白艷祥，曾鴻，牟鑫，張均東

嵌入式油船排油監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

白艷祥，曾鴻，牟鑫，張均東

（大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

以基于ARM Cortex?-M3內(nèi)核的STM32F107VCT6微處理器為硬件平臺，將μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)移植到微處理器之上，搭建了系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，開發(fā)出排油監(jiān)控系統(tǒng)控制器，集數(shù)據(jù)采集、GPS定位、分析計算、指令執(zhí)行、數(shù)據(jù)存儲、記錄打印等功能于一體。給出了控制單元具體的軟硬件實現(xiàn)方法，在.Net開發(fā)環(huán)境下利用Visual C#編程語言完成計算機監(jiān)控軟件的構(gòu)建，實現(xiàn)了與控制單元的通信。在油船貨油裝卸模擬系統(tǒng)的運行結(jié)果表明，該排油監(jiān)控系統(tǒng)可滿足國際海事組織(IMO)關(guān)于油船排油監(jiān)控系統(tǒng)的有關(guān)要求。

排油監(jiān)控 嵌入式 STM32F107VCT6 μC/OS-II 監(jiān)控軟件 Visual C#

0 引言

隨著全球石油海運量的增加以及油船噸位的加大，油船洗艙水、壓載水等含油污水量必然會增加，加上各種技術(shù)與人為的因素，每年排入海洋中的含油污水也隨之增多?！禡ARPOL 73/78防污公約》附則I第15（3）（a）條明確規(guī)定，150總噸及以上的油船應(yīng)裝有經(jīng)主管機關(guān)批準的排油監(jiān)控系統(tǒng)。國際海事組織（IMO）海上環(huán)境保護委員會第49屆會議以MEPC.108(49)決議的方式通過了《修訂的油船排油監(jiān)控系統(tǒng)指南和技術(shù)條件》，根據(jù)該決議要求，我國于2009年發(fā)布GB/T12918-2009《油船排油監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件》[1]。本文根據(jù)以上公約及標準設(shè)計一套嵌入式油船排油監(jiān)控系統(tǒng)，并將打印驅(qū)動控制等模塊集中于一體，使結(jié)構(gòu)安裝更加簡單，能夠滿足標準及技術(shù)要求。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計及工作原理

圖1為排油監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖[1]。取樣探針裝于排污管道上，系統(tǒng)工作時，取樣泵按程序定時啟動，從探頭取樣進入油份計，油份濃度以標準4-20 mA信號形式送入控制單元。流量計安裝在排污管道上，將當前污水流量以4-20 mA信號形式傳送給控制單元，以便和油份計一起計算累計排油量。船上自帶的航速測量模塊將船速以標準4-20 mA信號的形式傳送給控制單元。公約要求不同海域的油污排放標準是不一樣的，控制單元與GPS模塊采用RS485通信方式獲取當前船位信息，判斷當前船舶所處的海域?？刂崎y主要包括排污管道上的循環(huán)閥和排海閥，執(zhí)行排放控制命令。正常排放時，排海閥打開循環(huán)閥關(guān)閉，將含油污水排至舷外，相反，當油污不達標或總排量超標時，循環(huán)閥打開，排海閥關(guān)閉使含油污水回流至污水艙。此外控制閥還包括凈水沖洗管路上的電磁閥控制沖洗水流通。

本系統(tǒng)包括一套實時監(jiān)控軟件，安裝于貨控室監(jiān)控計算機上，可以在軟件上進行系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視與相關(guān)遙控操作，與控制單元采用嵌入式以太網(wǎng)進行通信。

圖1 排油監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 嵌入式控制單元的軟硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的需要，選用基于ARM Cortex?- M3內(nèi)核的STM32F107VCT6微處理器為控制核心，該處理器自帶512 KB高速Flash片內(nèi)存儲器，128位寬度的存儲器接口和加速結(jié)構(gòu)可以使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，同時在片內(nèi)集成了SPI接口、I2C接口、實時時鐘控制器、以太網(wǎng)、看門狗等非常豐富的片上功能模塊，完全能夠滿足系統(tǒng)的要求[2]。圖2為嵌入式控制單元的硬件構(gòu)成。

