船舶电站信号采集方案设计

于振国，许冬晨

(谢克斯特(天津)海洋船舶工程有限公司，天津 300467)

船舶电站信号采集方案设计

于振国，许冬晨

(谢克斯特(天津)海洋船舶工程有限公司，天津 300467)

文章介绍了为实现船舶电站的自动化监测和实时控制，需对船舶电站的相关参数采集，以提供给以数字信号处理器为处理核心进行计算控制，涉及到电压、电流、频率检测、相角等数据的采集，通过这些采集到的信号，可以判断船舶电站目前的运行状态和所需进行的操作。

船舶电站；数字信号处理器；信号采集

1 研究的意义及国内外研究现状

信号的采集可以说是监控船舶整个系统可靠运行的基础和前提，对于集成化程度日益提高的船舶电站，在日常的运行过程中，可能因为人为因素或其他原因，不可避免出现各种的故障和不正常的运行状态。一旦发生故障，监控系统必须第一时间采取反应、及时报警、切断故障源，否则会导致设备烧毁、产品寿命缩短，更严重会产生影响整船电力系统稳定性等严重后果。所以，必须要对电力系统进行有效的监控，对于不可抗拒的事故发生应该做到及时发现，自动切断该设备。[1]

目前，以单片机为处理模块的监控设备由于其CPU自身处理数据的局限性，使得保护装置无法选用先进而精确的数字滤波算法和保护算法，导致整体系统的反应速度和安全性远远不能满足日益复杂的船舶电力系统要求。近年来，飞速发展的DSP(数字信号处理器digital signal processor) 已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的核心器件，成为电子产品更新换代的决定因素，国外公司以DSP为处理核心，研制的新一代监控系统技术已经逐步成熟，但由于其要求苛刻，价格昂贵，人机通话困难，使得国内船舶很少装配，因此研究具有自主知识产权和适应中国船舶需求的监控保护系统显得日益急迫。[2-3]

2 方案设计思路[4]

此次设计的船舶监控装置通过采集测量船舶电站电机和母排的电压、电流、频率以及相角，实现对电站的逆功、过载、过压、过流、欠压、失电等一系列保护以及远程自动控制等功能，具体流程如图1所示。本装置采用TMS320LF2407ADSP作为系统处理器，控制模块主要功能是根据监控采集的电站信息，发出相应的控制/报警信号,将信息传递给显示模块和上位机。

显示模块主要由单片机控制，液晶显示模块采用CM3240128点阵屏显示。单片机通过串口通讯协议获得船舶信息，通过显示屏显示船舶相关状态。

上位机通讯采用CAN总线技术，由于DSP集成了CAN控制器，只需接入CAN收发器即可实现与其他模块通讯，SN65HVD230D是TI公司DSP芯片和CAN总线接口的专用收发器，能实现良好通讯速率和抗干扰性，在实际应用中被广泛采用。

3 信号采集方案[5]

为实现船舶电站的准确监控，前提要能够对船舶电站和电网的电压、电流和频率实现有效准确实时的采集，然后通过对采集到的信号进行处理，使模拟信号成为控制模块可以识别的数字信号。

信号采集设计方案主要包括信号采集模块、信号预处理模块和模数转换模块。其中信号采集模块主要是电压电流互感器、隔离装置组成，主要是为了实现信号线性采集，以保证控制模块中算法的可靠和控制的精确。

信号采集模块分为电压采集和电流采集两部分。电压采集使用电压互感器进行隔离降压，将信号提供给信号预处理模块。电流信号采集需要将电流互感器采集到的信号转换为电压再提供给信号预处理模块。

预处理模块是本文的重点，主要包含滤波电路，转换电路和比较电路等。

3.1滤波电路

由于电站运行环境相对较差，信号中存在干扰谐波，影响控制模块获得信号准确性，严重时会为控制模块传递错误的信息，为保证采样的准确性，系统首先对采集到信号进行处理，采用的压控电源型二阶低通滤波器，过滤信号中的杂波，原理图如图2所示。

图2 压控电源型二阶低通滤波器原理图

通过包含过零点毛刺和高频分量等干扰信号的输入信号，模拟出现实工况下采集到的杂波信号。具体仿真结果如图3～图5所示。通过图3、图4、图5可以看出，包含干扰信号的采集信号在经过一阶滤波后，扰动信号明显消除，但获得信号仍不够平滑，经过二阶滤波后，干扰信号消除的效果更佳。

