李桂巖，姜海龍

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艦艇交流用電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李桂巖，姜海龍

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266071）

介紹了由工業(yè)級(jí)平板電腦與C8051F500單片機(jī)利用CAN總線組成的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了艦艇交流用電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)、記錄、保存、導(dǎo)出等功能。實(shí)踐證明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好，工作穩(wěn)定可靠，操作使用簡(jiǎn)便，圖形界面友好等優(yōu)點(diǎn)。完全真正達(dá)到了減輕艇員工作量、加強(qiáng)用電設(shè)備的監(jiān)控、為日后設(shè)備維護(hù)維修提供參考數(shù)據(jù)的目的。

平板電腦 單片機(jī) CAN總線 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

艦艇交流用電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）能實(shí)現(xiàn)艦艇交流用電設(shè)備的電流電壓的自動(dòng)檢測(cè)，用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和啟動(dòng)次數(shù)的自動(dòng)記錄，定時(shí)保存檢測(cè)結(jié)果和設(shè)備的工作狀態(tài)，事后可通過導(dǎo)出記錄文件，對(duì)用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)做進(jìn)一步分析處理。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用不僅減少艇員檢查、記錄用電設(shè)備狀態(tài)的工作量，加強(qiáng)用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，保障艇員人身安全，也為日后維修用電設(shè)備提供更準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)儀器實(shí)現(xiàn)的方法和手段在不斷更新。本文介紹的艦艇交流用電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)。主機(jī)是一臺(tái)平板電腦用于完成數(shù)據(jù)處理、檢測(cè)結(jié)果和設(shè)備狀態(tài)顯示及人機(jī)交互等任務(wù)，從機(jī)為C8051F500單片機(jī)主要完成定時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)傳送等任務(wù)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

為保證艦艇環(huán)境下能可靠地工作運(yùn)行,主機(jī)選用工業(yè)級(jí)平板電腦。具備堅(jiān)固、防震、防潮、防塵、耐高溫等特點(diǎn)。系統(tǒng)配置：最大內(nèi)存2GB、板載千兆網(wǎng)卡、4個(gè)RS232串行口、2個(gè)USB2.0端口、7寸五線電阻觸摸屏，是一款適用于測(cè)控領(lǐng)域的理想平板電腦。操作系統(tǒng)是Windows XP,開發(fā)軟件是LabWindows/CVI。從機(jī)采用C8051F500單片機(jī)，該單片機(jī)具有高速8051微控制器內(nèi)核、速度可達(dá)50MIPS，4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，64KB的FLASH存儲(chǔ)器，5個(gè)通用16位定時(shí)器，1路UART串行口，1路CAN2.0B總線，32通道的可編程12位分辨率的ADC。在不需要增加外部器件的情況下能實(shí)現(xiàn)32路模擬量的數(shù)據(jù)采集，完全滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。主機(jī)與從機(jī)之間采用CAN總線實(shí)現(xiàn)串行通信。

艦艇交流用電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下功能：用電設(shè)備電流電壓值采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間及啟動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)、設(shè)備狀態(tài)設(shè)置、人機(jī)界面顯示等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 艦艇交流用電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是由C8051F500單片機(jī)每隔10 ms就分別對(duì)1號(hào)液壓泵、2號(hào)液壓泵、主疏水泵、艙底泵等十二項(xiàng)用電設(shè)備的電流、電壓巡回檢測(cè)。為了提高可靠性，每路電流或電壓連續(xù)采集16次，用算術(shù)平均值作為本路測(cè)量值。

電流檢測(cè)采用FZ系列穿孔穿芯一體化交流電流變送器，它可以直接將被測(cè)主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC 4～20 mA，通過250 Ω精密電阻轉(zhuǎn)換DC 1～5 V電壓，經(jīng)C8051F500單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波后通過CAN總線傳送給主機(jī)。

FZ系列產(chǎn)品為單匝穿孔穿芯式結(jié)構(gòu)，使用時(shí)無需改動(dòng)測(cè)量主回路，便于現(xiàn)場(chǎng)連接，原副邊高度絕緣隔離，兩線制輸出接線，輔助工作電源+24 V與輸出信號(hào)線DC4～20 mA共用。具有精度高，體積小、功耗小、頻響寬，抗干擾，兩線端口防感應(yīng)雷能力強(qiáng)，具有雷擊波和突波的保護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)。其接線圖如圖2所示。

