CN109544895A - 一种用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统 - Google Patents

一种用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，包括6U形式的数据采集处理板卡、6U形式的数据分发处理板卡、加固计算机主板及网络交换板卡、图传电台、数传电台等。数据采集处理板卡采集智能无人艇上各设备的运行状态参数并进行处理，然后通过RS422总线将数据传输至数据分发处理板卡；数据分发处理板卡通过RS422接收数传电台的数据信息或通过数传电台发送数据信息。本发明实现了实时采集与分发智能无人艇的设备或传感器工作状态，实现对智能无人艇的监控。该系统既可用在智能无人艇上，也可以用在远程操控智能无人艇的岸基监控台上。系统内部的板卡均为以6U CPCI形式的板卡，方便进行插拔及维修方便，对板卡进行加固，具有更高稳定性及可靠性。

Description

一种用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统
技术领域
本发明属于无人船舶控制技术领域，涉及对智能无人艇的控制，尤其是一种用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统。
背景技术
目前，智能无人艇已经成为国内外研究的热点。在智能无人艇的复杂运动控制中，往往需要运用各种不同的设备比如车钟、舵轮、蓄电池、主机、发电机、温度传感器、按钮开关等等控制来实现无人艇自动运行。无人艇在正常的运行情况下，车钟状态、舵轮状态、蓄电池的电量状态、发电机运行状态、主机转速、艇内温度、开关状态等都会在正常范围内，且都显示在软件界面上，若某个设备工作状态出现问题，比如主机温度过高，或者主机转速异常，或者蓄电池的电量不足等，容易导致无人艇发生严重的事故。因此，无人艇上一些关键设备或传感器的工作状态均需要进行采集与分发处理，且需要对智能无人艇进行远程控制。
智能无人艇上各种设备数量多、种类多，相应地需要采集处理与分发处理的参数种类多样、类型多样且速率要求均不同；同时，要求智能无人艇在3级海况下正常运行并执行任务。在恶劣的海况环境下，模拟信号与数字信号采集传输之间容易产生相互干扰，多通道之间数据传输容易产生串扰。因此，对无人艇监控的数据采集与分发系统的技术要求非常高。
通过公开专利文献的检索，发现三篇与本发明申请相关的公开专利文献：
1、一种智能设备数据采集分发系统(106850772A)，包括三个子系统：设备管理子系统；消息管理子系统；配置管理子系统。所述智能设备数据采集分发系统处于智能设备与业务云平台之间，用于采集智能设备的业务消息，并根据需要分发给业务云平台；接收云平台对智能设备的配置请求，并将配置信息分发给相应的设备。实现智能设备出厂时可以统一配置服务器IP或域名地址，后期转换业务云平台时也不需要重新配置服务器地址，提高效率；智能设备提高对接多个业务云平台的开发效率，业务云平台只需要向所述系统发送设备绑定请求即可，不需要进行消息转发，方便多业务云平台管理。
2、一种监控数据采集方法和系统及任务分发服务器和采集装置(104301130A)。该监控数据采集方法包括：任务分发服务器接收采集装置和收集装置的注册；任务分发服务器接收收集装置下发的采集指令；任务分发服务器将采集指令下发至采集装置以使采集装置采集监控数据。通过本发明，提高了监控数据采集的灵活性。
3、一种计轴系统的附属外围数据采集与分发装置及方法,装置(102030018A)包括:高速嵌入式微处理器模块和至少一个串-并接口转换模块,每个串-并接口转换模块的内部设置有至少两个通道,每个通道用于接收计轴系统一路运算单元的数据,并通过高速嵌入式微处理器模块读取所述数据,将所述数据输出给高速嵌入式微处理器模块；高速嵌入式微处理器模块用于为各对应的运算单元设置系统时钟的定时周期,使得在定时周期到达时,相应串-并接口转换模块中接收所述运算单元数据的通道的先入先出缓冲区具有非满的设定存储量；在每个定时周期到达时,从对应运算单元的串-并接口转换模块通道中采集所述设定存储量的数据。本发明所公开的方法能够解决同时对多路运算单元的数据采集所带来的数据包丢失问题。
