基于虚拟仪器技术的船舶舱室温度监测系统设计与开发

季 建, 徐 娇, 钱兴达, 刘志强, 徐颖俊, 杨凯盛, 周 枫

(1. 浙江海洋开发研究院， 浙江 舟山 316000； 2.上海船舶工艺研究所 舟山船舶工程研究中心，浙江 舟山 316000； 3. 江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江212003)

基于虚拟仪器技术的船舶舱室温度监测系统设计与开发

季 建1, 徐 娇2, 钱兴达3, 刘志强3, 徐颖俊1, 杨凯盛1, 周 枫1

(1. 浙江海洋开发研究院， 浙江 舟山 316000； 2.上海船舶工艺研究所 舟山船舶工程研究中心，浙江 舟山 316000； 3. 江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江212003)

针对船舶舱室，设计一套基于虚拟仪器技术的在线文件数据存储与读取的舱室温度测量数据系统，主要完成采集系统总体方案、实时温度采集系统模块和数据管理系统的设计与开发。

温度监测；温度采集；船舶舱室；虚拟仪器

0 引 言

20世纪60年代，日本、丹麦等国最先开始研究船舶舱室集中监控系统，该系统特点是船舶各个舱室的温度、湿度、噪声和烟雾浓度等环境参数以及动力设备的运转状况均由安装在集中监控室中的一台计算机进行集中测量和监控[1-2]。但是主控计算机如果发生故障，会造成整个系统瘫痪，系统的可靠性难以保证。

近年来，大规模集成电路在可靠性、计算能力和运行速度等方面的性能大幅增强，成本降低，集成电路和计算机网络技术广泛应用于工业控制过程中，这使船舶舱室温度监控系统应用这些技术成为可能。目前，日本及欧洲一些造船技术先进的国家已实现了船舶综合自动化系统，使无人舱室成为现实。我国在这方面的发展与之有一定差距，在此将虚拟仪器技术(数据采集卡和上位机LabVIEW的系统构架方式)应用于船舶舱室温度监测系统设计和开发，降低了系统开发时间和经济成本，并取得良好的效果。

1 采集系统总体方案设计

1.1 总体架构

船舶舱室温度采集系统的架构如图1所示，包括船舶舱室环境测试系统、管理系统和用户交互系统。其中用户交互系统分为两个部分：船舱温度监测模块和故障告警通知模块。

图1 船舶舱室温度采集系统架构框图

1.2 舱室内温度采集硬件系统选型设计

基于先进先出寄存器(First Input First Output, FPGA)的船舶舱室温度数据采集系统由温度传感器、A/D转换器、FPGA芯片和装有LabVIEW的PC机组成,按功能可以分为前端信号采集与处理模块、后端数据管理与存储模块，实现基于FPGA(Spartan-3系列的XC3S200)芯片的USB接口参数模式下的数据采集系统，目的是获得高速数据采集能力。其中，前端数据采集系统主要由模拟部分、数字部分和接口组成。采集温度采用热电偶，接KAD5612P模数转换芯片，然后连入FPGA采集控制，通过USB接口芯片(型号：EP4CE10F17C8)接入上位机。设计好程序后通过FPGA的JTGA接口将程序下载到FPGA芯片中。温度数据前端采集通过模数转换，经由ADC模块、FPGA数据存储模块和FPGA时钟管理模块等3个模块实现数据同步采集。

1.2.1 温度点布局与温度传感器

系统应用对象是船舶舱室温度监控。现以某型船舶为例，其温度采集点布局如图2所示，需要根据船舶的具体结构进行温度采集点的布局。选择温度采集点时，对每一个船舶舱室都要布置温度采集点，以便能够监测到船舶各个舱的温度，通常传感器安装于船舶舱室顶部中央位置且处于较为恶劣的环境中，振动、潮湿和盐雾都对其有严重影响，这里选用K型热电偶对温度进行测量。

