò)程中的運(yùn)行穩(wěn)定。

2 電站操作板硬件設(shè)計(jì)

電站操作板作為船舶電站管理系統(tǒng)中的核心組成部分，其穩(wěn)定性與可靠性是船舶電站管理系統(tǒng)長(zhǎng)期有效運(yùn)行的先決條件。電站操作板電控部分主要由3個(gè)部分組成，包括主控核心模塊，通信模塊以及按鍵顯示模塊。

核心嵌入式微控制器運(yùn)行電站操作功能應(yīng)用軟件，必須具備強(qiáng)大的運(yùn)算能力和擴(kuò)展性。選用ARM Cortex-M4內(nèi)核國(guó)產(chǎn)嵌入式處理器SCM621芯片為核心處理器，該處理器在國(guó)家電網(wǎng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境中的抗干擾能力已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證。SCM621芯片具備256KB的SRAM和1MB的Flash，主頻高達(dá)150MHz，在靜態(tài)功耗僅600uA的同時(shí)集成了豐富的外設(shè)，通過(guò)CAN，SPI，I2C等內(nèi)總線與外設(shè)芯片進(jìn)行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)交互。

通信模塊負(fù)責(zé)電站操作板與船舶電站管理系統(tǒng)中的機(jī)組控制器和能量管理器的通信，包括現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊以及以太網(wǎng)通信模塊。以太網(wǎng)模塊核心硬件選用內(nèi)部硬件集成TCP/IP協(xié)議棧的百兆以太網(wǎng)MAC+PHY一體化CH395芯片實(shí)現(xiàn)，同時(shí)配合以太網(wǎng)隔離變壓器可有效抑制外部干擾，提高通信質(zhì)量。在與外部計(jì)算機(jī)連接時(shí)通過(guò)網(wǎng)線直連，無(wú)需通過(guò)路由器轉(zhuǎn)換，降低了嵌入式項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)難度。

按鍵顯示模塊負(fù)責(zé)電站操作板發(fā)令以及顯示功能，選用ZLG7290作為該模塊主要芯片，實(shí)現(xiàn)多路的按鍵數(shù)據(jù)采集以及LED指示燈驅(qū)動(dòng)，同時(shí)芯片內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)了矩陣鍵盤(pán)掃描、按鍵消抖和指示燈調(diào)光等功能，保證了電站操作板命令發(fā)送的穩(wěn)定可靠和對(duì)不同光照條件的強(qiáng)適應(yīng)性，圖1為電站操作板原理框圖。

圖1 電站操作板原理框圖

3 電站操作板軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

電站操作板的軟件基于RT-Thread嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，RT-Thread是一款國(guó)產(chǎn)開(kāi)源的搶占式多任務(wù)微內(nèi)核操作系統(tǒng)，底層代碼采用C語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊?，?nèi)核簡(jiǎn)潔、高效、穩(wěn)定且易于移植，適用于多種CPU處理器架構(gòu)，如ARM，RISC-V等，包含多種組件：GUI圖形庫(kù)、虛擬文件系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧，并且支持多款主流開(kāi)發(fā)環(huán)境編譯器。由于其運(yùn)行穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等多個(gè)行業(yè)。軟件功能的實(shí)現(xiàn)采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和EEPROM存儲(chǔ)參數(shù)相結(jié)合的方式，應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提高了軟件的可維護(hù)性。軟件通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)識(shí)別操作部位，EEPROM參數(shù)配置可適應(yīng)電站系統(tǒng)的架構(gòu)變化，快速響應(yīng)船舶電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的變化。數(shù)據(jù)流圖（DFD）如圖2所示。

