摘 要

随着科技快速的发展，特别是信息和控制技术的高速发展，船舶自动化的程度越来越高，机舱动力系统的监测水平也在逐渐提高。由最早通过人工去观察各个仪表工作状态来监测整个机舱的状态,到建立船舶集中监控室，将所有需要监控的信号都引进到集中监控室里来，船员在集中监控室即可以了解到所有设备的工作状态和各动力设备的具体数据，使机舱的监控水平大大提升。

船舶机舱监控系统是船舶动力系统中重要的组成部分，主要用于监测机舱内一些重要的动力设备，如主机，辅机以及其他动力设备的运行状况。通过机舱远程监测系统，驾驶台人员可以在驾驶台掌握机舱内主要动力设备的运行状况和工作情况，从而改善驾驶台工作人员的工作环境，这样不仅减轻了驾驶台工作人员的工作强度，又能让驾驶台人员更准确的了解到主要设备的实时工作状态。

基于前期的北斗船舶智能终端，通过终端模块扩展，增添了数据采集NMEA 2000协议CAN接口，增添的接口可以实现对船舶主机、辅机及其他助航设备的数据进行采集，并将采集到的数据转换为CAN通讯信号，实现船舶数据的采集，再通过显示屏来显示所采集到的数据。

关键词：通信协议；数据采集；电路设计

ABSTRACT

With the rapid development of science and technology, especially the rapid development of information and control technology, the degree of ship automation is getting higher and higher, and the monitoring level of the engine room power system is gradually increasing. From the earliest manual observation of the working status of each instrument to monitor the state of the entire cabin, to the establishment of the ship centralized monitoring room, all the signals that need to be monitored are introduced into the centralized monitoring room, the crew can know all the equipment in the centralized monitoring room. The working status and specific data of each power equipment have greatly improved the monitoring level of the engine room.

The ship cabin monitoring system is an important part of the ship's power system. It is mainly used to monitor the operation of some important power equipment in the engine room, such as the main engine, auxiliary machinery and other power equipment. Through the cabin remote monitoring system, the driver's desk personnel can grasp the running status and working conditions of the main power equipment in the engine room on the bridge, thus improving the working environment of the bridge staff, which not only reduces the work intensity of the bridge staff, but also Let the bridge personnel know more accurately the real-time working status of the main equipment.

    Based on the previous Beidou ship intelligent terminal, through the terminal module expansion, the data acquisition NMEA 2000 protocol CAN interface has been added, and the added interface can realize the data collection of the ship host, auxiliary machine and other navigation aids, and the collected data will be collected. Converted to CAN communication signal, the ship data is collected, and the collected data is displayed through the display.

Key Words:Communication protocol;Data acquisition;Circuit design.

目录

第 1 章 绪 论 1

1.1 研究的背景和意义 1

1.2 数据采集系统的发展及国内外现状分析 1

1.2.1 数据采集系统的发展 1

1.3 研究的基本内容和目标 2

第 2 章 北斗船舶智能终端 3

2.1 北斗船舶智能终端的介绍 3

2.2 北斗船舶智能终端的构成 3

2.3 北斗船舶智能终端的扩展功能 4

2.4 机舱参数采集系统的设计结构框图 5

第 3 章 机舱参数采集系统的硬件设计 6

3.1 采集系统硬件框架设计 6

3.2 模块器件选型 6

3.2.1 传感器 6

3.2.1.1 温度传感器 7

3.2.1.2 压力传感器 8

3.2.1.3 转速传感器 9

3.2.2 单片机的选型 10

3.2.3 多参数显示研究 10

3.3 单片机最小电路系统 11

3.3.1 电源电路 12

3.3.2 晶振电路 13

3.3.3 复位电路 13

3.3.4 JTAG电路 14

3.4外围电路设计 15

3.4.1脉冲信号采集电路 15

3.4.2 AD采集电路 15

3.4.3 CAN总线通信电路 16

第 4 章 机舱参数采集系统的软件设计 17

4.1 软件的总体结构设计 17

4.2 脉冲信号采集 17

4.4 CAN总线信号 19

4.4.1 CAN总线和NMEA 2000协议 19

4.4.2 CAN总线信号通信 20

第 5 章 总结与展望 21

参考文献 22

致 谢 23

第 1 章 绪 论

1.1 研究的背景和意义

研究背景：海巡艇是我国海事系统重要的执法工具，随着水上交通的不断发展，国内大大小小的船舶都已经装备上了先进的船舶采集仪器和设备，但因为这些设备众多，布置零乱，对于在驾驶室的操作人员来说，不方便对船舶的参数进行管理和监测，操作人员无法及时的获取机舱动力参数，大大增加了船舶航行安全的隐患^[1]。