2.1 硬件設(shè)計

1）電源電路

本模塊采用直流24 V穩(wěn)壓電源供電，在系統(tǒng)中應(yīng)用到模擬電源和模擬地。為了降低噪聲和系統(tǒng)的電源出錯幾率，模擬電源與數(shù)字電源、模擬地與數(shù)字地應(yīng)該進行隔離。本設(shè)計采用貼片磁珠將數(shù)字電源的高頻噪聲進行隔離。

圖2 嵌入式控制單元硬件總體框圖

2）開關(guān)量輸出電路

由微處理器的6路GPIO經(jīng)過光電隔離輸出擴展6路繼電器輸出控制電路，由繼電器控制取樣泵、聲光報警以及控制閥的驅(qū)動電路。

3）模擬量輸入電路

本系統(tǒng)中油份濃度、船速以及流量信號均以4-20 mA的形式傳送給微處理器，而STM32F107內(nèi)嵌的AD轉(zhuǎn)換器只能識別電壓信號，其工作電壓是+3.3 V。需要對電流信號進行調(diào)理，使其轉(zhuǎn)換為在AD測量范圍內(nèi)的電壓信號。詳細電路圖如圖3。

圖3 模擬量輸入電路

4）GPS通信模塊

微處理器通過MAX485電平轉(zhuǎn)換芯片與GPS通信獲取當前的船位信息，實現(xiàn)不同區(qū)域按不同標準排放。

5）監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲單元

根據(jù)GB/T12918-20095的要求，船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)的控制部分能將系統(tǒng)運行過程中的一些重要參數(shù)、排放開始時間、排放終止時間、報警開始與結(jié)束時間以及一些手動操作命令等以電子的方式存儲起來。本文選用新一代記憶設(shè)備SD卡，具有高記憶容量、數(shù)據(jù)傳輸率快速、移動靈活性以及很好的安全性等優(yōu)點。

6）監(jiān)控數(shù)據(jù)打印記錄單元

根據(jù)GB/T12918-20095的要求，船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)的控制部分的記錄裝置應(yīng)包括一個可電子格式化的打印機，記錄的參數(shù)應(yīng)在打印紙上清晰顯示，一旦從記錄裝置中取下也能保持原樣，并應(yīng)至少保存3年。在排油監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測期間，每隔10 min打印機自動打印記錄時間和日期、船速、船舶經(jīng)度和緯度、流量、瞬間排放率、油份濃度、排油總量等信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)發(fā)生報警或故障等情況時也會自動打印記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

本設(shè)計中采用周立功公司的ZYTP80微打控制芯片和愛普生M-T532微打機芯[3]。將打印機硬件及軟件驅(qū)動集成到控制單元板卡上。ZYTP80芯片內(nèi)嵌熱敏打印機驅(qū)動電路和驅(qū)動控制程序，集成度較高，便于工程師開發(fā)應(yīng)用。微打控制芯片通過控制線和電源線驅(qū)動熱敏微打機芯。主控CPU端通過UART發(fā)送相應(yīng)的指令控制ZYTP80系列微打控制芯片完成打印記錄工作。詳細電路圖如圖4所示。

圖4 打印記錄模塊電路

如圖4所示端子J1和J2用來連接愛普生M-T532微打機芯和ZYTP80微打控制芯片，電路中有POWER電源指示燈，OFFLINE指示燈和ERROR指示燈，端子座P2外接ON/OFFLINE和FEED兩個按鍵。OFFLINE指示燈為黃色，當亮起時說明打印機為在線狀態(tài)，可以通過微處理器發(fā)送指令工作；當閃爍時，說明打印機為離線狀態(tài)，此時不能接受任何指令。打印機的離線狀態(tài)和在線狀態(tài)可以通過ON/OFFLINE按鍵來切換。ERROR指示燈為紅色，是錯誤指示燈，當打印機正常工作時，此燈不亮，當打印機發(fā)生錯誤，或者打印機中缺紙，都會由此燈閃爍提醒。FEED按鍵用來進紙，如果先按住FEED按鍵再上電，則會打印一段測試數(shù)據(jù)。

