CN106773925A - 一种用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统 - Google Patents

一种用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统，包括数字控制器、双CAN总线处理器和总线处理器；数字控制器采用DSP数字控制器和FPGA逻辑控制器构成，并形成装置的内部数据总线和控制总线；数字控制器通过数据总线和控制总线分别与双CAN总线处理器和总线处理器相连；双CAN总线处理器与CAN总线的外部硬件接口相连，CAN总线的外部硬件接口分别与电缆通讯链接的CAN网络和光纤通讯链接的CAN网络相连；双CAN总线处理器用于进行内置算法冗余校验、光纤和电缆通讯的校验更替；所述总线处理器用于完成数据的传递。本发明能够保证系统的连续工作。

Description

一种用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统
技术领域
本发明涉及纯电动船技术领域，特别是涉及一种用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统。
背景技术
电动船是用电力推进的船舶，电力来自蓄电池或船用发电机。根据船舶电力推进方式，可分为直流推进和交流推进两大类。在新能源千吨级以上船舶的设计过程中，其电气自动化程度很高，由于大量采用了高科技的电子技术，所有的控制功能模块都采用集成化的微电子技术，为了完成船舶的特定功能，因此亟需一种新的数据采集系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统，能够保证系统的连续工作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统，包括数字控制器、双CAN总线处理器和总线处理器；所述数字控制器采用DSP数字控制器和FPGA逻辑控制器构成，并形成装置的内部数据总线和控制总线；所述数字控制器通过数据总线和控制总线分别与双CAN总线处理器和总线处理器相连；所述双CAN总线处理器与CAN总线的外部硬件接口相连，所述CAN总线的外部硬件接口分别与电缆通讯链接的CAN网络和光纤通讯链接的CAN网络相连；所述双CAN总线处理器将电缆通讯链接与光纤通讯链接进行自动冗余组合，当检测到两个CAN网络中有一路输出时，光纤通讯链接与电缆通讯链接将同时工作，并自动选择光纤信号或电缆信号，当光纤通讯链接或电缆通讯链接由于外部原因出现故障时，自动将出现故障的一路通讯链接转化成未出现故障的一路通讯链接；所述总线处理器用于完成数据的传递。
所述数字控制器还与天线装置相连，所述天线装置包括GPS天线和GPRS天线，所述GPS天线用于为船舶航行中的实时航速测试以及位置判定，所述GPRS天线用于提供无线Internet数据的传输通道。
所述数字控制器还与显示屏相连，所述显示屏用于实现对船舶的运行状态进行显示。
所述数字控制器还与操控器相连。
所述总线处理器包括DI总线处理芯片、AI总线处理芯片、DO总线处理芯片、AO总线处理芯片和Data数据总线处理芯片；所述DI总线处理芯片与DI外部处置器相连，所述DI外部处置器用于对船舶的开关量输入信号进行过滤；所述AI总线处理芯片与AI外部处置器相连，所述AI外部处置器用于对船舶的模拟量输入信号进行过滤；所述DO总线处理芯片与DO外部处置器相连，所述DO外部处置器用于对船舶信息的数字信号进行隔离；所述AI总线处理芯片与AI外部处置器相连，所述AI外部处置器用于对船舶信息的模拟信号进行隔离；所述Data数据总线处理芯片与Data外部适配器相连，所述Data外部适配器用于完成不同协议和不同类型端口的适配。
所述CAN总线的外部硬件接口用于连接两路电缆通讯链接和两路光纤通讯链接，并采用四选一的策略进行处置。
