于振國，許冬晨

(謝克斯特(天津)海洋船舶工程有限公司，天津 300467)

船舶電站信號采集方案設(shè)計(jì)

于振國，許冬晨

(謝克斯特(天津)海洋船舶工程有限公司，天津 300467)

文章介紹了為實(shí)現(xiàn)船舶電站的自動化監(jiān)測和實(shí)時(shí)控制，需對船舶電站的相關(guān)參數(shù)采集，以提供給以數(shù)字信號處理器為處理核心進(jìn)行計(jì)算控制，涉及到電壓、電流、頻率檢測、相角等數(shù)據(jù)的采集，通過這些采集到的信號，可以判斷船舶電站目前的運(yùn)行狀態(tài)和所需進(jìn)行的操作。

船舶電站；數(shù)字信號處理器；信號采集

1 研究的意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

信號的采集可以說是監(jiān)控船舶整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提，對于集成化程度日益提高的船舶電站，在日常的運(yùn)行過程中，可能因?yàn)槿藶橐蛩鼗蚱渌?，不可避免出現(xiàn)各種的故障和不正常的運(yùn)行狀態(tài)。一旦發(fā)生故障，監(jiān)控系統(tǒng)必須第一時(shí)間采取反應(yīng)、及時(shí)報(bào)警、切斷故障源，否則會導(dǎo)致設(shè)備燒毀、產(chǎn)品壽命縮短，更嚴(yán)重會產(chǎn)生影響整船電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等嚴(yán)重后果。所以，必須要對電力系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)控，對于不可抗拒的事故發(fā)生應(yīng)該做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，自動切斷該設(shè)備。[1]

目前，以單片機(jī)為處理模塊的監(jiān)控設(shè)備由于其CPU自身處理數(shù)據(jù)的局限性，使得保護(hù)裝置無法選用先進(jìn)而精確的數(shù)字濾波算法和保護(hù)算法，導(dǎo)致整體系統(tǒng)的反應(yīng)速度和安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益復(fù)雜的船舶電力系統(tǒng)要求。近年來，飛速發(fā)展的DSP(數(shù)字信號處理器digital signal processor) 已成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的核心器件，成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素，國外公司以DSP為處理核心，研制的新一代監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，但由于其要求苛刻，價(jià)格昂貴，人機(jī)通話困難，使得國內(nèi)船舶很少裝配，因此研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)和適應(yīng)中國船舶需求的監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)顯得日益急迫。[2-3]

2 方案設(shè)計(jì)思路[4]

此次設(shè)計(jì)的船舶監(jiān)控裝置通過采集測量船舶電站電機(jī)和母排的電壓、電流、頻率以及相角，實(shí)現(xiàn)對電站的逆功、過載、過壓、過流、欠壓、失電等一系列保護(hù)以及遠(yuǎn)程自動控制等功能，具體流程如圖1所示。本裝置采用TMS320LF2407ADSP作為系統(tǒng)處理器，控制模塊主要功能是根據(jù)監(jiān)控采集的電站信息，發(fā)出相應(yīng)的控制/報(bào)警信號,將信息傳遞給顯示模塊和上位機(jī)。

顯示模塊主要由單片機(jī)控制，液晶顯示模塊采用CM3240128點(diǎn)陣屏顯示。單片機(jī)通過串口通訊協(xié)議獲得船舶信息，通過顯示屏顯示船舶相關(guān)狀態(tài)。

上位機(jī)通訊采用CAN總線技術(shù)，由于DSP集成了CAN控制器，只需接入CAN收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)與其他模塊通訊，SN65HVD230D是TI公司DSP芯片和CAN總線接口的專用收發(fā)器，能實(shí)現(xiàn)良好通訊速率和抗干擾性，在實(shí)際應(yīng)用中被廣泛采用。

3 信號采集方案[5]

為實(shí)現(xiàn)船舶電站的準(zhǔn)確監(jiān)控，前提要能夠?qū)Υ半娬竞碗娋W(wǎng)的電壓、電流和頻率實(shí)現(xiàn)有效準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的采集，然后通過對采集到的信號進(jìn)行處理，使模擬信號成為控制模塊可以識別的數(shù)字信號。

信號采集設(shè)計(jì)方案主要包括信號采集模塊、信號預(yù)處理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。其中信號采集模塊主要是電壓電流互感器、隔離裝置組成，主要是為了實(shí)現(xiàn)信號線性采集，以保證控制模塊中算法的可靠和控制的精確。

信號采集模塊分為電壓采集和電流采集兩部分。電壓采集使用電壓互感器進(jìn)行隔離降壓，將信號提供給信號預(yù)處理模塊。電流信號采集需要將電流互感器采集到的信號轉(zhuǎn)換為電壓再提供給信號預(yù)處理模塊。

預(yù)處理模塊是本文的重點(diǎn)，主要包含濾波電路，轉(zhuǎn)換電路和比較電路等。

3.1濾波電路

由于電站運(yùn)行環(huán)境相對較差，信號中存在干擾諧波，影響控制模塊獲得信號準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時(shí)會為控制模塊傳遞錯(cuò)誤的信息，為保證采樣的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)首先對采集到信號進(jìn)行處理，采用的壓控電源型二階低通濾波器，過濾信號中的雜波，原理圖如圖2所示。