研究意义：本次研究基于北斗船舶智能终端，增添了数据采集NMEA 2000协议CAN接口，可以实现对船舶不同标准协议信号的采集及存储等，采集系统数据来自机舱系统和远程检测系统。可以大大简化驾驶台设备，提高驾驶台的美观，让操船人员更清楚的掌握机舱动力设备的参数，更好的管理和监控机舱动力设备的运行情况。机舱实时数据主要是对主机、空气、燃油、冷却水、滑油、排气、发电机、锅炉、船舶运动等系统的数据进行数据采集，包括各种开关量、模拟量，系统油、水、汽参数的采集，比如船舶经纬度、横纵倾角、转速、润滑油温度、进排气温度等。远程检测系统接收机舱监测系统的全船设备监测报警数据，如北斗定位、姿态仪、雷达等设备数据；驾驶台各态显示数据采集，如电子海图数据、船舶运行状态监测管理数据及设备运行状态等^[2]。对于船舶机舱、驾驶台及远程检测系统的传感器采集不同协议的数据，根据其特点转换成符合终端接入标准接入标准的NMEA2000接口信号接入。

1.2 数据采集系统的发展及国内外现状分析

1.2.1 数据采集系统的发展

船舶机舱数据采集技术的发展是随着计算机技术、通信技术和控制理论等技术的发展而逐渐发展，一共经历了以下5个阶段：

（1）20世纪60年代以前，轮机操作人员通过单个仪表的显示来观察机舱数据，形式单一，对机舱管理和监控的效率很低。

（2）20世纪70年代，集成电子电路的高速发展，将以组合逻辑控制为代表的数据集中采集系统带入到了船舶自动化领域。

（3）20世纪80年代，随着控制技术的发展，集散型控制系统得到了广泛的应用，达到了集中管理、分散控制的目的。

（4）20世纪90年代，出现了现场总线全分布式系统，各个监测单元通过现场总线和主机连接，进行数据的通信，同时现场总线具有开放的通讯协议，不同的设备只要符合通讯协议都可以进行互联。

（5）以PLC为核心的智能化模快在现场总线分布式控制系统中的到了应用，PLC控制逐渐取代了继电器控制，成为了船舶机舱控制的主要环节^[3]。

1.2.2 数据采集系统国内外发展现状

国外在船舶自动化方面的研究比较早，技术也比较成熟。这方面最著名的是挪威Kongsberg 海事公司。其公司的信号处理、控制理论、软件开发和系统集成这四项核心技术的都处于世界领先地位。

目前，在船舶监测报警方面应用最多的是 Kongsberg K-Chief系列，起初比较成熟的产品有 K-Chief 500，广泛应用于各种类型的船舶实际航行中，并且在海事教育培训学校的轮机自动化机舱和模拟器建设项目中也有应用。随着船舶自动化的发展，以及船舶航行的实际需求和国际海事组织的相关要求，船舶机舱监测报警系统也在不断的更新和完善，后来陆续出现了 K-Chief600、K-Chief 700等升级版本，并且得到了广泛应用。

国内在船舶自动化方面的起步较晚，技术力量比较薄弱，整体的水平和国外还有一定的差距，但是经过近10年的发展，国内的整体水平也有了巨大的进步，其中，大连瀚科信息技术有限公司在这方面处于国内领先位置^[4]。除此之外，国内一些海事院校也在研究船舶这方面的内容，在这些公司和院校的共同努力下，中国的船舶自动化技术也正在高速发展^[5]。

1.3 研究的基本内容和目标

本课题所基于的北斗定位的船用智能终端大部分功能已经完成，但对机舱动力系统的参数采集这一方面还需要进行进一步的研究和完善，现在基于北斗船用智能终端具有丰富的接口和基于安卓系统的系统扩展功能，利用NMEA 2000串口，将采集到的机舱动力系统的参数显示到船用智能终端上，并且可以和岸基一起进行船舶的管理。借助于这个船用智能终端可以实现对机舱重要的动力系统设备的参数监测，如主机转速，滑油进出口压力、温度，排气口压力、温度等重要参数的集中监视和远程监视^[6]。利用船舶智能终端对船舶信息的动态跟踪管理和控制，船岸之间的信息交互，提升海事监管的力度，减轻船上工作人员的工作负担，并且设计优化的显示平台使船上仪表更加简洁明了，便于船上工作人员清楚的观察机舱内重要设备的运行状况，对船舶航行有着至关重要的作用^[7]。

第 2 章 北斗船舶智能终端

2.1 北斗船舶智能终端的介绍

北斗船舶智能终端一款集船舶机舱数据采集、数据传输、报警与救援、船岸通信等功能于一身的智能船载电子设备，能够完全替代船舶现有的AIS（船舶自动识别系统）。北斗船舶智能终端具有NMEA 2000接口，可以通过此接口将机舱采集到的数据上传到智能终端上，能有效解决船舶上驾驶台设备和仪表冗杂的问题，让驾驶人员能更清晰、快速的掌握船舶航行的相关数据。