通过技术分析，申请人认为，上述三篇公开专利文献与本发明申请在技术方案上有较大不同，尤其数据采集及分发的方式不相同，因此不会破坏本发明申请的创造性及新颖性。
发明内容
本发明的目的是为了稳定可靠地采集和分发智能无人艇上的运行状态参数，实时监控无人艇的运行状态，提供一种用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，所述系统包括：一块6U形式的数据采集处理板卡、一块6U形式的数据分发处理板卡、两块6U形式加固计算机主板及两块6U形式网络交换板卡、一台图传电台、两台数传电台，数据采集处理板卡采集智能无人艇上各设备的运行参数并进行处理，然后通过RS422总线将数据传输至数据分发处理板卡；数据分发处理板卡通过RS422接收数传电台的数据信息或通过数传电台发送数据信息，数据分发处理板卡通过双冗余千兆以太网和CAN总线进行数据分发传输，加固计算机板卡通过千兆以太网或CAN网读取数据信息，对数据进行处理并显示在软件界面上；同时，图传电台通过以太网与网络交换板卡进行通讯，将视频信息和图像信息传输至加固计算机主板板卡，并最终显示在上位机界面上；该数据采集处理板卡与数据分发处理板卡所构成的数据采集与分发系统采集与分发处理岸基监控台上各操控设备的运行参数并进行处理，然后通过数传电台将控制信息发送给智能无人艇。
而且，所述智能无人艇上的各设备包括舵轮、车钟、主机、蓄电池、发电机、油箱、图传电台、数传电台、温湿度传感器。
而且，所述数据采集处理板卡包括STM32F767主控芯片、8路模拟量采集、12路开关量采集、8路开关量输出、2路RS422接口、2路RS485接口、2路CAN接口、1路RS232接口和电源部分。
而且，所述数据采集处理板卡的STM32F767主控芯片连接的8路模拟量采集电路包括信号调理模块T5555P、三端稳压芯片LM78L09、双通道运算放大器AD8552，静电抑制二极管PESD15VL2BT、双向二极管BAV99、瞬态抑制二极管SMBJ15A-TR，其中一路模拟量经由ADC1_IN采集进来的模拟信号传输到信号调理模块T5555P的11管脚，由信号调理模块T5555P的11管脚3管脚输出给双通道运算放大器AD8552；将经过双通道运算放大器AD8552芯片处理后的信号传输至STM32F767芯片的PF3引脚；同理，其他7路模拟量采集经过处理后依次传输至STM32F767芯片的PF4-PF10引脚。
而且，所述数据采集处理板卡的STM32F767主控芯片连接的开关量采集电路利用TLP281-4光耦对开关面板上的开关量进行采集，TLP281-4里面是4个晶体管输出光耦，即4个通道，一个TLP281-4光耦对4个开关的状态进行采集，在无人艇的开关面板上或岸基操控台的开关面板上，开关为24V供电的开关，将开关与光耦连接，便采集开关输出的开关量，经过TLP281-4光耦采集的12路开关量依次传输给STM32F767的PG6-PG8、PC6-PC9、PI0-PI4管脚。
而且，所述数据采集处理板卡的STM32F767主控芯片连接的1路RS422用于数据采集处理板卡与数据分发板卡之间进行数据通讯，另外一路RS422和一路RS485用于接收艇上设备输或传感器输出状态参数数据，2路CAN接口留作备用；数据采集处理板卡采用5V和12V供电，采用2颗电源转换芯片TPS75833将5V分别转换为3.3V_VDD和3.3V_VDD1，其中3.3V_VDD为STM32F767主控芯片供电，3.3V_VDD1为RS422接口、RS485接口、以太网接口供电；12V给模拟信号调理模块T555P供电；对5V进行隔离得到5V_A给双通道运算放大器AD8552供电，电路板上的电源地也需要隔离为模拟地和数字地。
而且，所述数据分发处理板卡集成AM4378主控芯片、4路RS422接口、1路RS232接口、2路CAN接口、1路USB、2路千兆以太网接口、SD卡存储模块。
而且，所述千兆以太网为双冗余以太网，一路千兆以太网通过AM4378核心板引出，另一路千兆以太网是千兆以太网物理层芯片AR8035，通过RGMII接口连接至AM4378芯片引脚上。