ZYTP80微打控制芯片的RXD和TXD兩個引腳與微處理器的串口引腳連接，完成打印控制命令的傳送。

7）時鐘模塊

船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)需要顯示、記錄并能存儲的監(jiān)控狀態(tài)參數(shù)應(yīng)包括含油污水排放的時間，日期等。STM32F107VCT6處理器內(nèi)部帶有RTC實時時鐘，精度高，正常運行時使用系統(tǒng)的3.3 V電源，而在系統(tǒng)斷電時則由備份電池供電保證時間信息持續(xù)不丟失。

8）以太網(wǎng)通信模塊

以太網(wǎng)通信模塊完成控制單元與貨控室監(jiān)控計算機的通信。STM32F107內(nèi)部集成高性能的以太網(wǎng)模塊，只需外部連接以太網(wǎng)物理層（PHY）芯片即可，本設(shè)計選用高性價比的DM9161A作為以太網(wǎng)PHY芯片，然后連接標準RJ45接口便可以完成10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)的物理連接。

9）人機接口

CPU通過ZLG7290芯片來管理鍵盤，用于參數(shù)設(shè)置。ZLG7290能夠管理多達64只按鍵，自動消除抖動，其中有8只可以作為功能鍵使用，與微控制器之間采用I2C串行通信，使硬件電路更加簡單，布線方便。

顯示單元采用大連佳顯公司的EDM4004A液晶顯示屏，用于清晰的顯示時間日期、油份濃度、排污流量、船速、排油總量、瞬間排放率、報警信號、控制閥開關(guān)狀態(tài)等主要信息。

根據(jù)以上所述設(shè)計出嵌入式排油監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控面板如圖5所示。

圖5 監(jiān)控面板

2.2 軟件的設(shè)計

本文通過用C和匯編語言改寫一些與處理器相關(guān)的代碼（μC/OS-II在讀寫處理器寄存器時只能通過匯編語言來實現(xiàn)）[4]，將μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)成功移植在STM32上，搭建了嵌入式應(yīng)用開發(fā)平臺。

程序設(shè)計過程中首先設(shè)計出微處理器與鍵盤、液晶顯示、打印機等各個外部設(shè)備連接的驅(qū)動程序，提供給應(yīng)用程序API接口函數(shù)，其次設(shè)計出串口和以太網(wǎng)中斷服務(wù)程序分別實現(xiàn)與GPS模塊和監(jiān)控機的通信。

由于μC/OS-II是實時多任務(wù)操作系統(tǒng)這就決定了系統(tǒng)的軟件和以往設(shè)計的前后臺系統(tǒng)軟件有很大的區(qū)別。CPU對大多數(shù)事件的處理都是放在任務(wù)中來完成的，而各個任務(wù)都是由相對應(yīng)的信號量激活的。本系統(tǒng)將控制程序規(guī)劃成模擬量采集、數(shù)據(jù)分析與計算、開關(guān)量輸入輸出以及報警信號的輸入輸四個主要任務(wù)，任務(wù)的調(diào)度是由任務(wù)調(diào)度器函數(shù)OSSched( )完成的。

控制軟件是根據(jù)MEPC.107(49)決議、MEPC.108(49)決議及GB/T12918-20095《油船排油監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件》的新要求進行設(shè)計的。開發(fā)原理為：系統(tǒng)工作時將油份濃度信號、船速信號及流量信號等模擬量信號送入微處理器進行計算分析，式（1）、（2）分別為瞬時排放率和排油總量的計算公式[5]，將計算出油量瞬間排放率和排放總量與規(guī)定值進行比較，從而決定是否打開舷外排放閥進行排放，當油量的瞬間排放率不超過30 L/n mile，油份濃度未超過15 mg/L，排油總量小于上次載油量（T）的1/30000（新油船）或1/50000（現(xiàn)有油船）時，由微處理器發(fā)出打開舷外排放閥的指令，進行正常排放；反之當不符合公約要求的排放標準時關(guān)閉舷外排放閥，停止排放，并發(fā)出聲光報警。整個過程，各種數(shù)據(jù)及泵閥的狀態(tài)都會動態(tài)地在LCD液晶屏上進行顯示，通過鍵盤可以進行報警值的預(yù)設(shè)、查詢記錄、打印及時間與日期的設(shè)置等功能。