圖2 壓控電源型二階低通濾波器原理圖

通過包含過零點(diǎn)毛刺和高頻分量等干擾信號的輸入信號，模擬出現(xiàn)實(shí)工況下采集到的雜波信號。具體仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。通過圖3、圖4、圖5可以看出，包含干擾信號的采集信號在經(jīng)過一階濾波后，擾動信號明顯消除，但獲得信號仍不夠平滑，經(jīng)過二階濾波后，干擾信號消除的效果更佳。

3.2轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過濾波后的信號，接入有效值轉(zhuǎn)換TRMS/DC芯片AD536AJH芯片，美國模擬數(shù)字器件公司的AD536AJH真值轉(zhuǎn)換芯片，計(jì)算精度高，反應(yīng)迅速，可以直接獲得采集信號的有效值，可以被控制模塊直接采集，獲得電壓，電流的有效值后，通過相應(yīng)的算法完成相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，電路圖見圖6。

圖3 采集信號圖

圖4 一階濾波后信號圖

圖5 二階濾波后信號圖

圖6 真有效值計(jì)算電路圖

圖6是以AD536芯片為核心搭建的有效值轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后的有效值經(jīng)過芯片第8腳輸出，經(jīng)過電阻R3和電阻R4分壓后，轉(zhuǎn)換為DSP可以采集的3.3 V信號，輸入控制模塊。

3.3頻率采集方案

頻率采集使用周期測定法，通過計(jì)量基準(zhǔn)計(jì)時(shí)脈沖信號在采集信號一個(gè)周期內(nèi)通過的數(shù)量，獲得采集信號的周期，同時(shí)也得到了頻率。DSP具有檢測方波波形上升沿和下降沿變換功能，將采集信號通過過零電路轉(zhuǎn)換為方波，被DSP控制模塊捕捉，同時(shí)計(jì)數(shù)通過計(jì)時(shí)脈沖數(shù)量，就可以換算出信號的頻率：

其中，f為換算出的信號頻率，t1為第一次捕捉到上升沿的基準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)，t2為第二次捕捉到上升沿的基準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)，t2-t1為DSP 2次捕捉點(diǎn)的基準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)間隔，tbase為計(jì)數(shù)器單步運(yùn)行周期。

過零電路采用LM339比較芯片，電路圖見圖7。LM339實(shí)際為電壓比較芯片，2個(gè)輸入端可分別接入?yún)⒖夹盘栯妷汉筒杉盘栯妷海杉妷焊哂趨⒖贾禃r(shí)，輸出高電平；采集電壓低于參考值時(shí)，輸出低電平。參考信號為零時(shí)，即為過零比較電路，波形圖見圖8，U1為輸入信號，U2為經(jīng)過過零比較電路后輸出的方波，可以用DSP自帶的捕捉端口直接采集上升沿或下降沿，通過對基準(zhǔn)時(shí)間的計(jì)時(shí)，獲得變換的時(shí)間差，計(jì)算出相應(yīng)的頻率。

圖7 過零比較電路圖

圖8 過零比較波形圖

3.4相位差

測量相位差主要獲得電壓電流間的相位角，進(jìn)而計(jì)算獲得電站的功率因數(shù)。計(jì)算功率因數(shù)的公式為：

其中，cosφ功率因數(shù)，φ為相角，T為周期，t為時(shí)間差。

實(shí)際中將采集到的電壓信號和電流信號通過過零比較電路，轉(zhuǎn)換為下圖中的同頻方波信號，通過異或門電路的比較，得到電壓電流差值的方波信號和頻率測定的方法一樣，通過DSP的檢測方波變換功能，獲得信號相異的信號方波，進(jìn)行換算成電壓電流信號的相位角和功率因數(shù)，具體波形圖如圖9所示，VU為電壓方波信號，Vi為電流方波信號，經(jīng)過異或門電路后，輸出Vo為相角波形信號，通過DSP的捕捉腳CAPx連續(xù)捕捉異或門輸出波形信號的上升沿和下降沿時(shí)刻，將兩者的時(shí)間差再轉(zhuǎn)化成角度，就可以獲得相位差。

4 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)和集成芯片技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)艙無人值守逐步成為現(xiàn)實(shí)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控設(shè)備在船舶中的得到了廣泛的應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)將國外昂貴的設(shè)備實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化、廉價(jià)化，為船舶設(shè)計(jì)進(jìn)一步集成化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展提供有力的支持。同時(shí)在其他領(lǐng)域如太陽能發(fā)電、潮汐發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用前景。

圖9 相位差波形圖

[1] 王克廷.船舶電站集散型微機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].大連：大連海事大學(xué)，1990.

[2] 劉和平，王維俊，江渝,等.TMS320LF24XDSP C語言開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[3] 劉宗得，陳定先.船舶電站及自動化裝置[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1992.

[4] 黃建新.船舶電站微機(jī)保護(hù)及自動準(zhǔn)同步并車系統(tǒng)研究[M].大連:大連海事大學(xué),2006.

[5] 解源，楊國豪.船舶電站自動并車裝置信號檢測原理與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器技術(shù)，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

于振國(1973-)，男，天津人，工程師，大學(xué)本科，主要從事船舶與海洋石油電氣、儀表工程設(shè)計(jì)、技術(shù)咨詢工作。

2014-04-02