CN114280975A - 一种多通道船用主机机电信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多通道船用主机机电信号采集装置，其特征在于，利用相应的传感器将物理量转换为电信号进行采集，再通过单片机进行信号采集与处理，并通过液晶屏进行实时的数据显示。机电信号采集装置具有CAN总线通信接口，与外部设备进行信息交换。本发明对船舶动力系统监测单元进行小型化、集成化设计，通过实时采集主机和液压系统运行状态对相关数据进行采集、显示、报警、参数设定等功能，相较于传统控制系统方案，大大减少了设备尺寸和重量，为机舱布局困难、要求重量轻的小型高速艇、无人艇等应用场合提供了一种有效的技术方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶多通道机电信号采集单元，属于船舶自动化领域。
背景技术
船舶领域“智能化”的制造模式推动了智能船舶甚至“无人船”的发展。基于实时采集船舶状态数据是解决航行状态数据分析的关键技术。目前各船舶企业为提高船舶航行状态稳定性和故障可控性，大力度开发船舶检测系统，实现提前预测出设备或系统的运行状态并给出异常预警，有利于提升机舱状态监测技术的智能程度。
谢思奇和董胜利在《上海船舶运输科学研究所学报》(2015年04期)中针对柴油机状态监测与分析系统的需求，设计能为其服务的上位机软件。系统采用C/S架构，下层为数据采集系统，上层为上位机软件。软件实现人机交互，采用以太网与采集系统通信。同时，其能通过解析传输数据信号，使用数据库存储数据，实现示功压力数据的计算和显示，以满足柴油机工况监测与故障诊断的需求。
迟晓曼和刘喜敏在《舰船科学技术》(2020年04期)针对多主机舰船机舱动力装置主机监控故障诊断精度较差的问题，设计新型多主机舰船机舱动力装置主机监控故障诊断系统。设计数据分析器，提升系统的数据分析能力，在主机中安装传感器并设定信号数据库，完成动力信号的监控与采集。计算数据库内数据的有量纲参数，获取信号数据的特征值。在系统中增加机器学习模块，将特征提取后的数据进行训练，完成对主机故障的诊断。
胡琰在《汽油机参数采集分析系统的开发及应用研究》(2008年08期)中完成基于LabVIEW软件对汽油机的振动、噪声、点火进行检测的功能，完成检测结果的数据库存储，并初步实现检测数据分析处理，同时完成对其配套的交、直流发电机进行检测的功能，振动、噪声检测具备功能扩展的能力。所检测的发动机参数包括振动、噪声、次级点火电压、初级点火电压、初级点火电流、交流发电机电压、交流发电机电流、直流发电机电压和直流发电机电流。
综上所述，现有研究只是对船舶动力检测系统进行软件优化设计，添加数据处理模块以及上层处理手段，并没有从底层完整地对采集系统的集成化和可视化以及轻量化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对船舶动力检测系统，目前缺少集成化程度高、体积小、采集通道多、实时通讯并显示的采集单元。
为了达到解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种多通道船用主机机电信号采集装置，用于实现机舱内机电信号的数据采集、数据传输、数据显示和报警，其特征在于，包括壳体，壳体内设置有主控板，主控板与设置在壳体上的人机交互模块相连，并连接外部不同种类的传感器，其中：
传感器用于将需要采集的物理量转换为电信号；
人机交互模块所显示数据受主控制板发送的指令控制，显示内容为传感器采集到的数据、报警信息和参数设置；
主控板包括PCB板以及布设在PCB板上的主控电路，所述主控电路用于实现数据采集、数据处理以及数据传输；
主控电路包括单片机、运算放大器、ADC模块、基准电源模块、存储模块、两路隔离电源模块、继电器、两路CAN隔离收发器以及CAN通信芯片，其中：
传感器经由运算放大器接入ADC模块的模拟信号输入端，ADC模块的数字信号输出端连接单片机，ADC模块同时连接基准电源模块；
单片机经由SPI端口与存储模块相连；