圖2 電站操作板數(shù)據(jù)流圖

3.2 主程序

主程序主要包括初始化模塊，數(shù)據(jù)通信任務(wù)、命令發(fā)送任務(wù)、狀態(tài)顯示任務(wù)等。電站操作板上電后，對(duì)系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘、中斷以及調(diào)度器進(jìn)行初始化設(shè)置，包括對(duì)硬件底層驅(qū)動(dòng)如GPIO、SPI、IIC等，讀取的撥碼開(kāi)關(guān)狀態(tài)并從EEPROM寫(xiě)入操作板相應(yīng)標(biāo)定數(shù)據(jù)，根據(jù)撥碼結(jié)果配置電站操作板，完成CAN通信模塊以及以太網(wǎng)模塊的初始化工作，數(shù)據(jù)通信任務(wù)、命令發(fā)送任務(wù)以及狀態(tài)顯示任務(wù)也被初始化。

3.3 數(shù)據(jù)通信程序

新研電站操作板的通信包括CAN現(xiàn)場(chǎng)總線通信和工業(yè)以太網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)通信任務(wù)主要包括：CAN報(bào)文處理線程與以太網(wǎng)報(bào)文處理線程，兩個(gè)線程之間相互獨(dú)立。

系統(tǒng)、外設(shè)、任務(wù)完成初始化后，進(jìn)入數(shù)據(jù)通信任務(wù)等待接收?qǐng)?bào)文，CAN報(bào)文和以太網(wǎng)UDP報(bào)文的處理根據(jù)其所屬協(xié)議進(jìn)入相應(yīng)的報(bào)文處理線程。兩者的主要功能都是由通信接口獲取船舶電站能量管理系統(tǒng)內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，解析報(bào)文的同時(shí)將數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的變量。

3.4 命令發(fā)送任務(wù)

命令發(fā)送任務(wù)是將按鍵作為控制系統(tǒng)的輸入，當(dāng)循環(huán)按鍵掃描函數(shù)采集到控制命令鍵的壓按信號(hào)并且按鍵信號(hào)防抖函數(shù)判定信號(hào)穩(wěn)定后，MCU將相應(yīng)控制信息組裝成命令報(bào)文發(fā)送至船舶電站能量管理系統(tǒng)。為了防止報(bào)文丟失，利用定時(shí)器設(shè)置間隔時(shí)間多次發(fā)送報(bào)文，連續(xù)三次發(fā)送未響應(yīng)后取消發(fā)送。

3.5 狀態(tài)顯示任務(wù)

狀態(tài)顯示任務(wù)分為試燈顯示線程以及正常顯示線程，兩個(gè)線程之間相互獨(dú)立。按下試燈鍵后進(jìn)入試燈顯示線程，蜂鳴器在該線程中保持長(zhǎng)鳴，松開(kāi)試燈鍵結(jié)束試燈模式。

在正常顯示模式下，LED指示燈顯示當(dāng)前電站操作板功能、所有斷路器狀態(tài)、發(fā)電機(jī)組狀態(tài)以及分閘解列狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)通信故障時(shí)，所有指示燈閃爍報(bào)警；當(dāng)通信模塊恢復(fù)工作后，所有指示燈回到正常顯示模式。

4 結(jié)語(yǔ)

為初步測(cè)試電站操作板與機(jī)組控制器以及能量管理器之間的通信質(zhì)量，采用VC++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套運(yùn)行于調(diào)試計(jì)算機(jī)的能量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模擬軟件，旨在較真實(shí)地模擬發(fā)電機(jī)組的起停、斷路器合分以及合閘解列。該模擬軟件通過(guò)記錄調(diào)試計(jì)算機(jī)收發(fā)的所有報(bào)文，精確捕捉目的與結(jié)果不一致的錯(cuò)誤，測(cè)試示意圖如圖3所示。

圖3 電站操作板測(cè)試示意圖

經(jīng)過(guò)測(cè)試證明了新研制的電站操作板功能完善、實(shí)時(shí)通信穩(wěn)定，能夠被應(yīng)用于某大型船舶的船舶電站系統(tǒng)中，在一定程度上提高了大型船舶電站系統(tǒng)核心設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率，為以后的研發(fā)項(xiàng)目提供了一定的參考價(jià)值。