王建農，王 偉

(常州工學院，江蘇 常州213002)

0 引 言

隨著現代科技的蓬勃發(fā)展，艦船電氣化的水平在不斷提高，艦船上的用電設備日益增多，艦船裝機總量呈現指數型增長的態(tài)勢［1］。由于艦船航行于水面，工作環(huán)境和陸地有著很大的不同，環(huán)境的多變性很強，擁有一個穩(wěn)定、精確性好的系統(tǒng)變得越來越迫切。與此同時，艦船設備的老化、艦船工作人員的誤操作以及多變、不利的工作環(huán)境等因素，常常會使系統(tǒng)處于不正常的狀態(tài)，輕者導致設備癱瘓，重者引發(fā)艦船供電系統(tǒng)中斷，最終使艦船無法正常航行。因此，對艦船電力系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，在系統(tǒng)出現故障問題時能夠作出迅速的反應，確保系統(tǒng)正常工作變得越來越重要［2］。目前，艦船電能管理系統(tǒng)中的方法主要包括基于牛頓法和P －Q 分解法的配電網絡法，這種方法收斂性好，計算效率高，但也有著負載不平衡等缺點。此外還有一些別的方法，如前推回推法等［3－4］。由于艦船的特殊性，艦船電能管理系統(tǒng)需要根據自身的特點來設計，比如負荷多、線路短、電壓低，這些特點都需要考慮進艦船電能管理系統(tǒng)的設計之中［5］。本文結合傳統(tǒng)艦船電能管理系統(tǒng)，基于SOPC 具有嵌入式結構、處理能力強、在線可重配置的優(yōu)點［6－7］，設計一種用于艦船的區(qū)域性的電能管理系統(tǒng)，采用可靠性較好的串口通信方式和計算機進行一定距離的通信，以滿足艦船實際運行的需要。

1 艦船電能管理系統(tǒng)總體設計

艦船電能管理系統(tǒng)主要用來采集艦船上不同用電設備的用電量數據，對不同負荷的用電線路進行實時監(jiān)控。當某一電路出現故障時，可以及時將重要負載接入無故障的電路中，并將收集到的信息傳輸到電能管理系統(tǒng)中心。這種方式具有很大的智能化特點，它把電路負載數據的采集、收集、分析和處理有機地統(tǒng)一起來。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖Fig.1 The structure of the system

當艦船各用電設備處于工作狀態(tài)時，各設備的電能使用狀況實時地被數據采集系統(tǒng)進行采樣，然后由串口通信模塊發(fā)送到上位機并顯示出來，同時，下位機對采樣到的數據進行存儲和分析，并根據下位機設定的程序發(fā)出相應的指令，管理員也可以由上位機人為地控制各用電設備的工作。其工作過程如下:

1)艦船管理系統(tǒng)根據管理員設定的時間、頻率等參數對各負載的用電信息進行數據收集，并將數據通過串口通信模塊發(fā)送給管理系統(tǒng)上位機模塊。

2)艦船管理系統(tǒng)上位機模塊對發(fā)送回來的數據信息進行分析判斷，若各用電設備和線路都正常，則向下位機發(fā)送“保持”指令;若出現如過載、線路中斷等故障問題，則進入相應的自檢程序。

3)下位機接收到指令后，控制硬件電路，實現不同負載和電路的切換，關閉不太需要的負載線路，保障重要設備的正常使用。

4)繼續(xù)監(jiān)控，周而復始。

艦船電能管理系統(tǒng)的下位機硬件平臺采用FPGA及外圍硬件電路組成，用于對艦船電能模塊的信號采集和控制;人機界面模塊采用VB 語言進行開發(fā)，主要用來顯示各設備使用狀況，并對系統(tǒng)進行控制。二者之間的通信方式采用RS－232 串口通信。

2 艦船電能管理系統(tǒng)硬件設計

整個系統(tǒng)的設計思路是:輸入各區(qū)域配電板電壓電流信號，進入采樣保持電路，由FPGA 內A/D轉換模塊轉換成數字信號，再由FPGA 芯片進行數據運算和處理，根據邏輯關系，輸出控制信號，控制外圍用電設備的通斷，通過RS －232 通信接口與上位機計算機相連，并將檢測數據顯示在上位機界面上。

硬件系統(tǒng)以FPGA 為基礎，配上外圍電路，以實現系統(tǒng)的邏輯處理。Nios II 處理器是基于SOPC技術的32 位RISC 處理器軟內核。典型的SOPC 系統(tǒng)主要包括微處理器內核、Avalon 總線、通用I/O控制器、存儲器控制單元和定時器及其他外設控制部分。所配置的Nios II 軟核主要包括:32 位CPU單元，程序存儲器SDRAM 的控制單元，數據存儲器EPCS 的控制單元，UART 控制單元。系統(tǒng)的硬件結構如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖Fig.2 The hardware structure of the system

