0 引　言

在工业系统中，基于PLC控制和工控机的SCADA系统和数据采集和监测系统不断地更新换代，信号采集的效率和数据处理能力快速提高。船舶电站包括发电机、电网、变电站、整流器、逆变器等，电站的运行质量直接关系到船舶整体性能。此外，船舶电站的工作环境较恶劣，海水侵蚀、盐雾腐蚀都可能使船舶电站出现短路、断路故障。因此，针对船舶电站的监测、数据采集十分有必要。

针对船舶电站发电机的电流、电压、频率、功率等特征信号，本文建立了基于DSP的电站数据采集系统。

1 船舶电站数据采集系统的整体方案

船舶电站往往需要采集多路电流电压信号，电站数据采集系统的整体方案如图1所示。

可知，数据采集系统由上位机、下位机、电流信号采集通道、电压信号采集通道、RS232串口、CAN接口等组成，可以将船舶电站数据采集系统划分为信号采集模块、信号分析与处理模块、显存模块3个部分。

1）信号采集模块

船舶电站稳定运行的性能参数包括电流、电压、频率、功率等，信号采集模块的首要功能是实现这些原始信号的采集，并利用滤波、放大等处理，结合A/D转换，将原始信号转换为系统信号分析处理单元能够识别的格式。

系统信号采集模块的功能参数包括：

①支持16路通道的电压、电流信号同步采集；

②支持14位高速A/D数模转换；

③支持32位DSP处理器的高速数据处理；

④电站电流幅值、极值采样误差低于0.5%；

⑤电站电压幅值、极值采样误差低于0.5%。

针对电站的电压/电流等模拟信号转换^[1]，假设采样周期为T，采样信号为 $ {x_T}\left( {nT} \right) $ ，在数模转换过程中需要进行量化和编码，最终将原始信号转换为二进制编码。

电站数据采集系统的信号采样示意图如图2所示。

2）信号分析与处理模块

信号分析与处理模块一方面要进行电站原始信号的噪声滤波等处理，另一方面还要利用处理器芯片和计算机对信号进行分析。由于船舶电站的设备器件众多，同时分析和处理这些设备的信号对于处理器有较高要求，本文为了提高电站信号处理的效率，采用DSP高性能信号处理器^[2]。

3）显存模块

电站数据采集系统的显存模块功能包括：

①系统数字和模拟信号的显示，通过波形图、折线图等形式实时显示电站参数；

②显示界面集成电站参数的报警阈值信息，一旦电站参数超过阈值，可通过信号颜色等快速识别；

③可即时存储电站的模拟量和状态量数据，存储空间高于32 GB，且可通过USB转移或通过网络传输至网络服务器。

2 基于DSP的船舶电站数据采集系统设计 2.1 DSP核心处理器选型

处理器是电站数据采集系统的核心，处理器不仅要满足电站信号滤波和数据处理的要求，还需要考虑处理器的运算效率，选择定点型或浮点型处理器。

浮点型DSP芯片的指令运算能力强、信号处理精度高，但相对成本较高，功率损耗较大；定点型DSP芯片的功耗和成本较小，但数据运算精度较低，在多线程处理方面能力较差。因此，综合各类因素，在设计船舶电站数据采集系统时，选用的DSP芯片为TI公司生产的TMS320C5402。

图3为TMS320C5402 DSP芯片的接线图。

2.2 船舶电站的电压/电流信号采集电路设计

船舶电站中的电流电压属于强电，船舶电站的功率模型方程为：

$ \begin{split} & {{N_i} = \frac{{2{p_i}{V_i}n}}{{60\tau }} = {K_i}{p_i}n}，\\ & {{M_i} = \frac{{30}}{\text{π} }\frac{{{N_0}}}{n} = 9.55\frac{{{N_0}}}{n}}。\end{split} $

式中： $ {N_i} $ 为电站实际功率； $ {p_i} $ 为发电机输出功率； $ n $ 为主机实际转速； $ \tau $ 为发电机的冲程系数， $ \tau = 0.39 $ ； $ {N_0} $ 为平均转速； $ {M_i} $ 为发电机的实际扭矩。

在实际采集时直接测量电站的电流和电压十分危险，因此必须利用电磁感应元件或互感器来测量。一方面互感器可以降低船舶电力网络的测量电压，按照一定比例将幅值较大的电压转换为较小电压；另一方面，互感器的测量电压通过RC电路的滤波作用^[3]，能够实现干扰信号的过滤，提高测量的精度。

采用的互感器型号为K-60*40，参数如表1所示。

选择S3C2440芯片进行电站数据采集信号的 A/D转换，主要应用的是ADC控制寄存器ADCCON和数据寄存器ADCDAT。其中，控制寄存器ADCCON的第15位用于标识A/D转换是否结束^[4]，第14位负责信号的预分频，第6位到第13位则存储的是预分频数值，第1位确定数据是否读取。S3C2440芯片内部具有8通道模拟输入，将模拟信号转换为10位的二进制数字信号。

图4为船舶电站数据采集系统AD转换器的结构。

2.3 电站数据采集系统的故障检测电路

船舶电站数据采集系统采用的电源模块为10 A和20 A，考虑I/O端口的因素，在设置故障检测电路时，只对10 A和20 A模块的输出电压进行检测。图5为数据采集系统的故障检测电路图。

可知，CD4043是电路的三态锁存器，能够实现输出端的单独复位，当电路中三态控制输入EN为高电平时，输出锁存器的状态；当电路中三态控制输入EN为低电平时，CD4043将故障信号锁存。

故障检测电路针对系统的输入过流、过压、欠压、过温等故障进行监测，分别对应锁存器的P1-P5端子，且通过电路中二极管汇总到主路控制器中，保障数据采集系统的正常运行。

3 基于Labview的船舶电站数据采集系统设计仿真

为了快速验证开发的基于DSP船舶电站数据采集系统性能，结合Labview虚拟仪器技术搭建船舶电站数据采集系统，进行信号采集和分析的仿真。

Labview虚拟仪器技术具有以下优势：

1）具有丰富的数据处理，分析函数库，可模拟电站数据采集系统的电压、电流、频率、功率等多个参数指标特性；

2）支持多种仪表、仪器的通信协议，比如VISA、RS232通信协议等，串口通信通过驱动程序库来实现。

3）基于Labview所开发的船舶电站数据采集系统可实现Windows Linux等操作系统之间的移植，并根据电站数据采集的新需求进行调整。

4）Labview具有数据服务器机制，方便用户将电站采集系统的仿真数据进行共享。

基于Labview的电站采集系统仿真功能包括：

1）串口数据采集

仿真输入信号为船舶电站的串口数据，包括工作电压、电流等。

2）数据分析与显示

仿真界面利用Labview的虚拟仪表^[5]可实现数据分析与显示功能，以波形图显示电站的参数运行稳定性。

3）数据记录

图6为基于Labview的电站数据采集系统仿真程序。

4 结　语

船舶电站运行性能直接决定了船载用电设备的性能，随着船舶自动化、智能化的发展，用电设备的规模不断扩大，进行船舶电站的故障监测成为了一项重点研究内容。本文一种船舶电站数据采集系统，重点对电站数据采集系统的DSP处理器电路、故障检测电路等进行设计。最后结合Labview虚拟仪器技术构建了船舶电站数据采集系统的仿真模型，能够根据用户和平台需求进行电站数据采集的仿真。