船舶电力数据采集与处理系统的设计

王建农，王 伟

(常州工学院，江苏 常州213002)

0 引 言

船舶是一种重要的运输工具，在货物和人员运输方面起着重要的作用。船舶电力系统是船舶的心脏，其稳定运行对于保障船舶安全可靠行驶扮演着十分重要的角色。随着现代船舶技术的发展，船舶机舱内装载了越来越多的高端电气设备，这些电气设备主要有供电设备、配电设备、用电设备、检测设备、通信设备和控制设备等，这些电气设备的运行状态不仅对于船舶供电系统的稳定起着重要的作用，同时也是保障整个船舶安全行驶的关键，因此需要对这些电气设备进行实时的监控。监控的基础是要对这些设备的相关电力数据进行实时的采集和分析，船舶电力数据采集与分析系统的重要性不言而喻［1］。

在船舶电力系统中，对船舶三相电压和三相电流，以及各个用电设备的用电电压、用电电流进行精确而快速地采集和处理，是对船舶电力系统的整体运行状态进行分析的基础，同时也是对各种电力故障进行分析的前提条件。如果要实现这些功能，不仅要求系统的核心处理器具有很快的处理速度以及很高的处理精度，同时也要求A /D 数据转换部分具有较高的数据采集精度及较快的数据转换速度。而通常传统的数据采集与处理系统，一般都是采用单片机作为系统的主控制器。单片机处理系统虽然能满足一般数据的采集和处理功能，但单片机在处理速度和转换精度具有一定的局限性，尤其是在处理一些数字信号方面有些力不从心，大量数字信号的各种复杂运算会耗费很大的资源，在很大程度上影响整个系统的性能。随着数字信号处理技术的发展，出现了DSP芯片，又由于近几年DSP 技术的逐渐成熟与成本逐年下降，DSP 芯片在数据采集与处理方面得到了越来越多的使用。

本文采用DSP 作为主控制芯片，设计船舶电力数据采集与处理系统，实现对船舶电力系统中各种电力数据的实时采集与处理。

1 基于DSP 的数据采集与处理系统

船舶电力数据采集与处理系统的主要功能是对船舶上各种电力设备上的电力数据的指标和参数进行采集、测量和处理，为以后的运行状态监控和故障分析提供基础数据。这些待测的电力数据的指标参数主要包括电压有效值、电流有效值、周期、频率和相位等参数［2］。

图1 为船舶电力数据采集与处理系统框图，该系统是以DSP 为控制核心，实现对船舶电力数据的各种指标的测量。

图1 电力数据采集与处理系统功能框图Fig.1 The function block diagram of electric power data acquisition and processing system

电力数据采集与处理系统主要实现以下3 个功能:

1)数据采集与处理功能:通过各类传感器或互感器，采集系统电压、电流、相位等各种参数数据，然后将采集到的数据通过A/D 转换芯片，将模拟信号转换为方便处理的数字信号，并将这些数据进行存储，以备之后使用;

2)故障检测与保护功能:将A/D 转换芯片转化过的信号，判断各种故障条件，并根据故障等级及时作出相应处理，以达到保护船舶供电系统和各个用电设备的目的。

3)CAN 通信功能，通过CAN 通信模块实现与上位机之间的连接，主要负责接收、处理和发送与上位机之间的各种数据，以实现与用户之间的实时便捷的交互。

2 系统功能

1)电压和电流测量

电压和电流数据采集的基本原理是:电压信号经过传感器送到，计算机接受数据量，然后通过经过标度变换转变为实际的电压量。本系统中被测电压和电流通过变送器，再送到ADS8364 内进行模/数转换，DSP 在程序控制下采集、处理此数据量。

2)频率和周期测量

TMS320F28035 本身含有定时器/计时器，为测量周期和频率提供了基础。

频率测量方法一般有频率法和周期法2 种。其中频率法的基本工作原理是通过测量单位时间内频率信号的脉冲个数，以此来计算得到频率。周期法的基本工作原理是记录1 个信号周期内基准定时脉冲的个数，然后将其换算成相对应的频率，以此来得到频率。