在系統(tǒng)通信中，RS －232 和RS －485 標準總線應用最為廣泛，技術也最為成熟。其中，RS －232標準總線是在異步串行通信中使用最普遍的標準總線，穩(wěn)定傳輸距離可達15 m，數據傳輸速率最快可至19.2 kb/s。

在艦船電能管理系統(tǒng)中，由于所需要采集的監(jiān)控參數電壓或者電流值都比較大，而FPGA 所能處理的信號值都較小，因而需要對采集的信號進行處理，以實現FPGA 對各監(jiān)控數據的處理。首先將監(jiān)控的數值轉換成對應的低電壓，如圖3 所示為信號采集電路，Uaout 輸出的峰值電壓為2.5 V。經過轉化的電流或者電壓信號使用MAX187 芯片轉換后輸入到FPGA。經過處理后，輸出控制信號通過光耦隔離來控制用電設備。如圖4 所示，CHa為從FPGA 輸出的數字信號，通過上接一個3.3 V電源來提高輸出電流，Ha 為實際輸出控制信號，可以根據實際情況來改變輸出電壓，進而控制用電設備。

圖3 信號采集電路Fig.3 Signal acquisition circuit

圖4 光耦隔離電路Fig.4 Optical coupling isolation circuit

3 艦船電能管理系統(tǒng)軟件設計

艦船電能管理系統(tǒng)中的軟件主要由下位機軟件和上位機軟件2 部分組成。下位機軟件主要實現對數據的采集、分析和處理，并將各用電設備的當前狀態(tài)信息以串口通信的方式實時地發(fā)送回上位機。上位機軟件主要用于對各設備和線路用電狀況的實時顯示，便于管理員在主界面對用電設備和線路的人為控制。

3.1 下位機設計

艦船電能管理系統(tǒng)的下位機程序采用C 語言編寫，通過程序編譯后，下載到FPGA 開發(fā)板中運行。圖5 為FPGA 處理器的主函數流程圖，該系統(tǒng)的下位機軟件程序主要實現以下幾個功能:

1)FPGA 的初始化設置，中斷初始化設置，用電負載初始化設置;

2)串口中斷服務函數，實現接收上位機數據和返回下位機數據的功能;

3)系統(tǒng)通過AD 轉換對數據進行采樣;

4)對采樣得到的數據信息進行分析，主要判斷是否有故障，設備工作是否正常;

5)下位機內部函數程序對故障進行處理，并發(fā)送數據至計算機。

圖5 下位機主函數流程圖Fig.5 The flowchart of the main function

SOPC 技術是以FPGA 為硬件構架，將SOC 設計思想融入進來，使整個硬件的設計理念發(fā)生變化。系統(tǒng)的硬件由于采用了嵌入式處理單元而變得非常簡單，這種方式使得系統(tǒng)具有很大的可重配置性，因而系統(tǒng)具有很大的靈活性。針對SOPC 系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)環(huán)境已經非常完善，有利于系統(tǒng)設計員提高系統(tǒng)的開發(fā)效率。

3.2 上位機設計

VB6.0 是一種可視化，面向對象的高級編程語言，有許多內部函數，其中的MSComm 控件可以和RS－232 串口通信很好地結合起來，便于管理員開發(fā)出高效、簡潔、豐富、美觀的圖形界面。基于此，艦船電能管理系統(tǒng)中的人機界面程序采用VB6.0 進行開發(fā)。

系統(tǒng)采用RS－232 串口通信的通信方式，它的作用主要有:

1)將計算機編寫的程序下載到FPGA;

2)實現計算機和FPGA 的雙向通信。

圖6 為艦船電能管理系統(tǒng)的上位機人機界面，它的主要功能包括RS －232 串口通信參數的設置，各工作負載的用電狀況的顯示及對各負載電路是否啟用的控制。

圖6 上位機人機界面Fig.6 The PC HMI

系統(tǒng)采用RS －232 串口通信方式，具有穩(wěn)定性好、實時性強的特點，人機界面用VB6. 0 進行開發(fā)，具有很強的可視化效果，便于管理員快速、準確地得到艦船當前各用電設備的電能使用狀況。

4 結 語

本文提出的基于SOPC 的艦船電能管理系統(tǒng)充分利用了SOPC 的優(yōu)點，將硬件和軟件緊密的結合在一起，充分發(fā)揮了FPGA 和嵌入式系統(tǒng)NiosⅡ的靈活性，在保證系統(tǒng)運算能力的前提下，簡化了硬件設計和軟件開發(fā)的步驟，有效降低了系統(tǒng)硬件和軟件的復雜度，縮短了開發(fā)周期。本文的研究成果可為艦船領域電能管理系統(tǒng)的設計提供一定的參考。

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