0 引　言

航运商品对海上的运输条件有着不同的要求，其中，液化天然气、渔产品等对于运输温度有较高的要求^[1]，因此，设计和开发船舶运输舱的恒温运输系统非常有必要。一个应用性良好的恒温运输系统必须要具有良好的人机交互界面、智能化控制功能和高精度温控功能，这是本文的研究重点。

本文基于嵌入式ARM技术开发一种高精度的船舶恒温运输系统，采用的核心控制芯片为ARM920T系列处理器S3C2440，分别从船舶恒温运输系统的关键硬件组成、温度采集电路、主控电路和冷却电机等方面进行详细设计，有助于改善目前现有的船舶运输系统。

1 高精度船舶恒温运动系统的基本架构

传统的温度控制系统主要采用PLC及单片机技术，不仅占据空间大，灵活性不足，而且功能和模块的扩展性较低，在根据实际的功能需求进行接口扩展时相对麻烦。此外，PLC及单片机在程序修改和拷贝时灵活性较差。

由于船舶恒温运输系统正常工作过程中会受波浪颠簸等影响，为了提高船舶恒温运输系统的抗干扰能力，提升温控精度，本文选用ARM920T系列微处理器S3C2440，该处理器具有集成度高、运算速度快、性能强大等优点。

图1为高精度船舶恒温运输系统的原理图。

1)处理器模块

处理器核心采用S3C2440芯片，负责整个恒温运输系统的信号采集、处理和存储，控制系统的通信模块、显示控制模块、存储模块和温度执行模块等，根据温度传感器采集的数据，向系统的制冷电机发送指令，保持系统的恒温。

2)接口电路

接口电路包括I/O接口、RS232接口电路等，负责系统处理器模块与外围设备的数据传输。

3)存储模块

存储模块由两部分构成，分别是SDRAM和Flash存储器，SDRAM是存储操作系统和恒温运输系统应用程序的空间，Flash存储空间主要是负责嵌入式系统内核、根文件等数据的存储。

4)通信模块

通信模块是恒温控制系统与上位机、其他船舶硬件设备的数据交换模块，包括串行电路、以太网接口电路、USB电路等，可以将恒温运输系统的运行参数发送至互联网和船舶的集控室，保证船舶操作人员进行在线和远程控制。

5)显示控制模块

该模块配置6英寸液晶显示屏，显示恒温运输系统的当前温度及操作按钮，用户可根据显示控制模块获取系统的工作状态，发送温控指令。

6)温控执行模块

采用的温控执行模块为温控电机和半导体制冷片。

2 基于ARM的高精度船舶恒温运输系统关键硬件 2.1 ARM主控芯片电路

ARM920T系列处理器S3C2440是一种64位处理，价格低、能耗小、运算性能高，能够满足海上船舶恒温运输系统的控制需求，S3C2440处理器集成的功能包括：

1）采用1.2 V的电源电压供电，存储器采用2.4 V和3.3 V电压供电^[2]；

2）具有4路PWM定时器接口；

3）16 KB的指令cache和16 KB空间的数据cache；

4）8路触摸屏接口和ADC控制接口。

图2和图3为恒温运输系统核心IO分配及数据存储电路图。

2.2 船舶恒温运输系统的温度采集传感器设计

温度采集单元是船舶恒温运输系统的关键部件，主要包括温度传感器、温度变送器2个模块。

1）温度传感器

采用的温度传感器为PT100即铂热电阻^[3]，铂热电阻的热敏特性非常稳定，当铂热电阻被加热后，电阻值会发生变化，将温度信号转化为电信号，就能实现船舶恒温运输系统的温度监测。恒温运输舱室的底部和四周舱壁均匀放置超过25支铂热电阻传感器，确保运输舱室中温度采集的准确性。

2）温度变送器

温度变送器的功能是将铂热电阻的温度信号进行线性转换，转换为系统能够识别的4～20 mA电流信号或0～5 V电压信号。除了线性转换功能外，铂热电阻中的模拟量还会进行滤波、运算放大等处理。

选用的温度变送器型号为MIK-ST_500，温度量程为−100℃−500℃，供电电压为24 V，图4为温度变送器的原理接线图。

2.3 船舶恒温运输系统的冷却模块设计与分析

船舶恒温运输系统的冷却模块采用冷却电机和换热器实现温度控制。

1）换热器

换热器中的液体流速影响着换热器的换热系数和效率，液体流速用下式表示：

$ {v_0} = \frac{{4\;000Q}}{{{c_0} \cdot \rho \cdot \Delta T\pi {d^2}}} \text{。} $

