【摘 要】本文提出并開發(fā)了船舶設(shè)備故障診斷通用平臺，目的就是為了解決當診斷對象和診斷方法改變時需要重新開發(fā)系統(tǒng)這個弊端，實現(xiàn)診斷系統(tǒng)的通用性。在完成硬件模塊的設(shè)計后，對數(shù)據(jù)采集電路、FPGA 控制器及CAN總線接口電路進行詳細設(shè)計，然后研究完成系統(tǒng)軟件和通信軟件的設(shè)計，最后通過測試證實該系統(tǒng)能夠?qū)﹄娏υO(shè)備故障起到診斷作用。

【關(guān)鍵詞】故障診斷 數(shù)據(jù)采集 現(xiàn)場總線 FPGA

一、引言

隨著現(xiàn)代船舶系統(tǒng)的日趨高性能化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，為了能對突發(fā)的故障采取快速處理措施，對機艙設(shè)備狀況監(jiān)控的同時必須建立起故障的智能診斷系統(tǒng)，對機艙各部件進行故障診斷，實時檢測出系統(tǒng)發(fā)生的故障，并對故障原因、故障頻率和故障的危害程度進行分析、判斷，得出結(jié)論，給出必要的可行的解決措施，防止系統(tǒng)災(zāi)難性事故的發(fā)生。所有這一切都可以在機艙自動化系統(tǒng)中實現(xiàn)機艙自動化系統(tǒng)負責(zé)檢測機艙機電設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)，并進行指示、報警、控制和記錄。因此，在生產(chǎn)中運用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，可以降低設(shè)備突發(fā)故障的頻率和減少維修費用，給企業(yè)巨大的經(jīng)濟效益。

二、智能通用模塊整體設(shè)計

（一）智能通用模塊硬件系統(tǒng)組成

通用模塊硬件系統(tǒng)由圖1所示部分組成。被測對象用來提供信號來源；傳感器用來檢測被測對象信號；濾波器主要濾去信號中的噪音；A/D采集將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，供計算機處理。內(nèi)嵌式控制器是核心部分，實現(xiàn)對信號進行分析和處理并提取有用信號，觀察被測對象的狀態(tài)。同時設(shè)計具有高存儲容量單元用來保存和查詢歷史數(shù)據(jù)，在控制器的外圍設(shè)計總線接口便于數(shù)據(jù)傳送等。

其中：考慮到由單片機構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力弱的問題，故嵌入式MCU考慮選用Xilinx公司Spartan3E系列XC3S500E FPGA芯片；一周數(shù)據(jù)存儲單元選用512M以上的CF卡，它具有存儲容量大、斷電數(shù)據(jù)不丟失、擦寫壽命長等特點；實時時鐘選用FM3104RTC芯片，該芯片功耗很小，且?guī)в行∪萘康牟翆憠勖浅ｉL的鐵電存儲器，為以后功能擴展提供一定基礎(chǔ)；光電隔離器件選用高速光電耦合器件（TLP115A），該器件的最高工作頻率可達15MHz；CAN收發(fā)器選用性能優(yōu)異的TJA1050T，并帶有ESD保護器件提供雙向保護功能；24V/5V的DC-DC選用寬輸入電壓（9V-36V）、5V穩(wěn)壓輸出，使系統(tǒng)能在較大的電源電壓范圍正常工作；ADC選用16位分辨率的雙通道串行接口的ADC8328，并通過軟件的配合進行慮波、定標；雙通到多路選擇單元選用軍用級DG407，以確保前端器件的可靠性。

三、智能通用模塊的軟件設(shè)計

（一）功能軟件的設(shè)計

本通用模塊的軟件部分設(shè)計包括信息采集、儲存和通訊功能，它有FPGA作為主控單元，CF卡（不小于512M）作為儲存原件，實時時鐘芯片防止掉電后數(shù)據(jù)的丟失。整個模塊具有六路模擬量電壓信號（-10～+10），四路模擬量電流信號（4～20mA），五路開關(guān)量輸入。系統(tǒng)的軟件設(shè)計整體流程圖如圖3所示。

（二）通訊軟件設(shè)計

本設(shè)計采用現(xiàn)場總線（CAN總線）作為通訊工具，實現(xiàn)FPGA與CAN總線的通訊。CAN總線由于其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。本文中PC機與下位機的通信是通過CAN總線來實現(xiàn)的。

四、系統(tǒng)的整體測試

用面包板搭建一個電路作為智能模塊的輸入信號，包括6路電壓輸入，4路電流輸入和5路開關(guān)量輸入，用CAN總線（本設(shè)計采用的是USB轉(zhuǎn)CAN）把上位機和智能模塊相連，并用給系統(tǒng)供電。

通過調(diào)節(jié)智能模塊上的模擬量輸入，在PC機上采集到的數(shù)據(jù)描繪出的實時曲線如圖4所示，圖中只給出了四路通道的實時曲線圖，在上位機軟件中可以改變要顯示的通道，實現(xiàn)各個通道的實時曲線顯示，并可以通過放大或縮小曲線來清楚地觀察曲線。

在整個系統(tǒng)的測試過程中，各個模塊及各個環(huán)節(jié)都能很好的實現(xiàn)其功能，并能穩(wěn)定的工作，上位機與下位機能夠?qū)崟r的、穩(wěn)定的、正確的實現(xiàn)其通訊功能，達到了預(yù)期的結(jié)果，并被企業(yè)認可，在實際環(huán)境中運行測試，并最終通過測試要求。

五、結(jié)束語

針對現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，尤其是通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，原有的自動化船舶機艙的故障診斷與監(jiān)控系統(tǒng)的運行方式，也極有可能改變。隨著故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，基于智能化的故障診斷技術(shù)已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)，并且在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，關(guān)于船舶設(shè)備的智能化診斷在這些年里也得到了很大的提高。因此本文提出了用于故障診斷的智能化通用模塊的研究，在其上可以實現(xiàn)對船舶中多種備采取多中診斷的策略。

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