電壓檢測(cè)采用FZL系列單交流電壓變送器，它可以直接將被測(cè)主回路交流電壓轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC 4～20 mA，通過250 Ω精密電阻轉(zhuǎn)換DC 1～5 V電壓，經(jīng)C8051F500單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波后通過CAN總線傳送給單板電腦，由單板電腦處理后在屏幕上顯示出相應(yīng)的電壓值。

圖2 FZ系列交流電流變送器接線圖

FZL系列單交流電壓變送器，采用集成變送器ASIC芯片將被測(cè)工頻交流電壓轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)。FZL系列單交流電壓變送器應(yīng)用接線如圖3所示。

圖3 FZL系列單交流電壓變送器應(yīng)用接線圖

1.3 運(yùn)行時(shí)間及啟動(dòng)次數(shù)設(shè)計(jì)

電流、電壓變送器的輸出值是4～20 mA，經(jīng)250 Ω精密電阻轉(zhuǎn)換后得到的電壓為DC1～5 V。也就是說當(dāng)用電設(shè)備在停止工作的情況下，即電流等于零時(shí)，變送器輸出電流為4 mA，經(jīng)250 Ω精密電阻轉(zhuǎn)換后得到的電壓為DC 1 V。用變送器輸出的電流小于或等于4 mA，可判定用電設(shè)備停止工作。為了提高檢測(cè)的可靠性，實(shí)際檢測(cè)中三相電中有二相的變送器輸出的電流小于或等于4 mA判定用電設(shè)備停止工作。當(dāng)變送器再次輸出的電流大于4 mA（實(shí)際大于10 mA）時(shí)，判定用電設(shè)備啟動(dòng)工作，啟動(dòng)次數(shù)加“1”。當(dāng)用電設(shè)備啟動(dòng)工作后，運(yùn)行時(shí)間計(jì)時(shí)器開始工作，按照時(shí)、分、秒的格式，每秒鐘計(jì)數(shù)一次，滿60秒計(jì)1分鐘，滿60分鐘計(jì)1小時(shí)。在實(shí)現(xiàn)本次工作計(jì)時(shí)的同時(shí)，還將每臺(tái)設(shè)備的累計(jì)工作時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在屏幕上實(shí)時(shí)顯示。

1.4 人機(jī)界面功能設(shè)計(jì)

平板電腦顯示區(qū)域 178.0×127 mm ，顯示對(duì)角尺寸 7 英寸，觸摸類型五線電阻式觸摸屏，分辨率 4096×4096。保存溫度 -20 ～ +60℃，工作環(huán)境溫度 0 ～+50℃，濕度 5%—95% 。為友好的圖形界面做好了硬件基礎(chǔ)。

1.5 串行通信功能設(shè)計(jì)

平板電腦與單片機(jī)之間采用CAN總線。C8051F500單片機(jī)本身具有CAN2.0B總線，平板電腦通過USBCAN I調(diào)試器與C8051F500單片機(jī)的CAN總線聯(lián)接，USBCAN I調(diào)試器功能特點(diǎn)如下：

1）USBCAN I調(diào)試器帶有1路CAN接口，平板電腦可以通過USB總線連到CAN網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的CAN 核心控制單元；

2）USBCAN I 調(diào)試器可以被作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CAN 節(jié)點(diǎn)，是CAN 總線產(chǎn)品開發(fā)，CAN 設(shè)備測(cè)試及數(shù)據(jù)分析的強(qiáng)大工具；而且USBCAN I 調(diào)試器具有體積小、方便安裝等特點(diǎn)；

3）USBCAN I 調(diào)試器可以利用提供的CANMonitor 工具軟件，直接進(jìn)行CAN 總線的配置，發(fā)送和接收；

4）USBCAN I 調(diào)試器設(shè)備中，CAN 總線電路采用獨(dú)立的DCDC 電源模塊，進(jìn)行磁耦合隔離，使該接口適配器具有很強(qiáng)的抗干擾能力，大大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為兩部分，即平板電腦應(yīng)用軟件和單片機(jī)應(yīng)用軟件。

2.1 平板電腦應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

平板電腦采用Windows XP 操作系統(tǒng)平臺(tái)，利用LabWindows/CVI開發(fā)軟件，開發(fā)了平板電腦應(yīng)用軟件。該軟件分三個(gè)部分：用戶界面、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)維護(hù)。