将两路隔离电源模块分别定义为隔离电源模块一以及隔离电源模块二，外部提供的两路输入电源经由接插件及继电器接入隔离电源模块一以及隔离电源模块二；隔离电源模块一为单片机供电，隔离电源模块二为两路CAN隔离收发器供电；
将两路CAN隔离收发器分别定义为CAN隔离收发器一以及CAN隔离收发器二；单片机经由CAN隔离收发器一以及CAN隔离收发器二接入外部的两路冗余CAN总线；
人机交互模块与单片机的UART串口端相连，通过人机交互模块设定设定参数后，经由UART串口端将参数值发送至单片机，单片机通过SPI端口把参数值发送至存储模块予以保存；每次重新上电后，单片机从存储模块读取所有参数值；
对船舶动力系统进行监控时，传感器随着船用主机的运行状态的改变，对应输出的模拟信号发生变化，输出的模拟信号经运算放大器缩放到ADC模块的量程范围内后，由ADC模块进行采样，ADC模块的基准电压由外部基准电源提供；ADC模块的采样结果被送至单片机，单片机对采样结果进行数据处理后，通过UART串口端发送至人机交互模块进行显示，同时通过两路冗余CAN总线发送给其它设备。
优选地，所述壳体的外形尺寸为330mm×180mm。
优选地，所述传感器包括转速传感器、压力传感器以及温度传感器。
优选地，所述转速传感器安装于船用主机飞轮对应的外壳上，将船用主机飞轮的转速转换为与飞轮齿数对应的交流信号后传输给所述主控板，该交流信号频率与主机转速成正比。
优选地，所述压力传感器将目标区域的压力值转换为电压值后传输给所述主控板；所述温度传感器将目标区域的温度值转换为电阻值后传输给所述主控板。
优选地，所述PCB板的外形尺寸为230mm×115mm。
优选地，所述人机交互模块安装在所述外壳的中间区域，为小尺寸串口液晶屏。
优选地，所述单片机的IO端与设于外壳上的IO接口相连。
优选地，在所述外壳上设有接插件，外部提供的两路所述输入电源经由接插件接入所述继电器。
优选地，所述CAN隔离收发器一直接与所述单片机的CAN端口相连，所述CAN隔离收发器二则经由CAN通信芯片与所述单片机的扩展端口相连；CAN隔离收发器一以及CAN隔离收发器二与设置在外壳上的所述接插件相连，CAN隔离收发器一以及CAN隔离收发器二通过接插件接入所述外部的两路冗余CAN总线。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明对船舶动力系统监测单元进行小型化、集成化设计，通过实时采集主机和液压系统运行状态对相关数据进行采集、显示、报警、参数设定等功能，相较于传统控制系统方案，大大减少了设备尺寸和重量，为机舱布局困难、要求重量轻的小型高速艇、无人艇等应用场合提供了一种有效的技术方案。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图。
具体实施方式
本说明书中附图所显示的大小、比例等只是示意性的，用以配合说明书所描述的内容，并非用以限定本发明的实施条件，不影响本发明所产生的功效。本说明书中所述的“上”、“下”、“内”、“外”等位置关系仅是为了方便描述，而非用以限定本发明的可实施范围，其相对关系的改变，在无实质变更技术内容下亦视为本发明的可实施范畴。
本实施例公开了一种多通道船用主机机电信号采集装置(下文简称“机电信号采集装置”)，主要用于实现机舱内机电信号的数据采集、数据传输、数据显示和报警。机电信号采集装置利用相应的传感器将物理量转换为电信号进行采集，再通过单片机进行信号采集与处理，并通过液晶屏进行实时的数据显示。机电信号采集装置具有CAN总线通信接口，与外部设备进行信息交换。
机电信号采集装置包括外形尺寸为330mm×180mm的壳体，壳体内设置有主控板，主控板与设置在壳体上的液晶屏相连，并连接外部不同种类的传感器相连。
本实施例中，传感器用于将需要采集的物理量转换为电信号，包括三种不同类型的传感器：转速传感器、压力传感器以及温度传感器。其中，转速传感器安装于船用主机飞轮对应的外壳上，将船用主机飞轮的转速转换为与飞轮齿数对应的交流信号后传输给主控板，该交流信号频率与主机转速成正比。压力传感器将目标区域的压力值转换为电压值后传输给主控板。温度传感器将目标区域的温度值转换为电阻值后传输给主控板。