所述数字控制器设有自动复位电路和看门够电路。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明在网络系统被激活后，电缆通讯链接的CAN网络与光纤通讯链接的CAN网络同时运行，在FPGA的底层由硬件系统实现容错和纠错。当任何线路失效，或发生外部连线故障时，系统具有自动判别能力，以保证系统的连续工作，而不至于系统瘫痪船舶停止航行。本发明采用了双介质的通讯方式，使船舶的通讯和抗干扰能力得到了有效的提升。
附图说明
图1是本发明的原理方框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统，如图1所示，包括数字控制器、双CAN总线处理器和总线处理器；所述数字控制器采用DSP数字控制器和FPGA逻辑控制器构成，并形成装置的内部数据总线和控制总线；所述数字控制器通过数据总线和控制总线分别与双CAN总线处理器和总线处理器相连；所述双CAN总线处理器与CAN总线的外部硬件接口相连，所述CAN总线的外部硬件接口分别与电缆通讯链接的CAN网络和光纤通讯链接的CAN网络相连；所述双CAN总线处理器将电缆通讯链接与光纤通讯链接进行自动冗余组合，当检测到两个CAN网络中有一路输出时，光纤通讯链接与电缆通讯链接将同时工作，并自动选择光纤信号或电缆信号，当光纤通讯链接或电缆通讯链接由于外部原因出现故障时，自动将出现故障的一路通讯链接转化成未出现故障的一路通讯链接；所述总线处理器用于完成数据的传递。
本实施方式中的数字控制器是采用DSP芯片和FPGA逻辑控制芯片构成核心的控制部件，并形成装置的内部数据总线和控制总线。该数字控制器将完成所有的算法集成、逻辑控制器的算法引导，以及逻辑控制过程中的安全保护等。在本发明中，除了FPGA的控制器内部管理以外，在DSP的内部嵌入软件中也进行了前级的软件纠错、冗余校验。数据总线和控制总线在相互协调的控制下，完成与各个相关链接模块的数据传递，整个协调控制指令由DSP芯片产生。
DSP芯片采用了高速的宽数据通道的芯片构成，核心的逻辑处理器采用了FPGA芯片，该两个芯片构成了核心控制器的内部程序、算法的基础部分，并由此生成了两个通道，分别为数据总线通道和控制总线通道，所有的芯片工作都基于此通道进行高速数据交互。数字控制器还加入了具有高可靠性的自动复位电路和看门够电路，以保证系统总体的可靠性。
所述数字控制器还与天线装置相连，所述天线装置包括GPS天线和GPRS天线，所述GPS天线用于为船舶航行中的实时航速测试以及位置判定，所述GPRS天线用于提供无线Internet数据的传输通道，该数据通过Internet网络将实时数据传递给远程的数据中心服务器，并进行管理。
所述数字控制器还与显示屏相连，所述显示屏用于实现对船舶的运行状态进行显示，其中含船舶的航速、里程、位置、以及船载系统各模块的瞬时状态，并提供船舶的续航能力，系统提供外接的大屏幕显示功能。
所述数字控制器还与操控器相连，船舶的航行操控器操控杆的位置信息直接提供给数字控制器，数字控制器内置的软件对其进行解读，并通过算法得到旋转指令，再通过船载网络直接将旋转指令发送至变频驱动控制器，变频驱动控制器驱动电动机进行相应的旋转。
CAN双总线处理器完成内部的二个CAN的核心组合，组合过程由FPGA在底层实现，考虑到系统的完备性，除了硬件的自动互为冗余处置外，软件系统还嵌入内置算法，在算法内先完成冗余处置与算法容错，从而进一步提到了系统的辨识度和可靠性。CAN总线的外部硬件接口，将光纤信号或电缆信号转化成总线处理能够接收的标准电信号，所述CAN总线的外部硬件接口分别连接两路电缆通讯链接和两路光纤通讯链接，并采用四选一的策略进行处置。
本发明的的多重CAN总线冗余系统的芯片通过总线的方式进行数据的传递，所有交互的数据，经由总线控制器进入DSP和FPGA，在这之中进行相关的校验、容错处置等等，处置的方式既有软件的方式，也有硬件的方式，从而保证了系统的高度可靠性和冗错性。