而且，数据采集板卡的CAN接口是采用CTM1051(A)M模块连接到STM32F767的PB5～PB6和PB8～PB9来引出2路CAN接口；数据分发板卡的CAN接口是采用CTM1051(A)M模块连接到AM4378核心板来引出2路CAN接口。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明采用1块6U CPCI形式的数据采集处理板卡和1块6U CPCI形式的数据分发处理板卡，插拔方便；数据采集与数据分发放在两块板卡上，可以提高抗干扰性和可靠性；同时，在一块6U板卡上实现更多通道数据采集与分发，具有更高的性价比和扩展性，且更换或维修更方便。
2、本发明的数据采集处理板卡可以多通道采集无人艇上的数据，实现8路模拟量采集、12路开关量采集，8路开关量输出，2路RS485和2路CAN留作备用，后续设备可以通过备用接口实现状态参数采集，且8路模拟量采集、12路开关量采集、8路开关量输出之间的通道完全隔离，具有较高可靠性、更高采样精度；数据分发处理板采用2路CAN接口和2路千兆以太网接口，具有高可靠性、高速分发、高实时性等特点，2路千兆以太网为双冗余千兆以太网，具有更高的可靠性。
3、本发明所采用的数据分发处理板卡通过2路RS422与2台数传电台进行通讯、接收数据信息与发送数据信息，实现远程监控智能无人艇运行，加固机主板通过双冗余千兆以太网接收图传电台的视频信息与图像信息，1路USB接口用于通过U盘接收并存储数据采集板卡分发的数据信息，SD卡存储模块可以取下SD卡并带走，方便读取数据分发处理板卡分发的历史数据信息，具备更高的可靠性。
4、本发明所采用数据分发处理板卡可实现千兆以太网，其关键技术在与千兆以太网的MAC控制器和以太网接口的实现，在6U数据分发处理板卡上采用带嵌入式操作系统Linux的嵌入式处理器来实现以太网网络协议的软件方式，用AM4378核心板、AR8035PHY芯片、网络变压器来实现2路千兆以太网接口。同时，在Linux系统中实现CAN网发送和接收。
5、本发明所采用的2块6U形式的采集及分发板卡均进行加固处理，能保证智能无人艇在3级海况下安全地自主运行时采集处理多参数数据，并进行数据分发，具备极高的可靠性。其中，数据采集处理板卡通过多路模拟量采集和开关量采集对无人艇上的设备及传感器的工作状态进行采集。开关量输出用于远程控制无人艇，开关量采集的电路原理图如图5所示；数据分发处理板卡通过2路千兆以太网将数据信号分发出去，加固计算机主板通过网络交换机获取数据信息并进行显示，同时通过2路CAN接口将数据信息发送至CAN网，方便其他设备读取信息，图传电台通过千兆以太网将视频信息和图像信息传输至加固计算机主板并在上位机软件界面上显示。
6、本发明采用数据采集处理板卡和数据分发处理板卡进行无人艇多参数采集处理与分发处理，可实现稳定可靠地采集和分发智能无人艇上的运行状态参数，并结合图传电台、数传电台可以实现远程实时监控无人艇的运行状态，实现监控无人艇的自主运行。
7、本发明用于智能无人艇监控，同时也可以应用在岸上搭建岸基监控系统，或在搭载智能无人艇的母船上搭建母船监控系统，从而实现一种形式为艇上-岸上-母船的实时监控系统。
附图说明
图1是本发明的系统总体框图；
图2是本发明图1的数据采集处理板卡的硬件框图；
图3是本发明数据采集处理板卡的模拟量采集电路原理图；
图4是本发明数据采集处理板卡的开关量采集电路原理图；
图5是本发明数据采集处理板卡的开关量输出电路原理图；
图6是本发明数据分发处理板卡的硬件框图；
图7是本发明数据分发处理板卡的千兆以太网接口电路图；
图8是本发明数据分发处理板卡的CAN接口原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述；本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。