液晶屏安装在外壳的中间区域，为小尺寸(3.5寸)串口屏，显示数据受主控制板发送的串口指令控制，显示内容为温度和转速数据、报警信息和参数设置。
主控板进一步包括外形尺寸为230mm×115mm的PCB板以及布设在PCB板上的主控电路，主控电路的电原理图如图1所示，用于实现数据采集、数据处理以及数据传输。
如图1所示，主控电路包括单片机、运算放大器、ADC(Analog-to-digitalConverter，模拟数字转换器)模块、基准电源模块、EEPROM模块、两路隔离电源模块、继电器、两路CAN隔离收发器以及CAN通信芯片。
本实施例中，单片机采用C8051单片机。
C8051单片机的IO端与设于外壳上的IO接口相连。
传感器经由运算放大器接入ADC模块的模拟信号输入端，ADC模块的数字信号输出端连接单片机，ADC模块同时连接基准电源模块。
C8051单片机经由SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)端口与EEPROM模块相连。
将两路隔离电源模块分别定义为隔离电源模块一以及隔离电源模块二，隔离电源模块一以及隔离电源模块二经由继电器与设置在外壳上的接插件相连。外部提供的两路输入电源经由接插件及继电器接入隔离电源模块一以及隔离电源模块二。继电器通过触点开合将两路输入电源中的一路送至隔离电源模块一以及隔离电源模块二，另一路则送至基准电源模块。隔离电源模块一为C8051单片机供电；隔离电源模块二为两路CAN(ControllerAear Network，控制器局域网络)隔离收发器供电。
将两路CAN隔离收发器分别定义为CAN隔离收发器一以及CAN隔离收发器二。CAN隔离收发器一直接与C8051单片机的CAN端口相连，CAN隔离收发器二则经由CAN通信芯片与C8051单片机的扩展端口相连。CAN隔离收发器一以及CAN隔离收发器二与设置在外壳上的接插件相连，CAN隔离收发器一以及CAN隔离收发器二通过接插件接入外部的两路冗余CAN总线。
液晶屏与C8051单片机的UART串口端相连。液晶屏主要用于机电信号采集装置显示主机状态和报警值以及一些基础参数的设置。在液晶屏的参数设置界面修改设定参数后，液晶屏通过UART串口端将参数值发送至C8051单片机，C8051单片机通过SPI端口把参数值发送至EEPROM模块予以保存。每次重新上电后，单片机从EEPROM模块读取所有参数值。
对船舶动力系统进行监控时，传感器随着船用主机的运行状态的改变，对应输出的模拟信号发生变化，输出的模拟信号经运算放大器缩放到ADC模块的量程范围内后，由ADC模块进行采样，ADC模块的基准电压由外部基准电源提供。ADC模块的采样结果被送至C8051单片机。C8051单片机对采样结果进行数据处理后，通过UART串口端发送至液晶屏进行显示，同时通过两路冗余CAN总线(100ms更新一次数据)发送给其它设备(一般为综控台)。一路CAN总线由C8051单片机自带的CAN端口完成报文收发，另一路CAN总线由C8051单片机通过扩展端口连接外部CAN通信芯片完成报文收发。两路CAN总线都通过CAN隔离收发器后再连接至外部网络。
本发明提供的机电信号采集装置实现的功能包括但不局限于：
1)可作为一个独立监测单元对主机运行状态和配套液压设备工作情况进行监测；
2)通过两路冗余CAN总线与其他设备进行数据交互，相关数据可在液晶屏上进行显示；一路CAN总线出现故障时，主控制板自动切换到另外一路CAN总线工作；
3)可在液晶屏界面上进行动态参数设定，参数将保存在手柄控制板上的EEPROM内，上电后自动读取；
4)对外的电源、通信接口都进行了隔离，保证手柄可靠工作。
本发明提供的一种多通道船用主机机电信号采集装置实现了对船舶动力系统的主机油温、主机水温、主机油压、主机转速等数据的采集，同时实现动力检测系统的集成化、体积小、采集通道多、实时通讯并显示等功能，在重要要求严格的特殊应用场合提供了一种可行的技术方案。
