船用能耗数据采集与传输技术
船舶工业是海上运输业的基础，为了提高大型船舶在海上的航行效率，提高资源利用率，有必要对船舶的能耗数据进行采集和分析，实现船舶航运状态的监控和优化。虚拟仪器是一种基于电工电子、计算机、通信技术产物，近年来获得了非常广泛的应用。本文研究的主要目的是建立基于Labview的船用能耗采集和分析系统，提高船舶的控制与管理能力，构建现代化的船舶信息系统，本文分别从硬件设计和软件程序设计2个方面进行了介绍。
关键词：能耗数据采集;Labview;软件;硬件
人类进入工业社会以来，对化石燃料如石油、天然气的需求越来越大，经过几百年的开采，地球上的化石燃料等不可再生资源已经逐渐枯竭，能源危机在世界范围内爆发。船舶工业作为传统重工业的重要组成部分，一直是能源消耗大户。目前船舶的节能环保已经成为重要的研究课题，针对船舶的能耗优化技术成为了业内的研究热点。船舶的节能环保设计有多方面的意义，一方面，可以有效提高化石燃料在船舶上的利用率，减少资源的过度消耗，有利于可持续发展;另一方面，有助于保护海上生态环境，减少船舶尾气排放，同时降低船舶的运输成本，提高物流行业的经济性。在船舶的节能环保设计过程中，现有船舶的能耗数据具有重要的指导意义。通过分析海量的船舶能耗数据，有助于发现船舶运行过程中的能源浪费等问题，通过调整船舶的工况，可以提高船舶的能源利用率。本文研究的重点是船用能耗数据自动化采集与传输技术，与传统的基于PLC和单片机的数据采集技术不同，研究将虚拟仪器技术应用于船用能耗数据采集与传输，基于Labview软件平台编程，实现了常用能耗数据的采集、传输、分析和处理。
1虚拟仪器技术的发展现状
虚拟仪器技术是建立在计算机技术，微电子技术，通信技术等现代科学技术的基础上，起源于19世纪。虚拟仪器技术经历了多个发展阶段，从最初的模拟仪器到电子仪器，再到数字仪器和智能仪器，已经在各种工业领域有了比较成功的应用，最主要的应用在于数据采集和检测，以及小型工业系统的控制。Labview是美国NI公司于20世纪初开发的一种图形化编程平台，它采用的程序编辑语言为G语言(GraphicsLanguage)。Labview软件程序具有非常直观的前面板，采用的设计语言无需编写任何文本代码，极大地降低了编程的门槛。Labview软件平台具有丰富的数据采集、信号分析和处理的函数模块，为用户提供了丰富的模板和数据库，即使使用者不熟悉各种计算机总线、串口总线的使用方法，工程师仍可以采用其图像化的设计语言进行编程。此外，Labview平台还提供了丰富的C语言接口，具有良好的扩展性。Labview程序开发平台的基本组成包括虚拟仪器面板、驱动程序、开发环境等，原理图如图1所示。Labview程序开发平台在许多领域有成功的应用，具体包括以下几个方面：1)生产检测Labview信号测试与测量技术非常成熟，已经成为一个工业标准化的开发工具。工业生产的测试环境中，如产品的质量检测、供应链的测试与执行等，可以用生产环境建立性能良好的检测管理平台[1]。2)数据分析与处理在Labview软件平台上集成了高性能的运算器和数据存储器，可实现各类工业系统的数据分析和计算，对声音信号、振动信号、图像信息等进行分析和处理。此外，Labview还集成了多种附加工具包，可以帮助开发人员构建数据分析与处理平台。3)过程控制Labview平台具有高速、多通道的信号测量功能，可以有效的对工业系统的过程信号进行采集和分析，并通过多通道I/O端口与各类网络进行通信。4)机器监控Labview可以实现在线式的机器监视和自动控制功能。
2基于Labview的船用能耗数据采集与传输技术研究
2.1能耗采集系统硬件设计
船舶的能耗数据是一种长期的在线式的数据类型，为了实现船舶能耗数据的及时、有效采集，必须要配置高效稳定的数据采集卡和数据处理芯片。本文设计了一种以TMS320C52信号处理器和DSP处理器为核心的数据采集系统，该系统包括DSP处理器、A/D接口、上位机、SD卡、时钟电路、电源、FLASH芯片等，原理图如图2所示。1)DSP处理器船舶能耗采集系统的DSP处理器具有高效的数据处理能力和较大的片内资源存储空间，DSP处理器采用JTAG接口进行调试，能耗数据首先进入A/D芯片进行模拟信号和数字信号的转换，然后进入DSP中进行分析处理，数据处理后存放在RAM和SD卡中，需要输出的信号再经A/D转换器，转换为模拟信号输出。DSP处理器可以实现RAM，FIFO，FLASH芯片的控制和匹配[2]。2)TMS320C52数字信号处理器TMS320C52数字信号处理器是TI公司的第5代处理器，具有16位字节数据处理功能，包含8条16位主总线和4条地址总线。TMS320C52数字信号处理器将内部各单元连接在一起，并通过地址总线传送执行指令。3)AD转换器与DA转换器AD转换器和DA转换器是进行数字信号与模拟信号转换的仪器，集成了16位串行I/O端口，具有高达22s/KHz的采样速率。AD转换器的信号转换电路图如图3所示。如图，A/D转换器采用SN65HD1050芯片作为处理中心，还配置了插值滤波器提高信号的平滑性[3]。4)时钟电路时钟电路是指可以产生像时钟一样准确运动的振荡电路，常用的时钟电路包括DS1302、PCF8485等，以DS1302为例，该时钟电路具有32.768kHz晶振，可以进行串行数据传输，可实现对系统的电源的开关控制。
2.2软件程序设计
本文基于Labview软件平台，开发了船舶能耗数据采集与传输系统，整个软件开发过程分为以下3步：1)创建数据采集系统面板程序的面板是用户进行参数设置和获取输出结果的位置，本文在设计船用能耗数据采集与传输系统的面板时，采用了按钮、旋钮、示意图等元素，输入数据采用鼠标和键盘输入，界面具有良好的交互性，且简单美观[4]。2)创建图形化程序图形化程序的创建是该船舶能耗采集系统的关键，将前面板窗口切换到程序框图窗口，该框图会显示面板对应的程序，本文采用多个循环程序，并用数据连线连接程序的端口的图标。具体的船舶能耗数据采集与传输系统程序框图如图4所示。3)程序的运行与调试进行程序的试运行，当程序出现错误时，进入程序框图窗口，寻找报错的位置，并进行修改。
3结语
船舶能耗数据的采集对于改善船舶的能源利用率，提高船舶的节能环保设计有重要意义。本文主要的研究内容包括：虚拟仪器技术和Labview软件平台的原理研究、数据采集与传输系统的硬件设计、基于Labview软件平台的能耗数据采集系统软件编程和面板设计等。经过后期的调试发现，基于Labview软件平台的船舶能耗数据采集与传输系统的信号采集时效性高，系统运行稳定，有较大应用潜力。
作者：杨倩 单位：绥化学院
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