一种用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，所述系统包括：一块6U形式的数据采集处理板卡、一块6U形式的数据分发处理板卡、两块6U形式加固计算机主板及两块6U形式网络交换板卡、一台图传电台、两台数传电台，数据采集处理板卡采集智能无人艇上各设备的运行参数并进行处理，然后通过RS422总线将数据传输至数据分发处理板卡；数据分发处理板卡通过RS422接收数传电台的数据信息或通过数传电台发送数据信息，数据分发处理板卡通过双冗余千兆以太网和CAN总线进行数据分发传输，加固计算机板卡等设备可以通过千兆以太网或CAN网读取数据信息，对数据进行处理并显示在软件界面上。同时，图传电台通过以太网与网络交换板卡进行通讯，将视频信息和图像信息传输至加固计算机主板板卡，并最终显示在上位机界面上。该数据采集与分发系统也可以采集与分发处理岸基监控台上各操控设备的运行参数并进行处理，然后通过数传电台将控制信息发送给智能无人艇，并通过图传电台和数传电台来远程监控智能无人艇的运行状态。系统总体框图如图1所示。
本系统中，智能无人艇上的各设备包括舵轮、车钟、主机、蓄电池、发电机、油箱、图传电台、数传电台、温湿度传感器等。
本系统中，所述数据采集处理板卡包括STM32F767主控芯片、8路模拟量采集、12路开关量采集、8路开关量输出、2路RS422接口、2路RS485接口、2路CAN接口和电源部分，如图2所示。
所述数据采集处理板卡的STM32F767主控芯片，其连接的8路模拟量采集电路主要包括信号调理模块T5555P(也称为隔离变送器)、三端稳压芯片LM78L09、双通道运算放大器AD8552，静电抑制二极管PESD15VL2BT、双向二极管BAV99、瞬态抑制二极管SMBJ15A-TR，其中一路模拟量采集电路如图3所示。在图3中，经由ADC1_IN采集进来的模拟信号传输到信号调理模块T5555P的11管脚(Sin+)，由信号调理模块T5555P的11管脚3管脚(Sout)输出给双通道运算放大器AD8552。经过双通道运算放大器AD8552芯片处理后的信号传输至STM32F767芯片的PF3引脚；同理，其他7路模拟量采集经过处理后依次传输至STM32F767芯片的PF4-PF10引脚。
所述数据采集处理板卡的STM32F767主控芯片，其连接的开关量采集电路主要利用TLP281-4光耦对开关面板上的开关量进行采集，TLP281-4里面是4个晶体管输出光耦，即4个通道，所以一个TLP281-4光耦可以对4个开关的状态进行采集，如图4所示为其中4路开关量采集电路原理图。在无人艇的开关面板上(及开关量输出设备)或岸基操控台的开关面板上，开关为24V供电的开关，将开关与光耦连接，便可以采集开关输出的开关量。经过TLP281-4光耦采集的12路开关量依次传输给STM32F767的PG6-PG8、PC6-PC9、PI0-PI4管脚。
所述数据采集处理板卡的STM32F767主控芯片，其连接的开关量输出电路如图5所示。在特殊情况下，比如：智能无人艇进行逼近侦查时，需要远程遥控来操作无人艇或岸基人员远程操作无人艇时，8路开关量输出将用于将岸基操作人员的指令转化为具体执行动作，控制无人艇运行，
所述数据采集处理板卡的STM32F767主控芯片，其连接的1路RS422用于数据采集处理板卡与数据分发板卡之间进行数据通讯，另外一路RS422和一路RS485用于接收艇上设备输出或传感器状态参数数据，2路CAN接口留作备用。数据采集处理板卡采用5V和12V供电，采用2颗电源转换芯片TPS75833将5V分别转换为3.3V_VDD和3.3V_VDD1，其中3.3V_VDD为STM32F767主控芯片供电，3.3V_VDD1为RS422接口、RS485接口、以太网接口供电。12V主要给模拟信号调理模块T555P供电。对5V进行隔离得到5V_A给双通道运算放大器AD8552供电，电路板上的电源地也需要隔离为模拟地和数字地。
在设计PCB进行元器件布局时，需要对模拟采集、开关量采集、电源部分等进行信号隔离、电源隔离和地隔离。在PCB敷铜时，需分割为多个区间，包括：模拟量采集区间、开关量采集区间、开关量输出区间、RS422区间、RS485区间、CAN区间等，并实现各个区间的地与地之间的完全相互隔离。