图2 某型船温度采集点布局

1.2.2 数据采集传输与接口

如图3所示，船舶舱室工作现场的温度数据采集是通过安装在舱室内不同位置的传感器来完成的，而后通过A/D转换器将采集的数据传到板卡，并通过采集程序将采集的信号转换为温度数据，最后将数据传至基于LabView的上位机系统数据库管理系统。

图3 数据采集传输接口

FPGA作为PC的前一级，需要通过USB向计算机传送数据，PC机发布的对各种USB设备的控制信号以及各种设备向PC机发送的请求信号均由USB通过固件程序处理，完成PC机与芯片之间的数据传输，同时能够对设备进行初始化、对外围电路进行控制和实现数据的交换。温度采集系统需要利用VISA函数进行数据的读取和传输。

通过采集得到的温度数据从FPGA内的数据存储器(Random Access Memory， RAM)送入USB接口芯片，利用FPGA内部集成的FIFO，选择端点缓冲，大批量传输模式，在slave FIFO工作模式下完成。本文选用的是CY7C68013A芯片。但本次系统要同时进行8通道的温度数据采集，由于FPGA内部的数据存储器太小，因此最终确定拓展两块静态随机存取存储器(Static Random Access Memory, SRAM)来完成数据的暂时存储。

如图4所示，每一个温度传感器对应一个A/D转换器，A/D转换器与FPGA芯片的I/O口连接，FPGA芯片通过USB芯片CY7C68013A的匹配与上位机系统相连接，整个系统中FPGA芯片、USB芯片、USB接口和同步动态随机存取存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory， SDRAM)等元件都集成在一块PCB板上来完成数据的采集。温度数据从FPGA内的数据存储器传输到USB接口芯片需要用到内部FIFO，它的大小为16KB，USB芯片CY7C68013A集成4个FIFO，有一个用于驱动外部电路的24 HMz晶振。Cypress已经配置好了工程框架，已满足基本USB的使用，由于要连接FPGA，因此需要编写接口函数。

图4 FPGA芯片元件位置

ADC(Analog to Oigital Converter)数据转换模块在整个温度采集系统的作用是至关重要的，A/D的工作需要通过低压差分信号技术接口(Low Voltage Differential Signaling, LVDS)时序驱动。图5是A/D在LVDS模式下工作的时序图。

图5 A/D在LVDS模式下的时序

Spartan-3系列器件时钟管理(Data Communication Module， DCM)由3个器件组成：数字延迟锁锁相环DDL，数字频率合成器DFS和数字移相器DSP结构[3]。DCM为FPGA芯片、A/D芯片和SRAM提供工作时钟频率分别是50 MHz，250 MHz，125 MHz。本方案是调用DCM的Verilog HDL产生的采集数据工作的时钟。图6为DCM模块结构。

图6 DCM模块结构

1.3 基于LabVIEW温度采集系统前端设计

船舶舱室温度实时采集系统的上位机，用户可以通过LabVIEW开发采集程序实现数据显示和处理。图7为LabVIEW的功能模块图，通过图7就能看出LabVIEW主要分为3个功能模块：数据读取模块、数据显示模块和数据存储模块。

图7 LabVIEW功能模块

图8为LabVIEW的串口数据读取程序框图。在进行数据读取时，VISA先通过VISA OPEN打开已经配置好的串口，经由VISA Write将缓冲区中的数据送至VISA指定的串口，通过VISA Read从缓冲区中读出数据。在实际过程中，将VISA Open函数放在主循环外，读写函数放在循环内，这可避免多次打开VISA 而浪费时间和资源。图9为LabVIEW串口数据读取程序框图。

图8 串口数据读取程序框图

图9 串口数据读取程序框图

图10是LabVIEW的实时温度数据显示界面，通过面板可以控制开始数据采集和停止数据采集。在系统设计中共有8个数据通道，可以通过点击左上角曲线切换按钮来分别显示每个通道的数据变化。