3.2转换电路

经过滤波后的信号，接入有效值转换TRMS/DC芯片AD536AJH芯片，美国模拟数字器件公司的AD536AJH真值转换芯片，计算精度高，反应迅速，可以直接获得采集信号的有效值，可以被控制模块直接采集，获得电压，电流的有效值后，通过相应的算法完成相关数据的监控，电路图见图6。

图3 采集信号图

图4 一阶滤波后信号图

图5 二阶滤波后信号图

图6 真有效值计算电路图

图6是以AD536芯片为核心搭建的有效值转换电路，转换后的有效值经过芯片第8脚输出，经过电阻R3和电阻R4分压后，转换为DSP可以采集的3.3 V信号，输入控制模块。

3.3频率采集方案

频率采集使用周期测定法，通过计量基准计时脉冲信号在采集信号一个周期内通过的数量，获得采集信号的周期，同时也得到了频率。DSP具有检测方波波形上升沿和下降沿变换功能，将采集信号通过过零电路转换为方波，被DSP控制模块捕捉，同时计数通过计时脉冲数量，就可以换算出信号的频率：

其中，f为换算出的信号频率，t1为第一次捕捉到上升沿的基准时间点，t2为第二次捕捉到上升沿的基准时间点，t2-t1为DSP 2次捕捉点的基准时间计数间隔，tbase为计数器单步运行周期。

过零电路采用LM339比较芯片，电路图见图7。LM339实际为电压比较芯片，2个输入端可分别接入参考信号电压和采集信号电压，采集电压高于参考值时，输出高电平；采集电压低于参考值时，输出低电平。参考信号为零时，即为过零比较电路，波形图见图8，U1为输入信号，U2为经过过零比较电路后输出的方波，可以用DSP自带的捕捉端口直接采集上升沿或下降沿，通过对基准时间的计时，获得变换的时间差，计算出相应的频率。

图7 过零比较电路图

图8 过零比较波形图

3.4相位差

测量相位差主要获得电压电流间的相位角，进而计算获得电站的功率因数。计算功率因数的公式为：

其中，cosφ功率因数，φ为相角，T为周期，t为时间差。

实际中将采集到的电压信号和电流信号通过过零比较电路，转换为下图中的同频方波信号，通过异或门电路的比较，得到电压电流差值的方波信号和频率测定的方法一样，通过DSP的检测方波变换功能，获得信号相异的信号方波，进行换算成电压电流信号的相位角和功率因数，具体波形图如图9所示，VU为电压方波信号，Vi为电流方波信号，经过异或门电路后，输出Vo为相角波形信号，通过DSP的捕捉脚CAPx连续捕捉异或门输出波形信号的上升沿和下降沿时刻，将两者的时间差再转化成角度，就可以获得相位差。

4 结束语

随着信息技术和集成芯片技术的进一步发展，机舱无人值守逐步成为现实，实时准确的监控设备在船舶中的得到了广泛的应用。在本设计基础上设计的船舶电站监控系统将国外昂贵的设备实现国产化、廉价化，为船舶设计进一步集成化、网络化发展提供有力的支持。同时在其他领域如太阳能发电、潮汐发电、风力发电等新能源领域也有广泛应用前景。

图9 相位差波形图

[1] 王克廷.船舶电站集散型微机实时监控系统的设计与研究[D].大连：大连海事大学，1990.

[2] 刘和平，王维俊，江渝,等.TMS320LF24XDSP C语言开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3] 刘宗得，陈定先.船舶电站及自动化装置[M].北京:科学技术文献出版社，1992.

[4] 黄建新.船舶电站微机保护及自动准同步并车系统研究[M].大连:大连海事大学,2006.

[5] 解源，杨国豪.船舶电站自动并车装置信号检测原理与实现[J].传感器技术，2001，20(3)：42-44.

This article mainly focuses on the methods of collecting signal from ship power station,including voltage,current,frequency detection and phase angle,which can be transmitted to digital signal processor(DSP) to make the state-judgement and operation more convenient more real-time and more automatically.

ship power system;digital signal processor;signal collection

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.04.009

于振国(1973-)，男，天津人，工程师，大学本科，主要从事船舶与海洋石油电气、仪表工程设计、技术咨询工作。

2014-04-02