式中： $ \rho $ 为冷凝液的密度； $ Q $ 为换热器的热负荷； $ d $ 为换热管直径； $ \Delta T $ 为温度差； $ {c_0} $ 为冷凝液的比热容。

换热器的水泵排量为：

$ {Q_0} = \pi {\left( {\frac{d}{2}} \right)^2}\frac{{360\;000Q \cdot 0.12}}{{\rho ({t_2} - {t_1})}} 。$

对应的冷却面积为：

$ S = \frac{{{Q_0} \times 0.12}}{{{\rho _l}({c_1} - {c_0})}} \cdot \frac{{1\;000 \times {Q_{}}}}{2} \text{。} $

式中： $ {c_1} $ 为海水的比热容； $ {\rho _l} $ 为海水密度。

2）冷却电机

冷却电机采用三相异步交流电机，其模型如图5所示。

冷却电机的电压方程^[4]如下式：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{u_A} = {R_S}{i_A} + \dfrac{{{\rm{d}}{\phi _A}}}{{{\rm{d}}t}}} ，\\ {{u_B} = {R_S}{i_B} + \dfrac{{{\rm{d}}{\phi _B}}}{{{\rm{d}}t}}} ，\\ {{u_C} = {R_S}{i_C} + \dfrac{{{\rm{d}}{\phi _C}}}{{{\rm{d}}t}}} 。\end{array}} \right. $

式中： $ {i_A} $ ， $ {i_B} $ ， $ {i_C} $ 分别为定子绕组的电流； $ {\phi _A} $ ， $ {\phi _B} $ ， $ {\phi _C} $ 分别为定子绕组的电磁势。

冷却电机的运动方程如下式：

$ T = {T_l} + \frac{J}{{{P_0}}}\frac{{{\rm{d}}{w_r}}}{{{\rm{d}}t}} \text{。} $

式中： $ {T_l} $ 为负载转矩； $ J $ 为转动惯量^[5]； $ {w_r} $ 为转子转速； $ {P_0} $ 为额定功率，计算公式如下式：

$ {P_0}{\text{ = }}\frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^n {{U_0}\left( i \right){I_0}\left( i \right)} \text{。} $

式中： $ {U_0}\left( i \right) $ 为异步电动机的相电压； $ {I_0}\left( i \right) $ 为相电流。

异步电动机的相电压与相电流有效值如下式：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {U = \sqrt {\dfrac{1}{N}\displaystyle\sum\limits_{I = 1}^N {{U_0}{{\left( i \right)}^3}} } }，\\ {I = \sqrt {\dfrac{1}{N}\displaystyle\sum\limits_{I = 1}^N {{I_0}{{\left( i \right)}^3}} } }。\end{array}} \right. $

本文采用的冷却电机型号为ECMA-B7，其性能参数如表1所示。

2.4 基于ARM的高精度船舶恒温运输系统通信接口设计

串行通信接口是船舶恒温运输系统与硬件设备和信息交互接口，本文采用的串行通信接口为RS485和RS232串行接口，其特点包括：

1）灵活性高

RS232和RS485串行通信接口能够根据设备自身的传输速率进行波特率的调节，因此具有较好的灵活性和适应性。

2）稳定性高

由于处理器芯片接口的故障率与信号电压的大小密切相关，电压越大，理论上芯片接口的故障概率越高。RS232采用负逻辑关系提高芯片的耐用性，逻辑“1”对应负电压，逻辑“0”对应正电压^[6]。

船舶恒温运输系统的以太网通信可以保证船舶可以顺利接入以太网，使用TCP协议进行网络通信，方便进行温度数据的监测和传输，同时也为后续的系统维护、升级和拓展提供了便利。在系统中使用DM9000芯片来完成这一点，为了应对船舶上极端的环境条件，在电源输入端配置多个104电容，以提升系统的稳定性。

3 结　语

船舶恒温运输系统在一些特种货物远距离运输方面有重要应用，为了提高船舶恒温运输系统的温度控制精度，本文提出一种基于ARM处理器的高精度恒温运输系统，从系统基本组成、关键部件的设计与选型，以及系统的模拟电路设计等方面进行了详细研究。