王伯槐+劉黎

摘 要：一般情況下艦船工作環(huán)境惡劣，為提高艦船內(nèi)信號采集的高可靠性和連續(xù)不間斷的工作要求，許多測控裝備常常需要采取措施進行數(shù)字化傳輸。為解決船舶艙內(nèi)實時溫度測控問題，文中設(shè)計了一種溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)信息采集采用冗余設(shè)計，在系統(tǒng)架構(gòu)及軟硬件設(shè)計方面提出了可靠性設(shè)計及措施，解決了艦船用溫度監(jiān)測系統(tǒng)信號采集的可靠性問題。

關(guān)鍵詞：溫度監(jiān)測；可靠性；監(jiān)測系統(tǒng)；數(shù)字化

中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-02

0 引 言

隨著我國國力的不斷提升，人們愈加重視各種交通、運輸工具等的安全性，對交通工具中裝備的可靠性、穩(wěn)定性要求更加嚴格[1]。船舶作為海上有效的運輸工具，其安全性、舒適性得到人們的廣泛關(guān)注。為保證乘客和有溫度要求貨物的環(huán)境溫度，需要隨時了解和監(jiān)控船艙內(nèi)溫度變化情況。艦船內(nèi)溫度監(jiān)控系統(tǒng)也從簡單到復(fù)雜、從人工監(jiān)控記錄向自動化發(fā)展，其智能化程度與準確度越來越高[2-6]。但因為風(fēng)浪、天氣等客觀原因，一般情況下艦船工作環(huán)境惡劣。為提高艦船內(nèi)信號采集的高可靠性和連續(xù)不間斷的工作要求，許多測控裝備常常需要采取措施，并進行數(shù)字化傳輸[7]。在此所設(shè)計的溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，傳感器負責(zé)收集各種信息，之后進行表決，使數(shù)據(jù)采集在相對惡劣甚至傳感器部分失效的情況下，數(shù)據(jù)采集仍然可靠有效，實現(xiàn)對船艙內(nèi)溫度的實時性和高可靠性監(jiān)控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

船艙溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點單元和主控機單元組成。主控機可以采用通用的PC或服務(wù)器以提供更豐富的控制功能并提升可靠性。主控機采用通信接口與連接在總線上的各監(jiān)測節(jié)點通信，負責(zé)對整個系統(tǒng)中分布于各艙的檢測節(jié)點進行監(jiān)控，發(fā)送控制命令和參數(shù)配置信息，并接收來自各節(jié)點的狀態(tài)信息和測量數(shù)據(jù)，監(jiān)視船艙環(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點控制單元主要由傳感器、表決器、單元主控制模塊和通信單元組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點控制單元通過參數(shù)傳感器實時采集船艙中的主要溫度信息，經(jīng)表決器獲得可靠數(shù)據(jù)，再交由單元主控器處理信號，由通信單元生成協(xié)議報文，并經(jīng)由總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控機，同時接收主控機的控制命令和參數(shù)配置信息，并及時給予反饋。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)采集控制單元通過總線與主控機相連，對監(jiān)控對象實現(xiàn)信息采集。工業(yè)傳感器有較強的抗干擾能力和可靠性[4]，但由于機艙環(huán)境極為惡劣，作業(yè)期間維修困難，一旦出現(xiàn)故障很難及時修復(fù)，所以對監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性要求很高，故采取冗余設(shè)計。數(shù)據(jù)采集單元將相同功能的傳感器設(shè)計為3個，每次對采集到的數(shù)據(jù)進行表決，一個設(shè)備有問題不會影響整體采集結(jié)果。由此可見，冗余保證了系統(tǒng)工作的連續(xù)性、穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器模塊

數(shù)據(jù)采集節(jié)點選擇DS18B20作為溫度傳感器，具有可實現(xiàn)高精度控溫、轉(zhuǎn)換速度快、具有極強的抗干擾糾錯能力等特點，該傳感器首先采集周圍環(huán)境的溫度信息，然后把它們存儲在自己的內(nèi)存中。由單元主控器進行數(shù)據(jù)采集、處理和采集點顯示等。DS18B20將溫度采集后轉(zhuǎn)換成輸出的16位二進制數(shù)，存儲在DS18B20的兩個8位的RAM中。二進制數(shù)的前5位是符號位，如果溫控量的溫度不小于0，那么這5位為0，然后將得到的二進制數(shù)值乘以0.062 5就可得到溫控量的實際溫度；反之，若溫度小于0，那么這5位為1，然后將得到的數(shù)值取反加1再乘以0.062 5就可得到溫控量的實際溫度。選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，省去了采樣/保持電路、運放、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路以及進行長距離傳輸時的串/并轉(zhuǎn)換電路，從而簡化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時間，降低了系統(tǒng)的硬件成本。數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 溫度采集模塊的可靠性計算