本系统中，所述数据分发处理板卡集成AM4378主控芯片、4路RS422接口、1路RS232接口、2路CAN接口、1路USB、2路千兆以太网接口、SD卡存储模块，如图6所示为数据分发处理板卡硬件框图。
数据分发处理板卡将经过处理的数据信息通过千兆以太网和CAN网分发出去。其中，2路千兆以太网为双冗余千兆以太网，具备更高的可靠性。2路CAN中一路CAN为备份，在出现故障时可以更换另一路CAN继续进行数据分发，保证更高的可靠性。
双冗余千兆以太网接口电路原理图如图7所示，一路千兆以太网通过AM4378核心板引出，另一路千兆以太网是千兆以太网物理层芯片AR8035，通过RGMII接口连接至AM4378芯片引脚上。双千兆以太网保证数据高速分发的同时具备双冗余的特点，更可靠。图7中，P1和P2为两排插针，其在6U数据处理板卡的中间，固定AM4378核心板卡，核心板卡上所有的接口都引出到两排插针上。核心板卡上需要5V、3.3V供电，外部提供5V电源给板卡，核心板卡上使用TPS75833将5V降压为3.3V供给核心板卡上的器件使用。本原理图中的LED灯为状态指示灯，其中LED2、LED3、LED4、LED5为电源状态指示灯，LED6、LED7为第一路千兆以太网工作状态指示灯，LED8、LED9为第二路千兆以太网工作状态指示灯。AM4378核心板上带一颗KSZ9031PHY芯片，有一路现成的千兆以太网接口引出到两路插针上。另一路是由AM4378核心板与PHY器件AR8035之间采用简化的千兆比特媒体独立接口RGMII接口，信号之间直接连接。板卡上的千兆以太网接口部分需要注意以下两点：首先，千兆以太网需要高精度的系统时钟才能可靠的传输数据，在设计原理图时必须采用高精度的晶振。其次，PCB布局布线，千兆以太网上传输高速信号，所以必须保证AM4378核心板、AR8035芯片、网络变压器芯片及CPCI插座之间距离短，且它们之间的走线必须走等长差分线，且控制走线尽可能短。
图8为CAN接口电路原理图，是采用CTM1051(A)M模块连接到AM4378核心板来引出2路CAN接口。具体为，CAN0_RXD连接到AM4378核心板的P2-26管脚上，CAN0_TXD连接到AM4378核心板的P2-28管脚上；CAN1_RXD连接到AM4378核心板的P1-61管脚上，CAN0_TXD连接到AM4378核心板的P1-63管脚上；LED20、LED21指示灯为第一路CAN接口工作状态指示灯，LED18、LED19为第二路CAN接口工作状态指示灯。R162和R167分别为两路CAN接口匹配电阻，两个匹配电阻值均为120Ω。
1路RS232用于调试，1路USB用于读取数据信息，SD卡存储模块用于存储以太网和CAN发送的数据信息，加固计算机可以读取SD卡存储的数据，进行显示，同时方便取出SD卡，对无人艇的历史数据进行分析。

Claims (9)

1.一种用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，其特征在于：所述系统包括：一块6U形式的数据采集处理板卡、一块6U形式的数据分发处理板卡、两块6U形式加固计算机主板及两块6U形式网络交换板卡、一台图传电台、两台数传电台，数据采集处理板卡采集智能无人艇上各设备的运行参数并进行处理，然后通过RS422总线将数据传输至数据分发处理板卡；数据分发处理板卡通过RS422接收数传电台的数据信息或通过数传电台发送数据信息，数据分发处理板卡通过双冗余千兆以太网和CAN总线进行数据分发传输，加固计算机板卡通过千兆以太网或CAN网读取数据信息，对数据进行处理并显示在软件界面上；同时，图传电台通过以太网与网络交换板卡进行通讯，将视频信息和图像信息传输至加固计算机主板板卡，并最终显示在上位机界面上；该数据采集处理板卡与数据分发处理板卡所构成的数据采集与分发系统采集与分发处理岸基监控台上各操控设备的运行参数并进行处理，然后通过数传电台将控制信息发送给智能无人艇。
2.根据权利要求1所述的用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，其特征在于：所述智能无人艇上的各设备包括舵轮、车钟、主机、蓄电池、发电机、油箱、图传电台、数传电台、温湿度传感器。
