太陽能游覽船舶火災報警系統抗干擾設計

李巧龍，俞萬能,2

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太陽能游覽船舶火災報警系統抗干擾設計

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. 集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021）

針對某類型太陽能游覽船舶開發的火災報警系統，根據實際應用情況，分析采用總線技術在數據采集、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報警系統抗干擾的具體措施，并對系統進行改進設計。實船應用表明，改進后的火災報警系統運行正常，可靠性和穩定性大大提高。

火災報警系統 信號采集 抗干擾措施

0 引言

船舶火災是船舶海難中危險性較大的一種事故[1-3]，船舶火災不僅僅威脅船舶本身、船上人員、船上貨物的安全，還會導致巨大的財產損失。船舶火災往往需要自救，在海上很難接受到其它船舶的救助，并且如果遇到大風浪時，風勢還會助長火的蔓延，加大滅火的難度，而且機艙內的空間狹窄。對于船舶火災主要以預防為主，爭取將火災消滅在萌芽之中。太陽能游覽船舶作為一種新興的運輸工具，其對火災預防的主要依賴于船舶上的火災報警系統。但在實船的運行中，火災報警器及其信號采集和傳輸經常會受到各種干擾的影響，大大降低了火災報警器的可靠性。為了保障火災報警器的可靠性，我們從硬件設計和軟件設計兩方面來避免外界的信號干擾，確保能將火災消滅在萌芽之中，保障船上的人員和財產安全[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、系統信息顯示屏、照明設備等組成[6]。其中船舶電力系統是由船舶電源裝置、配電裝置、船舶電網和電力負載按一定方式連接的整體，是船上電能產生、傳輸、分配和消耗等全部裝置和網絡的總稱[7-10]。

火災報警系統在太陽能游覽船舶上應用時，發現在推進變頻器運行的時候系統出現不穩定現象。經示波器檢測系統控制器DS18B20的采集信號，發現采集到的數據出現了明顯的干擾情況（如圖1所示），可以看出波形出現明顯的噪聲。而且當變頻器被關閉時，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消除，通過反復的測試發現對產生噪聲的原因主要是由于變頻器產生的干擾。變頻器干擾主要是由于變頻器進行快速開關動作時會產生高次諧波，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備、線路、信號傳輸產生影響[11-12]。所以對于太陽能游覽船上火災報警器的抗干擾設計主要是避免變頻器產生干擾。

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（變頻器關閉時）

2 硬件抗干擾設計

2.1 CAN總線抗干擾措施

太陽能游覽船舶上火災報警系統的監控系統采用的是屬于總線型網絡拓撲的雙CAN總線冗余環形網絡，CAN總線的兩端分別連接了兩個60 ?的電阻，這種終端結構稱為分離終端（結構如圖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，優化高頻性能，但這種分流終端卻會因為通電產生的干擾的回路電路，大大降低了監控系統的準確性和穩定性，所以我們在兩側分別用一個120 ?的電阻代替了代替了兩個60 ?的電阻（結構如圖4），進而在保證保證其高頻性能的情況下又避免了由于電流產生的回路電流干擾，進而保障了火災報警系統的準確性和穩定性[13-14]。實物見圖5 所示。

圖3 分離終端結構圖

圖4 改良后的結構圖

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穩定的24 V DC輸出。24 V輸入電壓經過EWC濾波穩壓處理后，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總線收發器TJA1050供電，選用TELESKY公司的電源模塊，具有良好的EWC特性。

數字板需要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電源經過線性電源AMS1117-1.8(低壓差穩壓器)變換為1.8 V為TMS320F2812內核供電。電源部分設計框圖如圖6所示。

圖6 電源模塊框圖

為了解決火災報警系統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絡來獲取更低的紋波值，但是為了避免TEN5- 413模塊與LC濾波網絡相互干擾，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，規定了最大負載和最小負載，以避免其出現過載或者空載的情況。