图10 温度数据实时显示面板

2 基于ASP的数据后台管理系统设计

系统主要采用了服务器端脚本环境(Active Server Pages, ASP)的B/S结构，总体结构如图11所示。

图11 系统总体结构

浏览器将用户请求发送到Web服务器，服务器调用后台数据库，调用数据并经过计算后将结果发送到浏览器界面，实现用户对数据库的访问。访问数据库中的数据只是对数据库中数据的操作，通过浏览器界面相应的操作可以直接对数据库中数据进行修改。温度采集由两个子系统构成，分别是在线监测系统和后台管理系统。设备的添加、删除和用户的添加、删除都是未登录限制访问的。

系统的ER图如图12所示，清晰地表示出数据库与数据库之间的关系。在数据库中，用户要访问的数据根据类别存储在各个相应位置中，由可变的行数和确定的列数组成，列是一组数据的各个参数，行是单个数据的记录集[4]。

为了使系统需求的信息能够保存到数据库中，在温度监测数据库中创建3个数据库表，温度传感器表，实时温度表和用户信息表。设备管理模块主要是指温度传感器，包括温度传感器管理和采集信息的显示与处理等。图13为温度传感器的信息管理界面。

温度实时监测模块通过前端的数据采集系统采集得到并通过LabVIEW处理和保存到数据库中的数据，网页通过连接数据库将温度数据显示到网页，从而实现数据的实时监测。图14是温度数据的显示界面。

图12 系统ER图

图13 温度传感器的信息管理

图14 温度数据显示界面

[][]

3 结 论

本文设计了一套基于虚拟仪器技术的在线文件数据存储与读取的舱室温度测量数据系统，主要完成采集系统总体方案、实时温度采集系统模块和数据管理系统的设计。该成果与传统的数据采集系统或监控软件相比，通过FPGA总控可实现多通道高速数据的同步采集，特别适合于船舶这类需要较多采集点的应用场合，可在船上的其他设备和仪器中使用，实现航运效能技术的改造升级。由于目前航运市场整体处于低迷阶段，采用先进技术的船舶将使船员不受时间和空间的限制，实时知晓船舶的各种状态，使该类船舶在激烈的市场竞争中占有一席之地。

[1] 孙建波，郭晨，张旭．船舶机舱监测和报警系统的设计与实现[C]//中国系统仿真学会全国会员代表大会暨全国学术年会，2006：52-55．

[2] 冯素梅．基于 LonWorks 技术的船舶机舱监控系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006．

[3] 杨义台. 基于FPGA片外存储器在高速采集系统中研究和应用无线温度采集模块设计[D]. 成都：成都理工大学, 2012.

[4] 刘贵国. Dreamweaver CS6+ASP动态网站开发完全学习手册[M].北京：清华大学出版社，2014.

Design and Development of Ship Compartment Temperature Monitoring System Based on Virtual Instrument Technology

JI Jian1, XU Jiao2, QIAN Xingda3, LIU Zhiqiang3,XU Yingjun1, YANG Kaisheng1, ZHOU Feng1

(1.Zhejiang Marine Development Research Institute, Zhoushan 316000， Zhejiang， China； 2.Zhoushan Ship Engineering Research Center, Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Zhoushan 316000，Zhejiang， China；3.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003， Jiangsu， China)

A set of ship compartment temperature measurement data system of online file data storage and reading based on virtual instrument technology is designed. It mainly completes the design and development of the overall system, the real-time temperature acquisition system module and the management system.

temperature monitoring; temperature acquisition; ship compartment; virtual instrument

浙江省重大科技专项重大社会发展项目“船舶制造虚拟空间仿真验证实操平台研究与应用”(编号：2012C13004)；舟山市市级科技项目：船装平台建设(编号：2011C21003)

季 建(1986-)，男，工程师，研究方向为船舶虚拟仿真技术、设备开发

1000-3878(2017)04-0040-06

U662

A