嵌入式監視儀表在船舶自動化電站的應用

王磊 韓有輝 孫傳虎

摘 要：隨著科學技術的不斷發展，船舶自動化電站也不斷更新技術和設備，作為高效率高質量的航海實踐教學設備，陸上自動化機艙在航海實踐中有著極其重要的作用。作為幅員遼闊的臨海大國，中國的航海教育卻面臨著停滯不前的問題，相對滯后的理念和設施是中國航運發展的一大難題。當前，中國最新引進了嵌入式監視儀表，加強對船舶自動化研究和探索。本文具體介紹了船舶自動化中嵌入式監視儀表的設計應用和具體應用，加深對船舶自動化的探究。

關鍵詞：嵌入式；監視儀表；船舶自動化；電站；應用

0引言

隨著陸上自動化理論和技術的不斷進步，船舶自動化電站也在不斷地發展和更新之中，由部分自動化不斷發展到全面自動化的監測與控制機艙。20世紀80年代初，我國的航運事業蒸蒸日上，逐漸躋身航運大國之列。因而，培養有實踐能力的船員也成為了當務之急，主要包括實驗操作、測試評估和海上實習等重要環節。我國也在不斷提倡配備科學、合理的航海教學設施，自動化機艙電站成為了重要的航海教學設施，它不僅是船員實踐學習的平臺，也為科學研究提供了重要的基地。

1船舶自動化中嵌入式監視儀表的設計應用

1.1嵌入式監視儀表的硬件設計

以交流電380V、50HZ的船舶電站為例，動力源采用柴油發電機組，其中主發電機組兩臺，備用發電機組一臺。主屏電屏要時刻記錄顯示每臺發電機組的實時情況。如圖1所示。

圖1船舶自動化電站與監視儀表

1.1.1嵌入式監視儀表的整體硬件的電路

嵌入式監測儀表是船舶自動化電站的設計核心，主要用于測量和監視發電機組和電網的重要參數。發電機組和電網的三項電壓和電流取樣和進行隔離的主要工具是電壓互感器和電流互感器，而且參數量程的范圍要符合DSP 的A/D進行轉換的范圍。然而一般的大信號很難做到，這就需要精度較高的互感器，加強信號來調理電路的走向，例如電流變換電路、極性變換電路等。

在自動化裝置DSP數字信號處理能力和事件管理能力都很強，在采集、運算和處理數據方面有很重要的作用，主要采用32位定點數字信號處理器，主頻設置了豐富的片內外設，有8級流水線，最大可達150MHz。

1.1.2抗混疊和極性變換電路

只有有限寬帶信號才能經過A/D進行轉換，因此在轉換模數之前，信號必須將高頻信號經過抗混疊的模擬濾波器過濾掉。但是由于現實的局限性，無法制造出十分理想的濾波器，因此需要借助一個保護袋進行過渡，50Hz的信號是最為理想化的。經過過濾之后，正負交替的交流信號還是存在的，因此DSP中的A/D轉換必須采用極性調理電路將信號確定在0-3V之間。

1.1.3接口顯示電路

在船舶自動化中安裝嵌入式的監視儀表運行過程中，為了進行人機交互，將監視系統顯示的界面圖形化是必不可少的一項功能，它能夠顯示豐富的信息和電力參數，直觀的反映監視儀表運行的實時狀態，使得操作更加方便，檢修更加容易。

1.2嵌入式監視儀表的軟件設計

1.2.1用DSP法處理嵌入式監視儀表的監視參數

計算監視參數，即通過計算機軟件將采集到的數據信息的電壓和電流參數的序列進行記錄，通過各種參數計算將電壓和電流的實部和虛部計算出來。一般常用的參數數據包括監視電壓、電流、頻率、功率和諧波等電量，在分析電力質量時，要充分結合以上電量，以實現遙測、遙信和遙控燈船舶自動化的基本工作。

1.2.2用DSP軟件實現嵌入式監視儀表的監視參數處理

用DSP軟件實現嵌入式監視儀表的監視參數處理主要有兩種方式，一種是數字濾波，一種是快速計算。其中數字濾波可以使用FIR和IIR進行處理，主要是FIR濾波，為了快速計算大量的監視參量數據，不僅要采用處理速度較快的芯片等硬件，還要采用快速傅立葉變換等軟件。

1.2.3設計程序的顯示

嵌入式監視儀表采用uCDUI的顯示界面，主要支持嵌入式的圖形，廣泛應用于使用LCD圖形的接口，不僅適用于單任務系統，還可以運用到多任務的環境中，由不同模塊中的不同的層組成。使用之前，用戶首先需要設計LCD的驅動程序和應用程序。例如，設置不同層次的主題要求，之后在進行操作時只需要在主界面根據不同的需求點擊相應的菜單即可。

2船舶自動化中嵌入式監視儀表的具體應用

2.1船舶自動化中嵌入式微機系統的應用

傳統的通用工控的PC端和控制板卡式的數據采集的方式廣泛應用于船舶控制當中，但是在探索動態模型以及研究環仿真的半實物模式的過程中，無法兼顧數據的實時性和精確度，而這方面又必須有所突破。船舶自動化則很好地解決了這個問題。嵌入式微機系統中的嵌入式仿真平臺將實時操作和雙核處理結構完整地結合起來，以實現了實時控制實踐操作。嵌入式微機系統的主處理器是ARM核微控制器，主要負責整個系統的操作系統和加載啟動應用系統。DSP 將船舶自動化測量出的相關參數數據進行數學計算，再將相關數據傳送給ARM，最后由ARM將數據傳輸給外界。

2.2船舶自動化中數字化監視儀表的應用

船舶自動化中的監視儀表采用了密度較高的LED智能顯示儀表，為了便于船員的管理，主要有兩種顯示方法，分別是數字和模擬，這樣不僅可以顯示正負方向，精度也達到了很高的標準。核心儀表也是一塊微控制器，包括存儲器、A/D轉換器和CAN通信控制器等，性價比和集成度都很高，主要涉及的相關數字處理有數字濾波、分程顯示等，還可以實現校驗控制和自動零位。

2.3船舶自動化中多總線技術和嵌入式監視儀表的仿真應用

20世紀90年代初世界先進的船舶中已經開始使用船舶自動化多總線技術，在運行過程中將多種獨立的控制系統集合起來組成一個總線系統，綜合模擬船舶機艙的控制過程，實現了船舶自動化嵌入式監視儀表的仿真和半實物仿真，很好地解決了船舶自動化中的孤島問題，在通訊方式不統一的復雜環境下進一步實現了軟件系統間的信息交流和傳遞，并在實際中廣泛運用。

3結束語

隨著科學技術的不斷發展，現代船舶也在逐漸實現自動化，其中嵌入式監視儀表是一項重要的研究方向和對象，實現技術的不斷更新和發展。當前，國內的船舶自動化電站還處在一個不成熟的發展階段，不能完全滿足國內船舶業的迅速發展。因此，在加深對嵌入式監視儀表的研究和探索過程中，要積極采取措施進行應對。

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