李巧龍，俞萬能,2

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太陽能游覽船舶火災(zāi)報警系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

李巧龍1，俞萬能1,2

(1. 福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建廈門 361021；2. 集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建廈門 361021）

針對某類型太陽能游覽船舶開發(fā)的火災(zāi)報警系統(tǒng)，根據(jù)實際應(yīng)用情況，分析采用總線技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、傳輸信號中存在的各種信號干擾，從硬件和軟件方面討論了火災(zāi)報警系統(tǒng)抗干擾的具體措施，并對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。實船應(yīng)用表明，改進(jìn)后的火災(zāi)報警系統(tǒng)運行正常，可靠性和穩(wěn)定性大大提高。

火災(zāi)報警系統(tǒng) 信號采集 抗干擾措施

0 引言

船舶火災(zāi)是船舶海難中危險性較大的一種事故[1-3]，船舶火災(zāi)不僅僅威脅船舶本身、船上人員、船上貨物的安全，還會導(dǎo)致巨大的財產(chǎn)損失。船舶火災(zāi)往往需要自救，在海上很難接受到其它船舶的救助，并且如果遇到大風(fēng)浪時，風(fēng)勢還會助長火的蔓延，加大滅火的難度，而且機艙內(nèi)的空間狹窄。對于船舶火災(zāi)主要以預(yù)防為主，爭取將火災(zāi)消滅在萌芽之中。太陽能游覽船舶作為一種新興的運輸工具，其對火災(zāi)預(yù)防的主要依賴于船舶上的火災(zāi)報警系統(tǒng)。但在實船的運行中，火災(zāi)報警器及其信號采集和傳輸經(jīng)常會受到各種干擾的影響，大大降低了火災(zāi)報警器的可靠性。為了保障火災(zāi)報警器的可靠性，我們從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面來避免外界的信號干擾，確保能將火災(zāi)消滅在萌芽之中，保障船上的人員和財產(chǎn)安全[4-5]。

1 太陽能游覽船舶上干擾源的分析

太陽能游覽船舶主要船體、駕駛室主控臺、太陽能光伏陣列、充電控制單元、蓄電池組、電機控制單元、電力系統(tǒng)、系統(tǒng)信息顯示屏、照明設(shè)備等組成[6]。其中船舶電力系統(tǒng)是由船舶電源裝置、配電裝置、船舶電網(wǎng)和電力負(fù)載按一定方式連接的整體，是船上電能產(chǎn)生、傳輸、分配和消耗等全部裝置和網(wǎng)絡(luò)的總稱[7-10]。

火災(zāi)報警系統(tǒng)在太陽能游覽船舶上應(yīng)用時，發(fā)現(xiàn)在推進(jìn)變頻器運行的時候系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。經(jīng)示波器檢測系統(tǒng)控制器DS18B20的采集信號，發(fā)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯的干擾情況（如圖1所示），可以看出波形出現(xiàn)明顯的噪聲。而且當(dāng)變頻器被關(guān)閉時，DS18B20采集到的信號開始趨于正常（如圖2所示）。從圖2中可以看出噪聲已經(jīng)消除，通過反復(fù)的測試發(fā)現(xiàn)對產(chǎn)生噪聲的原因主要是由于變頻器產(chǎn)生的干擾。變頻器干擾主要是由于變頻器進(jìn)行快速開關(guān)動作時會產(chǎn)生高次諧波，這樣變頻器輸出波形除基波外還含有大量高次諧波。高次諧波是變頻器產(chǎn)生干擾的主要原因，變頻器本身就是諧波干擾源，可以對附近的儀表自動化控制設(shè)備、線路、信號傳輸產(chǎn)生影響[11-12]。所以對于太陽能游覽船上火災(zāi)報警器的抗干擾設(shè)計主要是避免變頻器產(chǎn)生干擾。

圖1 示波器采集到的波形（變頻器工作時）

圖2 示波器采集到的波形（變頻器關(guān)閉時）

2 硬件抗干擾設(shè)計

2.1 CAN總線抗干擾措施

太陽能游覽船舶上火災(zāi)報警系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)采用的是屬于總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞碾pCAN總線冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，CAN總線的兩端分別連接了兩個60 ?的電阻，這種終端結(jié)構(gòu)稱為分離終端（結(jié)構(gòu)如圖3）。采用分離終端雖然可以從兩個分離終端的中間抽頭上得到共模信號，優(yōu)化高頻性能，但這種分流終端卻會因為通電產(chǎn)生的干擾的回路電路，大大降低了監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，所以我們在兩側(cè)分別用一個120 ?的電阻代替了代替了兩個60 ?的電阻（結(jié)構(gòu)如圖4），進(jìn)而在保證保證其高頻性能的情況下又避免了由于電流產(chǎn)生的回路電流干擾，進(jìn)而保障了火災(zāi)報警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[13-14]。實物見圖5 所示。