1）用戶界面包括：檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示界面，主要是顯示當(dāng)前用電設(shè)備運(yùn)行的電流電壓參數(shù)、設(shè)備本次運(yùn)行時(shí)間和設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備啟動(dòng)次數(shù)等內(nèi)容；設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面，主要是顯示用電設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)是工作還是停止，工作狀態(tài)情況下的檢測(cè)到的參數(shù)值等；文件顯示界面，主要用于顯示實(shí)時(shí)檢測(cè)中保存在文件中的參數(shù)值，以及維護(hù)與維修時(shí)的記錄文件內(nèi)容。

2）數(shù)據(jù)通信包括：拷貝庫(kù)函數(shù)文件到工作目錄下，即庫(kù)函數(shù)文件總共有二個(gè)文件：ControlCAN.h、ControlCAN.dll和一個(gè)文件夾kerneldlls。拷貝當(dāng)前工作目錄下；改寫頭文件；生成動(dòng)態(tài)連接庫(kù)導(dǎo)入庫(kù)并導(dǎo)入ControlCAN.lib，將頭文件ControlCAN.h添加到工程文件中；定義VCI_CAN_OBJ 結(jié)構(gòu)體；編寫初始化模塊包括：打開設(shè)備、初始化、啟動(dòng)設(shè)備；編寫發(fā)送數(shù)據(jù)模塊，接收數(shù)據(jù)模塊。

3）系統(tǒng)維護(hù)包括：系統(tǒng)初始狀態(tài)設(shè)置，主要有檢測(cè)日期、檢測(cè)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、啟動(dòng)次數(shù)等參數(shù)設(shè)置；檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，主要是將實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)到微機(jī)上進(jìn)一步分析或輸出打印；維護(hù)與維修登記等。

2.2 單片機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用軟件是采用Keil開發(fā)工具，使用C語言編寫的應(yīng)用程序。包括：系統(tǒng)配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信等三個(gè)模塊。

1）系統(tǒng)配置模塊，時(shí)鐘源采用內(nèi)部振蕩器、時(shí)鐘頻率24 MHz；串行通信使用CAN總線，P0.6、P0.7配置為發(fā)送和接收端口；P1、P2、P3配置為模擬輸入端口，作為ADC模擬量的輸入線。

2）數(shù)據(jù)采集模塊，由定時(shí)計(jì)數(shù)器2每間隔10 μs啟動(dòng)一次ADC轉(zhuǎn)換器工作，每個(gè)通道連續(xù)采集16次，根據(jù)16次檢測(cè)值求出算術(shù)平均值作為通道的當(dāng)前檢測(cè)值。ADC轉(zhuǎn)換器按照用電設(shè)備的編排順序依次完成數(shù)據(jù)采集工作，每隔10毫秒循環(huán)檢測(cè)一次。

3）數(shù)據(jù)通信模塊，采用CAN總線，首先對(duì)32個(gè)消息對(duì)象進(jìn)行清零處理。然后配置發(fā)送、接收消息對(duì)象，基本參數(shù)為：波特率為1MB/S，每幀數(shù)據(jù)為8個(gè)字節(jié)，設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)的掩碼和仲裁方式，允許發(fā)送和接收中斷。由于每個(gè)電流或電壓的檢測(cè)值占用2個(gè)字節(jié)，每幀數(shù)據(jù)最多只能傳送4個(gè)測(cè)量值，每個(gè)用電設(shè)備至少需要檢測(cè)兩相電流一個(gè)電壓， 12項(xiàng)用電設(shè)備至少定義9個(gè)發(fā)送消息對(duì)象以區(qū)分各種用電設(shè)備的測(cè)量值。定義1個(gè)接收消息對(duì)象作為單片機(jī)接收平板電腦的數(shù)據(jù)和命令。

3 結(jié)束語

本文就工業(yè)級(jí)平板電腦與C8051F500單片機(jī)利用CAN總線組成的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)論述。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了工業(yè)級(jí)平板電腦穩(wěn)定性、可靠性高，圖形界面友好，C8051F500單片機(jī)運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)容量大、模擬輸入通道多的特點(diǎn)。是一款理想的工控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 王建新, 隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測(cè)試技術(shù)及工程應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2011.

[2] 陳小米,張浩.基于AMR的艦船車鐘記錄儀設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù), 2012, 32（3）: 9-11.

Design of Monitoring System of Operating Parameters Based on AC Equipment of Warships

Li Guiyan, Jiang Hailong

(Navy Submarine Academy, Qingdao266071, Shandong, China)

TP277

A

1003-4862（2013）04-0001-03

2012-08-24

李桂巖（1957-），男，教授。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。