CAN双总线处理器充分利用了FPGA底层逻辑判断能力，在无需控制软件介入的前提下自主实现了多重冗余、双介质通讯传输的技术，在系统运行中，网络系统被激活后，电缆通讯链接的CAN网络与光纤通讯链接的CAN网络同时运行，在FPGA的底层由硬件系统实现容错和纠错。当任何线路失效或发生外部连线故障时，系统具有自动判别能力，以保证系统的连续工作，而不至于系统瘫痪船舶停止航行。由于采用了双介质的通讯方式，使船舶的通讯和抗干扰能力得到了有效的提升。当外部设备由于意外原因产生突发电磁干扰，而且其干扰强度超过了系统的冗余能力，此时，系统将自动将通讯投切至采用光纤信号传输，因为光纤的传输过程中，具有很强的抗电磁干扰能力，从而保证了设备的正常通讯和船舶的正常航行。由于采用上述双CAN总线，电缆光纤互为冗余的技术，因此，系统的可靠性，冗余特性得到了充分发挥，从而保证了千吨级船舶的航行安全和高可靠性。
所述总线处理器包括DI总线处理芯片、AI总线处理芯片、DO总线处理芯片、AO总线处理芯片和Data数据总线处理芯片。所述DI总线处理芯片与DI外部处置器相连，所述DI外部处置器为增加对外部信号的抗干扰能力对输入的船舶的开关量输入信号进行相关处置，例如采用滤波等方法实施过滤。船舶的开关量输入信号包括按钮触发、接近开关信号、光电开关等。所述AI总线处理芯片与AI外部处置器相连，所述AI外部处置器为增加对外部信号的抗干扰能力对船舶的模拟量输入信号进行相关处置，如采用滤波等方法实施过滤；其中，船舶的模拟量输入信号包括旋钮信号、位置传感器信号、流量信号等。所述DO总线处理芯片与DO外部处置器相连，所述DO外部处置器为增加对外部信号的抗驱动能力，以及免除由外部产生对内部数据的干扰，对船舶信息的数字信号实施隔离后给出驱动信号；其中，船舶信息的数字信号为船舶现场的指示灯信号、音响信号、接触器驱动、执行装置的驱动信号等。所述AI总线处理芯片与AI外部处置器相连，所述AI外部处置器为增加对外部信号的抗驱动能力，以及免除由外部产生对内部数据的干扰，对船舶信息的模拟信号实施隔离后给出驱动信号；其中，船舶信息的模拟信号为船舶现场的音响信号、阀门的开度信号、执行器的控制信号等。所述Data数据总线处理芯片与Data外部适配器相连，由于来自智能装置的外部信息实现传递具有不确因素，考虑到整个系统的通用性和完备性，在本硬件配置中Data外部适配器，该Data外部适配器用于完成不同协议、不同类型端口的适配；其中，外部信息为船舶中带有智能终端设备的接口接收的信息，如舵角指示仪、外部GPS信号接口以及船载数据采集装置等智能设备上传的信息。
由此可见，本装置所有与外部相连接的信息都来自于船舶的各个控制点，进入本系统第一部分的要素是将这部分信号进行隔离处置，并对核心CPU装置没有干扰，对系统总线处于相对的独立状态，因此，经过这些有效的防止措施，本系统的坚固程度得到了强化，船舶系统的控制可靠性得到了进一步的提高。
船舶的高可靠性连续航行的基础是由电气设备系统、网络系统、控制逻辑的高可靠性保证的，在本发明中，利用多重网络通讯与外部接口联接技术相结合，通过网络系统构建了整船控制逻辑控制与保护、安全抗风险保护等。由于所构建的逻辑功能由网络控制字完成，因此，本纯电动千吨级船舶的控制系统比较的简洁，取消了繁杂的电缆联接和大多的重复布线。另外，系统中所配置的Data处理装置通道，为船舶的智能化拓展提供了必须的通讯链接接口，为船舶的自适应状态优化调整提供了可能性。
本发明的使用过程如下：当系统开启后，首先进入的是对船舶所有接入信息状态巡检，检测顺序为：网络令牌信息、输入、输出回馈、模拟量、数字量和智能装置信息等。外部状态的对应信息被采集后，与所设置的内存单元的原始状态进行对比校验。
第二步，进入系统装置的巡回自检，将所配置的各个接口部件的功能进行巡回检测，当检测完毕，并且收到各个子模块的回复代码完全正确无误时，系统即完成自检和自诊断。
第三步，系统将与远程数据中心报告巡检的结果，并完成Internet网络的通讯建立，并报告所有配置的参数讯息。