圖3 分離終端結(jié)構(gòu)圖

圖4 改良后的結(jié)構(gòu)圖

圖5 實物圖

2.2電源抗干擾措施

通過船用蓄電池供電可提供持續(xù)穩(wěn)定的24 V DC輸出。24 V輸入電壓經(jīng)過EWC濾波穩(wěn)壓處理后，由隔離型DC/DC模塊LM2596S降壓為+5 V為傳感器模擬板供電。該模塊為主電源模塊，同時，給CAN總線收發(fā)器TJA1050供電，選用TELESKY公司的電源模塊，具有良好的EWC特性。

數(shù)字板需要3.3 V，1.8 V，隔離5 V三種電源，其中，非隔離型電源模塊AMS1117-3.3將+5 V電源降壓為3.3 V給TMS320F2812的IO部分供電，+3.3 V電源經(jīng)過線性電源AMS1117-1.8(低壓差穩(wěn)壓器)變換為1.8 V為TMS320F2812內(nèi)核供電。電源部分設(shè)計框圖如圖6所示。

圖6 電源模塊框圖

為了解決火災(zāi)報警系統(tǒng)電源中的紋波和電源，通過在DC/DC模塊的輸入端和輸出端外加濾波電容的方法來減少紋波值。同時也要注意選擇外加濾波電容器的電容值，如果選用的電容器的電容值過大，很容易導(dǎo)致啟動問題。我們還在DC/DC模塊TEN5-2413輸入輸出端連接了一個濾波網(wǎng)絡(luò)來獲取更低的紋波值，但是為了避免TEN5- 413模塊與LC濾波網(wǎng)絡(luò)相互干擾，將TEN5-2413模塊的固有頻率和LC濾波的自身頻率合理的錯開。同時為了確保TEN5-2413模塊能夠高效可靠的工作，規(guī)定了最大負(fù)載和最小負(fù)載，以避免其出現(xiàn)過載或者空載的情況。

3 軟件抗干擾設(shè)計

3.1 滑動濾波

在火災(zāi)報警系統(tǒng)的信號采集過程中，被測信號中會混入許多干擾信號，這些干擾信號會大大降低火災(zāi)報警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。我們在火災(zāi)報警系統(tǒng)中采用了滑動濾波算法來將信號中的干擾信號過濾掉，進(jìn)而提高火災(zāi)報警系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性。之所以選擇數(shù)字濾波是因為滑動濾波算法能夠?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)濾除掉，并將火災(zāi)報警系統(tǒng)的狀態(tài)確定為異常狀態(tài)?；瑒訛V波算法還會將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序并通過中值選擇后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性判斷，這樣可以有效避免傳感器采樣數(shù)據(jù)偶爾冒大值的情況，進(jìn)而保障火災(zāi)報警系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確性。

滑動濾波算法的程序圖如圖7所示，它將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷其是否為正常值，如果不是正常值則進(jìn)行異常計數(shù)，當(dāng)計數(shù)達(dá)到m（根據(jù)實際情況自行設(shè)定）時，則進(jìn)入異常狀態(tài)，否則進(jìn)入正常狀態(tài)，并將以前的異常計數(shù)清零，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對所采集的正常數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，再通過中值選擇的方法，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的判斷，不斷重復(fù)這些程序，如果滿足合理性的要求則輸出本次的結(jié)果，否則繼續(xù)輸出上次滿足合理性要求的結(jié)果。

圖7 滑動濾波算法流程圖

3.2 CRC校驗

為了進(jìn)一步保障火災(zāi)報警系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性，采用CRC校驗來提高火災(zāi)報警器的抗干擾能力，作為數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域最常見的一種查錯校驗碼，它能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行多項式計算，并將得到的結(jié)果附在幀的后面，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。CRC校驗的基本原理為：在K位信息碼后再拼接R位的校驗碼，整個編碼長度為N位，因此，這種編碼也叫（N，K）碼。對于一個給定的（N，K）碼，可以證明存在一個最高次冪為N-K=R的多項式G(x)。根據(jù)G(x)可以生成K位信息的校驗碼，而G(x)叫做這個CRC碼的生成多項式。校驗碼的具體生成過程為：假設(shè)要發(fā)送的信息用多項式C(X)表示，將C(x)左移R位（可表示成C(x)*2R），這樣C(x)的右邊就會空出R位，這就是校驗碼的位置。用 C(x)*2R除以生成多項式G(x)得到的余數(shù)就是校驗碼。在火災(zāi)報警系統(tǒng)中，DS18B20向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)時在最后一位添加CRC校驗位，MCU接收到數(shù)據(jù)時，當(dāng)通過CRC校驗算法得到的校驗值與接收到的最后一位不相等時，這種情況表明火災(zāi)報警器接收到的數(shù)據(jù)受到了干擾，火災(zāi)報警器就會直接把收到的受干擾數(shù)據(jù)刪除，進(jìn)而保障火災(zāi)報警器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4 實船應(yīng)用與分析