3 軟件抗干擾設計

3.1 滑動濾波

在火災報警系統的信號采集過程中，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報警系統的準確性。我們在火災報警系統中采用了滑動濾波算法來將信號中的干擾信號過濾掉，進而提高火災報警系統的精確性和穩定性。之所以選擇數字濾波是因為滑動濾波算法能夠將所采集的數據中的異常數據濾除掉，并將火災報警系統的狀態確定為異常狀態。滑動濾波算法還會將采集到的數據進行排序并通過中值選擇后再對數據進行合理性判斷，這樣可以有效避免傳感器采樣數據偶爾冒大值的情況，進而保障火災報警系統采集到的數據的穩定性和精確性。

滑動濾波算法的程序圖如圖7所示，它將采集到的數據進行分析處理，判斷其是否為正常值，如果不是正常值則進行異常計數，當計數達到m（根據實際情況自行設定）時，則進入異常狀態，否則進入正常狀態，并將以前的異常計數清零，并對數據進行處理，對所采集的正常數據進行排序，再通過中值選擇的方法，得到相應的數據，再對這些數據進行合理的判斷，不斷重復這些程序，如果滿足合理性的要求則輸出本次的結果，否則繼續輸出上次滿足合理性要求的結果。

圖7 滑動濾波算法流程圖

3.2 CRC校驗

為了進一步保障火災報警系統的精確性和穩定性，采用CRC校驗來提高火災報警器的抗干擾能力，作為數據通信領域最常見的一種查錯校驗碼，它能夠對數據進行多項式計算，并將得到的結果附在幀的后面，進而保證數據傳輸的準確性和穩定性。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：假設要發送的信息用多項式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)得到的余數就是校驗碼。在火災報警系統中，DS18B20向MCU發送數據時在最后一位添加CRC校驗位，MCU接收到數據時，當通過CRC校驗算法得到的校驗值與接收到的最后一位不相等時，這種情況表明火災報警器接收到的數據受到了干擾，火災報警器就會直接把收到的受干擾數據刪除，進而保障火災報警器的準確性和穩定性。

4 實船應用與分析

通過在火災報警系統的硬件設計中加入CAN總線抗干擾措施和電源抗干擾措施，在軟件設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報警系統的干擾，改進后的火災報警系統通過分布在船舶中的8個DS18B20采集船上充電器、負極棒、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行處理分析并經這些溫度傳送到顯示屏，使顯示屏能夠及時呈現出船上充電器、負極棒、電機艙、切換柜的實時溫度，便于駕駛員能夠及時發現船舶上各處溫度的異常變化，當DS18B20傳來的溫度超過了系統設定的極限值(該極限值可以根據實際情況設定)，TMS32OF2812就能夠及時的讓報警電路發出報警聲，顯示屏上也會將該處的溫度狀態及時顯示為紅色的‘過高’，這也方便駕駛員能立馬發現是哪個位置出現了火災，方便駕駛員能夠迅速處理，避免火災的發生（系統的組成框架圖如圖8所示)。改進后的火災報警系統在筼筜湖8艏太陽能游覽船(如圖9所示）上應用并實現了穩定的運行，并且能夠在火災發生時準確、穩定的采集和傳輸相關數據并在顯示屏上顯示出來、并發出警報（火災報警器太陽能游覽船上安裝實物如圖10所示、油艙切換柜發生火災時顯示屏實時圖如圖11所示）。

圖8 系統框架圖

圖9 筼筜湖8艏太陽能游覽船

圖10 火災報警系統實物圖

圖11 顯示屏實時圖

5 結論

本文針對火災報警系統在太陽能游覽船舶上實際運行中出現的變頻器干擾情況，提出了在火災報警系統的硬件設計中加入CAN總線抗干擾和電源抗干擾的方法，在軟件設計中采用了滑動濾波和CRC校驗的方法，并將這些改進方法在太陽能游覽船舶上進行應用，通過實船的應用證明了這種方法能夠避免變頻器對火災報警系統的干擾，為火災報警系統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報警系統的抗干擾措施結構更加簡單、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用。下一步可研究這種方法在其它船舶上的應用，希望能為船舶上火災報警系統的抗干擾措施的改進提供參考。

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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

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

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