表达公式如下:

其中，n 为脉冲的个数;t 为时间，即周期。

本文采用周期法对电压或电流信号的频率进行测量和计算。首先将被测电压、电流的标准正弦信号整形为对应的方波信号，通过判断上升沿来确定脉冲的个数。

3)相位测量

电力数据中除了电压、电流有效值、频率和周期等参数外，信号的相位检测也是重要的一部分。信号相位检测一般都需要借助于鉴相电路来实现。鉴相电路的主要工作原理是计算输入的2 个信号之间的相位差，并将其转换为对应的脉冲宽度，然后通过该脉冲宽度转化为对应的电压信号，以此来计算2 个输入信号之间相位的时序与相位差的大小。根据信号的类别，鉴相器一般分为模拟鉴相电路和数字鉴相电路2 种。模拟鉴相电路是指，将相位差转换的脉宽通过低通滤波器将其转化为模拟输出电压值。数字鉴相电路，是指将相位差转换的脉宽通过数字电路将其转化为数字量。

传统的鉴相电路，一般都是采用门电路和触发器两者组合而成的。在对信号进行鉴相之前，首先要先将标准的正弦电压或电流信号，通过过零检测电路或其他手段，将正弦信号转化为相对应的方波序列脉冲信号。之后，鉴相电路根据输入信号和参考信号之间的过零点的时间差来进行判断，最后的输出信号同样也是脉冲信号。

3 系统搭建

船舶电力数据采集与处理系统，按照功能模块划分，主要包括DSP 核心控制模块、CPLD 逻辑控制模块、A/D 数据转换模块和CAN 通信模块等几部分。其中DSP 核心控制模块是整个系统的核心。图2 是本系统的各个模块的功能框图和连接示意图。

图2 系统功能模块连接图Fig.2 Connection diagram of the function block

3.1 DSP 控制模块

DSP 控制模块是系统的核心和大脑，承担着与周围各个功能模块的连接与控制，主要功能是实现对电力数据采集以及对采样后的数据进行相关的处理，同时通过CAN 通信模块与PC 上位机之间进行通信，实现数据传输。

图3 DSP 控制系统框图Fig.3 Block diagram of DSP control system

DSP 控制系统部分，是整个系统最关键的部分，其性能的好坏直接关系到整个系统的状态。本系统采用美国TI 公司的TMS320F28035 作为主控芯片。

可对电力数据进行高速的处理，其运算与处理能力相当于普通的单片机的几十倍，可以在很大程度上确保系统的优越控制性能。

3.2 CPLD 逻辑控制模块

由于TMS320F28035 芯片是一款比较精致的精简版的处理芯片，其片上资源相对有限。如果用TMS320F28035 芯片直接去控制A/D 数据转换芯片，将会占用其较多的资源，因此，会在很大程度上影响整个系统工作效率和性能。因此通过外接CPLD逻辑控制芯片对制A/D 数据转换芯片的接口电路进行控制。

CPLD 逻辑控制模块，介于DSP 控制模块和A/D 数据转换模块之间，主要功能是首先接收DSP 发送过来的指令，然后根据相关指令，控制A/D 转换模块执行相应的动作，简而言之就是替DSP 管理A/D。

本文选用Altera 公司的EPM1270 芯片作为CPLD 控制模块的主控芯片。该芯片具有116 个可拓展I/O 口，极大方便了以后扩展。EPM1270 芯片包含980 个可编程逻辑宏单元和8 kB 的Flash 存储空间。CPLD 芯片是可编程逻辑控制器，它需要通结合相应的软件代码，然后生成相应的操作电路，然后就可以实现各种功能［3］。