式中，為瞬時排放率(L/n mile)；為油份濃度(mg/L)；為含油污水排出量(m3/h)；為船舶航行速度(n mile/h)。

圖6為排油監(jiān)控系統(tǒng)軟件運行流程圖[6]。系統(tǒng)上電后首先啟動自檢程序，然后對微處理器自身、外部模塊等進行初始化，如果初始化失敗，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，需進行人工復(fù)位，初始化完畢后，顯示進入初始頁面，需對時間日期、排油總量、油份濃度報警值等參數(shù)進行賦初值設(shè)置，設(shè)置完畢后就進入含油污水排放監(jiān)控主頁。

3 計算機監(jiān)控軟件的開發(fā)

排油監(jiān)控系統(tǒng)貨控室計算機監(jiān)控軟件是在Visual Studio.Net 2010集成開發(fā)環(huán)境下運用Visual C#編程語言構(gòu)建開發(fā)的[7]。

運行界面如圖7所示，界面友好生動，主要包括數(shù)據(jù)動態(tài)顯示區(qū)域、操作控制區(qū)域和系統(tǒng)動態(tài)顯示部分。貨控室計算機通過以太網(wǎng)與監(jiān)控單元進行實時的數(shù)據(jù)傳輸，用戶能夠從界面上獲得船速、油品種類、瞬時排放率、泵閥狀態(tài)、含油污水PPM值等系統(tǒng)信息。另外，用戶可以操作界面上的模擬開關(guān)、按鈕對整個系統(tǒng)的啟停等進行控制以及對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置。人機界面會實時刷新系統(tǒng)中各參數(shù)的變化，系統(tǒng)管路圖上都會有相應(yīng)的污水流動等動態(tài)指示，實時的反映出整個排油監(jiān)控系統(tǒng)的動態(tài)運行情況。

圖6 軟件運行流程圖

圖7 監(jiān)控軟件運行界面

4 運行總結(jié)

本設(shè)計已成功應(yīng)用在大連海事大學(xué)輪機自動化實驗室開發(fā)的油船貨油裝卸系統(tǒng)模擬器上，實際運行性能良好。控制單元能夠準確的采集、分析、計算各傳感器傳送來的數(shù)據(jù)并給出相應(yīng)的指令，能夠完全符合公約及相關(guān)規(guī)定的要求。控制單元采用嵌入式設(shè)計思想，實時性更高，性能更加穩(wěn)定，擴展性好。同時本文運用Visual C#編程語言設(shè)計一套實時監(jiān)控軟件，通過以太網(wǎng)能夠與控制單元實時通信，操作起來更加集中、直觀。

[1] 王芳, 戰(zhàn)智濤, 馬慶鋒, 倪秀輝. 一種船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 山東科學(xué), 2008(04): 76-78.

[2] ST.STM32F107XX [Z]. Datasheet, 2009.

[3] Guangzhou ZLGMCU Development Co., Ltd. ZYTP80- CUxxC [Z]. Datasheet, 2011.

[4] 任哲等編著. 嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II原理及應(yīng)用(第2版). 北京航天航空大學(xué)出版社, 2009.

[5] 周飛云, 趙友濤, 劉彥呈, 張巧芬. 新型船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 機電設(shè)備, 2011(01): 50-53.

[6] 沈浩生, 曾鴻, 張均東等. 油船排油監(jiān)控系統(tǒng)模擬試驗臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報, 2013(04): 71-74.

[7] Shi Fenghua, Li Xufeng. Visualization modeling of mine roadway based on visual C#. 2008 International Symposium on Information Science and Engineering[R]. 2008, 2(1) : 669- 673.

Design of Embedded Tanker Oil Discharge Monitoring System

Bai Yanxiang, Zeng Hong, Mu Xin, Zhang Jundong

（Marine Engineering College of Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China）

U664.9

A

1003-4862（2014）08-0057-05

2014-03-11

白艷祥(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：輪機自動化與智能化。