Claims (10)
1.一种多通道船用主机机电信号采集装置，用于实现机舱内机电信号的数据采集、数据传输、数据显示和报警，其特征在于，包括壳体，壳体内设置有主控板，主控板与设置在壳体上的人机交互模块相连，并连接外部不同种类的传感器，其中：
传感器用于将需要采集的物理量转换为电信号；
人机交互模块所显示数据受主控制板发送的指令控制，显示内容为传感器采集到的数据、报警信息和参数设置；
主控板包括PCB板以及布设在PCB板上的主控电路，所述主控电路用于实现数据采集、数据处理以及数据传输；
主控电路包括单片机、运算放大器、ADC模块、基准电源模块、存储模块、两路隔离电源模块、继电器、两路CAN隔离收发器以及CAN通信芯片，其中：
传感器经由运算放大器接入ADC模块的模拟信号输入端，ADC模块的数字信号输出端连接单片机，ADC模块同时连接基准电源模块；
单片机经由SPI端口与存储模块相连；
将两路隔离电源模块分别定义为隔离电源模块一以及隔离电源模块二，外部提供的两路输入电源经由接插件及继电器接入隔离电源模块一以及隔离电源模块二；隔离电源模块一为单片机供电，隔离电源模块二为两路CAN隔离收发器供电；
将两路CAN隔离收发器分别定义为CAN隔离收发器一以及CAN隔离收发器二；单片机经由CAN隔离收发器一以及CAN隔离收发器二接入外部的两路冗余CAN总线；
人机交互模块与单片机的UART串口端相连，通过人机交互模块设定设定参数后，经由UART串口端将参数值发送至单片机，单片机通过SPI端口把参数值发送至存储模块予以保存；每次重新上电后，单片机从存储模块读取所有参数值；
对船舶动力系统进行监控时，传感器随着船用主机的运行状态的改变，对应输出的模拟信号发生变化，输出的模拟信号经运算放大器缩放到ADC模块的量程范围内后，由ADC模块进行采样，ADC模块的基准电压由外部基准电源提供；ADC模块的采样结果被送至单片机，单片机对采样结果进行数据处理后，通过UART串口端发送至人机交互模块进行显示，同时通过两路冗余CAN总线发送给其它设备。
2.如权利要求1所述的一种多通道船用主机机电信号采集装置，其特征在于，所述壳体的外形尺寸为330mm×180mm。
3.如权利要求1所述的一种多通道船用主机机电信号采集装置，其特征在于，所述传感器包括转速传感器、压力传感器以及温度传感器。
4.如权利要求3所述的一种多通道船用主机机电信号采集装置，其特征在于，其中，所述转速传感器安装于船用主机飞轮对应的外壳上，将船用主机飞轮的转速转换为与飞轮齿数对应的交流信号后传输给所述主控板，该交流信号频率与主机转速成正比。
5.如权利要求3所述的一种多通道船用主机机电信号采集装置，其特征在于，所述压力传感器将目标区域的压力值转换为电压值后传输给所述主控板；所述温度传感器将目标区域的温度值转换为电阻值后传输给所述主控板。
6.如权利要求1所述的一种多通道船用主机机电信号采集装置，其特征在于，其中，所述PCB板的外形尺寸为230mm×115mm。
7.如权利要求1所述的一种多通道船用主机机电信号采集装置，其特征在于，其中，所述人机交互模块安装在所述外壳的中间区域，为小尺寸串口液晶屏。
8.如权利要求1所述的一种多通道船用主机机电信号采集装置，其特征在于，其中，所述单片机的IO端与设于外壳上的IO接口相连。
9.如权利要求1所述的一种多通道船用主机机电信号采集装置，其特征在于，其中，在所述外壳上设有接插件，外部提供的两路所述输入电源经由接插件接入所述继电器。
10.如权利要求9所述的一种多通道船用主机机电信号采集装置，其特征在于，其中，所述CAN隔离收发器一直接与所述单片机的CAN端口相连，所述CAN隔离收发器二则经由CAN通信芯片与所述单片机的扩展端口相连；CAN隔离收发器一以及CAN隔离收发器二与设置在外壳上的所述接插件相连，CAN隔离收发器一以及CAN隔离收发器二通过接插件接入所述外部的两路冗余CAN总线。
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