溫度采集的可靠性是溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)[7]。單個數(shù)據(jù)采集的傳感器模塊在某一時刻之前正常工作的故障率λ（t）和可靠度R（t）計算如下：

（1）

在實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計中其近似值為：

（2）

（3）

其中，n（t）為試驗開始到時間t時仍失效的元器件、裝置數(shù)；n為進行實驗的元器件、裝置總數(shù)。實際計算值如下：

平均壽命（無故障工作時間）：

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序等。

3.1 主程序流程圖

主程序?qū)φ麄€系統(tǒng)進行控制。啟動后，首先對系統(tǒng)初始化，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置各采集單元，之后開始不間斷掃描各節(jié)點數(shù)據(jù)信息，將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，并進行狀態(tài)判斷，如遇不正常情況，則采取相應(yīng)溫度控制措施，如加溫和降溫等。之后對歷史數(shù)據(jù)進行分析，預(yù)判溫度變化趨勢，為決策提供依據(jù)。其程序流程如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

在數(shù)據(jù)采集節(jié)點主程序中，由嵌入式系統(tǒng)控制整個電路，DS18B20進行溫度采集，并且通過嵌入式系統(tǒng)在液晶顯示器上顯示溫度。當溫度達到指定溫度時將數(shù)據(jù)傳入嵌入式系統(tǒng)內(nèi)進行處理。DS18B20的讀時序開始在總線上傳送1或0。若DS18B20發(fā)送1，則保持總線為高電平；若發(fā)送0，則拉低總線。DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)在讀時序下降沿起始后的15 μs內(nèi)有效，因此主機在讀時序開始后的15 μs內(nèi)釋放總線。

4 實驗測試

為了測試設(shè)計的系統(tǒng)工作情況及性能，需要進行實驗驗證分析。采用AMD Athlon（tm）X4 CPU，內(nèi)存為8 GB，在Windows7操作系統(tǒng)上進行，數(shù)據(jù)庫為MySQL。

通過測試分析，實測溫度數(shù)據(jù)見表1所列，溫度實測誤差平均在0.4～0.5℃之間，因此，軟件較正值設(shè)為0.4℃。

經(jīng)仿真和實物測試，歷史數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中可追溯分析，數(shù)據(jù)采集可靠連續(xù)，實時工作滿足設(shè)計要求。數(shù)據(jù)采集節(jié)點實物如圖4所示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的可靠的溫度監(jiān)測系統(tǒng)為惡劣環(huán)境提供了一種采集、監(jiān)控現(xiàn)場溫度的有效方案?？梢岳帽O(jiān)控軟件實時監(jiān)測溫度，也可以現(xiàn)場監(jiān)測，并能根據(jù)記錄的歷史溫度數(shù)據(jù)進行有效分析和合理判斷，從而有效節(jié)省了人力資源，適用于需要長時間監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境或環(huán)境惡劣的場所。此外，系統(tǒng)可以更換不同的傳感器來測量其他環(huán)境參數(shù)，如測濕度、有毒氣體等，具有一定的通用性。

參考文獻

[1]耿保陽，謝永和，劉瑩瑩，等.3600DWT超規(guī)范油船艙段結(jié)構(gòu)有限元分析[J].船舶工程，2014（4）： 13-16.

[2]戴立坤.船艙內(nèi)異常壓力警戒監(jiān)控平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].艦船科學(xué)技術(shù)， 2017，39（1）：150-153.

[3]吳凌燕，吳莉莉.基于Proteus的室溫監(jiān)控系統(tǒng)仿真研究[J].儀表技術(shù)，2012（9）：35-37.

[4]肖婧.單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真—基于Proteus[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[5]許明華.基于CAN 總線的船舶自動化系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].中國造船，2012，53（2）：185-191.

[6]李峰，張開平.基于PLC的低溫環(huán)境試驗室控制系統(tǒng)[J].自動化儀表，2006，27（9）：54-56.

[7]韓蘭懿，王懷光，米松林，等.某型裝甲車輛艙室溫控系統(tǒng)[J].兵工自動化， 2013（6）：78-81.

[8]王國榮.基于PLC的船艙內(nèi)溫度自動控制方法研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2017（6）：108-110.endprint