第四步，将进入整船的逻辑控制组合输出与执行，并开启相关的各个子系统，如，驱动器的预启动、逆变器电源的输出(类似于船载发电机作业启动)，完成向船舶的供电。
第五步，进入船载系统的预操控阶段。
在船舶的航行过程中，系统将严格执行整船的组合控制逻辑，所有的逻辑整合过程都由船载系统的网络(四重冗余系统)系统信息传递执行，因此，系统具有高度的可靠性、完整性和严密性，各个阶段对采集到的信号通过外部网络、控制器内部网络总线，传递至内核DSP系统，有内核的DSP系统完成算法控制。
该内核DSP系统软件采用了DSP的汇编语言编程，具有程序简练、控制逻辑严谨等特征，所有的核心算法全部集中于内部总线之下的存储单元，除了所具有的快速性外，还有高度的逻辑可靠性。

Claims (7)

1.一种用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统，其特征在于，包括数字控制器、双CAN总线处理器和总线处理器；所述数字控制器采用DSP数字控制器和FPGA逻辑控制器构成，并形成装置的内部数据总线和控制总线；所述数字控制器通过数据总线和控制总线分别与双CAN总线处理器和总线处理器相连；所述双CAN总线处理器与CAN总线的外部硬件接口相连，所述CAN总线的外部硬件接口分别与电缆通讯链接的CAN网络和光纤通讯链接的CAN网络相连；所述双CAN总线处理器将电缆通讯链接与光纤通讯链接进行自动冗余组合，当检测到两个CAN网络中有一路输出时，光纤通讯链接与电缆通讯链接将同时工作，并自动选择光纤信号或电缆信号，当光纤通讯链接或电缆通讯链接由于外部原因出现故障时，自动将出现故障的一路通讯链接转化成未出现故障的一路通讯链接；所述总线处理器用于完成数据的传递。
2.根据权利要求1所述的用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统，其特征在于，所述数字控制器还与天线装置相连，所述天线装置包括GPS天线和GPRS天线，所述GPS天线用于为船舶航行中的实时航速测试以及位置判定，所述GPRS天线用于提供无线Internet数据的传输通道。
3.根据权利要求1所述的用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统，其特征在于，所述数字控制器还与显示屏相连，所述显示屏用于实现对船舶的运行状态进行显示。
4.根据权利要求1所述的用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统，其特征在于，所述数字控制器还与操控器相连。
5.根据权利要求1所述的用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统，其特征在于，所述总线处理器包括DI总线处理芯片、AI总线处理芯片、DO总线处理芯片、AO总线处理芯片和Data数据总线处理芯片；所述DI总线处理芯片与DI外部处置器相连，所述DI外部处置器用于对船舶的开关量输入信号进行过滤；所述AI总线处理芯片与AI外部处置器相连，所述AI外部处置器用于对船舶的模拟量输入信号进行过滤；所述DO总线处理芯片与DO外部处置器相连，所述DO外部处置器用于对船舶信息的数字信号进行隔离；所述AI总线处理芯片与AI外部处置器相连，所述AI外部处置器用于对船舶信息的模拟信号进行隔离；所述Data数据总线处理芯片与Data外部适配器相连，所述Data外部适配器用于完成不同协议和不同类型端口的适配。
6.根据权利要求1所述的用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统，其特征在于，所述CAN总线的外部硬件接口用于连接两路电缆通讯链接和两路光纤通讯链接，并采用四选一的策略进行处置。
7.根据权利要求1所述的用于千吨级以上纯电动船舶的数据采集系统，其特征在于，所述数字控制器设有自动复位电路和看门够电路。
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