3.3 A/D 转换模块

A/D 转换部分，是整个系统的前端，其数据转换和处理的精度会在很大程度上影响整个系统的工作性能。本系统中的A/D 转换芯片，同样采用的是美国TI 公司的ADS8364 芯片，该芯片是一种高速、低功耗、双16 位模数转换器。ADS8364 芯片具有较强的抗噪性，它在工频50 kHz 读取数据时，其共模抑制为80 dB，特别比较适合应用于船舶这种航行条件比较复杂、噪声比较大的环境。ADS8364 芯片有6 个同步采集的模拟量输入通道，可以同时处理6 种不同的数据。ADS8364 芯片有6 个采样保持电路，一共分成3 组，每组都由1 个HOLD 引脚进行控制。

3.4 CAN 通信模块

CAN 通信时指一种串行数据通信方式，本系统采用的TMS320F28035 主控芯片带有CAN 通信功能，可以方便的实现与PC 上位机之间数据的通信。由于TMS320F28035 芯片内部已经含有CAN 控制器，所以只需外部增加1 个CAN 收发器，就可以实现与上位之间的CAN 通信，外部电路十分简单。

4 软件设计

本系统采用TI 公司自带的CCS 为集成开发环境，采用C 语言进行编程设计。

DSP 主程序流程图如图3 所示。程序的主要工作流程是系统上电复位后，首先要对DSP 控制系统自身进行初始化，完成CPU 内核、外设功能和全局变量3 个部分的初始化工作，然后程序进入循环状态，等待上位机CAN 的控制指令。当DSP 收到上位机发送过来的控制指令后，选择确定的处理算法，同时向CPLD 逻辑控制模块发出动作命令，让其控制A/D 转换模块，使A/D 转换模块进行信号的采集，并进行存储［4］。

主程序通过计数中断调用中断子程序，中断子程序执行算法，完成各个模块的主要功能，主要包括数据采样与处理、故障检测与保护和CAN 通信等。

图4 主程序流程图Fig.4 Flowchart of the main program

除了DSP 主程序外，数据采集与处理子程序也很重要。其流程图如图5 所示。主要工作流程是，首先，在外部时钟信号的作用下，A/D 转换芯片等待DSP 的HOLD 保持信号，当信号来临时，启动转换。转换完成时，A/D 转换芯片传送中断信号给DSP，使其对所需的通道结果寄存器进行读取［5］。

5 结 语

图5 数据采集和处理流程图Fig.5 Flowchart of the data acquisition and processing program

对船舶上各种设备的电力数据的实时采集和处理对于保证船舶电力系统的稳定运行以及船舶的安全行驶起着至关重要的作用。本文对船舶电力数据采集与处理系统进行了设计，采用DSP 芯片作为该系统的主控制器，通过增加CPLD 逻辑控制芯片和A/D 转换芯片，实现了对船舶电力数据的实时采集、处理与应急反应，能够充分满足船舶电力数据采集与处理在精确度和实时性等方面的要求，保障船舶电力系统的稳定运行，为船舶在水域中安全行驶提供保障。

［1］张菊，张淑娥．基于DSP 的数据采集与处理系统的设计［J］．电力系统通信，2006，27(159)．

［2］刘怿恒．基于FPGA 的数据采集与处理系统设计［D］．长沙:湖南大学，2013．

［3］查明，刘庆．基于CPLD 的大功率发射机激励信号检测电路设计［J］．舰船科学技术，2008(S1):101 －104．CHA Ming，LIU Qing．The design of the circuit to detect CPLD-based exciting signal of large power transmitter［J］．Ship Science and Technology，2008(S1):101 －104．

［4］蒋晓峰，施伟锋，刘以建，等．基于触摸屏和PLC 的船舶电站监控系统设计［J］．电力自动化设备，2011，(1):122－125．

［5］黄孝平．一种嵌入式航海数据采集系统方案设计［J］．舰船科学技术，2015，307(1):225 －228．HUANG Xiao-ping．A design of marine radar data acquisition embedded system ［J］．Ship Science and Technology，2015，307(1):225 －228．