通過在火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計中加入CAN總線抗干擾措施和電源抗干擾措施，在軟件設(shè)計中采用了滑動濾波和CRC校驗的方法，最大化的避免了變頻器對火災(zāi)報警系統(tǒng)的干擾，改進(jìn)后的火災(zāi)報警系統(tǒng)通過分布在船舶中的8個DS18B20采集船上充電器、負(fù)極棒、電機艙、切換柜的實時溫度，將這些溫度傳送給TMS32OF2812，TMS32OF2812對傳來的實時信號進(jìn)行處理分析并經(jīng)這些溫度傳送到顯示屏，使顯示屏能夠及時呈現(xiàn)出船上充電器、負(fù)極棒、電機艙、切換柜的實時溫度，便于駕駛員能夠及時發(fā)現(xiàn)船舶上各處溫度的異常變化，當(dāng)DS18B20傳來的溫度超過了系統(tǒng)設(shè)定的極限值(該極限值可以根據(jù)實際情況設(shè)定)，TMS32OF2812就能夠及時的讓報警電路發(fā)出報警聲，顯示屏上也會將該處的溫度狀態(tài)及時顯示為紅色的‘過高’，這也方便駕駛員能立馬發(fā)現(xiàn)是哪個位置出現(xiàn)了火災(zāi)，方便駕駛員能夠迅速處理，避免火災(zāi)的發(fā)生（系統(tǒng)的組成框架圖如圖8所示)。改進(jìn)后的火災(zāi)報警系統(tǒng)在筼筜湖8艏太陽能游覽船(如圖9所示）上應(yīng)用并實現(xiàn)了穩(wěn)定的運行，并且能夠在火災(zāi)發(fā)生時準(zhǔn)確、穩(wěn)定的采集和傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)并在顯示屏上顯示出來、并發(fā)出警報（火災(zāi)報警器太陽能游覽船上安裝實物如圖10所示、油艙切換柜發(fā)生火災(zāi)時顯示屏實時圖如圖11所示）。

圖8 系統(tǒng)框架圖

圖9 筼筜湖8艏太陽能游覽船

圖10 火災(zāi)報警系統(tǒng)實物圖

圖11 顯示屏實時圖

5 結(jié)論

本文針對火災(zāi)報警系統(tǒng)在太陽能游覽船舶上實際運行中出現(xiàn)的變頻器干擾情況，提出了在火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計中加入CAN總線抗干擾和電源抗干擾的方法，在軟件設(shè)計中采用了滑動濾波和CRC校驗的方法，并將這些改進(jìn)方法在太陽能游覽船舶上進(jìn)行應(yīng)用，通過實船的應(yīng)用證明了這種方法能夠避免變頻器對火災(zāi)報警系統(tǒng)的干擾，為火災(zāi)報警系統(tǒng)的抗干擾研究提供了一種新的方法，這種方法相對于陸上火災(zāi)報警系統(tǒng)的抗干擾措施結(jié)構(gòu)更加簡單、使用更加方便、價格更加低廉，十分適合在太陽能游覽船舶上應(yīng)用。下一步可研究這種方法在其它船舶上的應(yīng)用，希望能為船舶上火災(zāi)報警系統(tǒng)的抗干擾措施的改進(jìn)提供參考。

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Anti-jamming Design of Fire Alarm System for Solar Tours Ship

Li Qiaolong1, Yu Wanneng1,2

(1. Fujian Province Key Laboratory of Naval Architecture and Marine Engineering, Xiamen 361021, China; 2. Marine Engineering Institude, Jimei University, Xiamen 361021, China )

U665.13

A

1003-4862（2018）02-0013-05

2017-11-20

國家自然科學(xué)基金（51679106）； 福建省自然基金面上項目（2017J01703）；福建省科技計劃項目資助（2015Y0038/2016H6017）

李巧龍(1994-)，男，碩士研究生。研究方向:船舶電力推進(jìn)及其控制。E-mail: 844541588@qq.com

俞萬能（1970-），男，博士，教授。研究方向：船舶電力推進(jìn)及其控制。E-mail: wnyu2007@jmu.edu.cn