2.2 北斗船舶智能终端的构成

北斗船舶智能终端的构成分为1）硬件设备：船舶终端设备；2）软件设备：船舶终端设备导航与信息显示app软件、岸基管理于信息发布软件系统、服务器，将北斗卫星系统、船舶自动识别系统（AIS）、互联网技术、移动通讯技术四者相结合，实现北斗卫星系统在船舶定位、导航方面的应用，以及船岸图文、视频信息交互和电子航道图展示应用^[8]。

北斗天线

4G天线

NMEA0183数据接入

SIM接口

显控

内部局域网

（LAN口）

HDMI

高清显示

NMEA2000数据接入

WIFI

天线

图2-1 北斗船舶智能终端系统结构图

北斗船舶智能终端有以下几个接口：4G外接天线接口、摄像头接口、RDSS天线接口、LAN接口、音频和报警接口、USB接口、AIS天线接口、NMEA 2000接口、电源接口、HDMI输出接口和NMEA 0183接口。

图2-2北斗船舶智能终端实物图

2.3 北斗船舶智能终端的扩展功能

北斗船舶智能终端大部分的功能已经完成，本文的主要研究是对机舱动力系统参数的采集和在智能终端上显示这一功能进行研究，所以本文主要研究北斗船舶智能终端的扩展模块功能。终端已预留多种扩展接口，可将船舶相关驾驶信息接入终端，包括机舱内温湿度、主机油耗等，实现船舶动力环境监测；将相关信息回传到岸基服务器存储分析,可实时监控船舶航行情况，实现船舶管理智能化。本次研究主要研究以下方面：

NMEA 2000数据接口：NMEA 2000数据接口属于终端的扩展功能，可以实现船舶终端设备与机舱动力系统的信息交互，可以对机舱系统功能进行进一步的开发与扩展。

图2-3 终端外围接口示意图

2.4 机舱参数采集系统的技术路线图

本文中机舱参数采集系统的设计分为硬件设计和软件设计。硬件设计包括关键器件的选型和相应外围电路的设计。关键器件包括：传感器、单片机和人机交互界面。外围电路是根据所选关键器件的输出信号的类型来设计的。软件设计包括信号的采集，信号采集与硬件设计中所选择的器件和外围电路相对应。整个系统的技术路线图如图2-4所示。

机舱参数采集系统

系统的硬件设计

系统的软件设计

信号采集和处理

相应电路的

设计

关键器件的

选型

图2-4 采集系统技术路线图

第 3 章 机舱参数采集系统的硬件设计

3.1 采集系统硬件框架设计

采集系统的硬件设计以单片机作为主体，设计外围电路来实现传感器信号和通信信号的调理和传输，主要包括数据采集模块和机舱传感器这两个方面。

船舶智能终端

温度传感器

数据采集模块

CAN

压力传感器

转速传感器

图3-1 采集系统硬件结构

(1)器件选择：通过选择合适的传感器来采集机舱动力系统的参数，包括温度传感器，压力传感器，转速传感器，选择合适的方法开发船端数据显示模块，并将驾驶台设备的信号接入数据采集模块，基于这些传输信号和适用环境，选择一款合适的单片机用于数据采集模块的信号采集和处理；

(2)单片机最小电路系统：为了保证单片机正常工作，设计最小电路系统，包括电源电路、晶振电路、复位电路和JTAG电路；

(3)外围电路设计：根据选用的器件信号输出类型设计外围电路，包括AD采集电路和CAN通信电路。

3.2 模块器件选型

3.2.1 传感器

传感器是采集系统中重要的部件，用于采集机舱动力系统的参数，包括温度、压力和转速，并将采集到的物理信号转换为电信号，再通过电信号传输至单片机的外围电路，实现数据的采集。传感器的选择根据在海巡艇上所调研的数据和其自身的性能决定，海巡艇所调研的数据如图3-2和图3-3所示。

图3-2 海巡艇上机舱主机的各个参数

图3-3 海巡艇上机舱发电机的各个参数

3.2.1.1 温度传感器

通过在海巡艇上的调研，了解到海巡艇上主要测量温度有主机的机油出口温度、淡水出口温度、齿轮箱的机油温度、发电原动机的机油温度和冷却水温度。其范围是70℃-80℃。温度传感器选用型号为TS200D，选用的传感器的传感芯片为pt200铂热电阻，，抗干扰性好，稳定性高。具体参数如表3-1所示，实物图如图3-4所示。

温度传感器的测量原理为：因为导体或者半导体随着温度的变化，其本身的电阻值也会相应的发生变化，因此可以利用这个性质通过测量导体或者半导体的电阻值的变化来间接的达到测量温度的变化。

表3-1 温度传感器参数

型号 TS200D

输出信号 电阻信号

精度 ±2.5%

量程 -40℃-850℃

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