3.根据权利要求1所述的用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，其特征在于：所述数据采集处理板卡包括STM32F767主控芯片、8路模拟量采集、12路开关量采集、8路开关量输出、2路RS422接口、2路RS485接口、2路CAN接口、1路RS232接口和电源部分。
4.根据权利要求3所述的用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，其特征在于：所述数据采集处理板卡的STM32F767主控芯片连接的8路模拟量采集电路包括信号调理模块T5555P、三端稳压芯片LM78L09、双通道运算放大器AD8552，静电抑制二极管PESD15VL2BT、双向二极管BAV99、瞬态抑制二极管SMBJ15A-TR，其中一路模拟量经由ADC1_IN采集进来的模拟信号传输到信号调理模块T5555P的11管脚，由信号调理模块T5555P的11管脚3管脚输出给双通道运算放大器AD8552；将经过双通道运算放大器AD8552芯片处理后的信号传输至STM32F767芯片的PF3引脚；同理，其他7路模拟量采集经过处理后依次传输至STM32F767芯片的PF4-PF10引脚。
5.根据权利要求3所述的用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，其特征在于：所述数据采集处理板卡的STM32F767主控芯片连接的开关量采集电路利用TLP281-4光耦对开关面板上的开关量进行采集，TLP281-4里面是4个晶体管输出光耦，即4个通道，一个TLP281-4光耦对4个开关的状态进行采集，在无人艇的开关面板上或岸基操控台的开关面板上，开关为24V供电的开关，将开关与光耦连接，便采集开关输出的开关量，经过TLP281-4光耦采集的12路开关量依次传输给STM32F767的PG6-PG8、PC6-PC9、PI0-PI4管脚。
6.根据权利要求3所述的用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，其特征在于：所述数据采集处理板卡的STM32F767主控芯片连接的1路RS422用于数据采集处理板卡与数据分发板卡之间进行数据通讯，另外一路RS422和一路RS485用于接收艇上设备输或传感器输出状态参数数据，2路CAN接口留作备用；数据采集处理板卡采用5V和12V供电，采用2颗电源转换芯片TPS75833将5V分别转换为3.3V_VDD和3.3V_VDD1，其中3.3V_VDD为STM32F767主控芯片供电，3.3V_VDD1为RS422接口、RS485接口、以太网接口供电；12V给模拟信号调理模块T555P供电；对5V进行隔离得到5V_A给双通道运算放大器AD8552供电，电路板上的电源地也需要隔离为模拟地和数字地。
7.根据权利要求1所述的用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，其特征在于：所述数据分发处理板卡集成AM4378主控芯片、4路RS422接口、1路RS232接口、2路CAN接口、1路USB、2路千兆以太网接口、SD卡存储模块。
8.根据权利要求7所述的用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，其特征在于：所述千兆以太网为双冗余以太网，一路千兆以太网通过AM4378核心板引出，另一路千兆以太网是千兆以太网物理层芯片AR8035，通过RGMII接口连接至AM4378芯片引脚上。
9.根据权利要求7所述的用于智能无人艇监控的数据采集与分发系统，其特征在于：数据采集板卡的CAN接口是采用CTM1051(A)M模块连接到STM32F767的PB5～PB6和PB8～PB9来引出2路CAN接口；数据分发板卡的CAN接口是采用CTM1051(A)M模块连接到AM4378核心板来引出2路CAN接口。
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