随着世界经济的迅猛发展，我们的生活环境越来越差，自然资源也是逐渐短缺。世界经济的发展过程中，环境资源问题变得越来越重要。因此，对于每一个国家来说，节能减排具在目前来看拥有十分重要的战略位置。交通运输业在节能减排上是一个很重要的方面，因为全球很大部分的能源都用在了交通运输商，该行业的经济效益与其有着很密切的联系。我国的河流数量众多，据统计，天然河流就达5800多条，还存在着数量不少的人工河流，所以我国的内河航运自然条件十分优越，航运与贸易在全球我国都是排行非常靠前的。但是任何行业都是有着竞争的，尤其在当前高速公路以及高铁甚至航空运输的冲击下，物流运输的成本不断下跌。同时，由于世界石油资源的日益减少，燃油成本不断上涨，使得油料成本在船运总成本中所占的比例逐渐增大，其造成的后果是航运公司面临着越来越大的经济压力。据调查研究表明，在装载重量和船舶运输路线条件一致的情况下,不同的航行速度，所消耗的燃油数量有着明显的不同，因此，如何有效的监测船舶运行的状态，实现船舶燃油消耗管理就成为了船运公司亟需解决的问题。

目前，船舶企业通常采用降低船速节省燃料，通过大量实践验证，这种做法虽然起到了一定的节约燃油的目标，但同时也有不足之处。没有实时准确的数据，仅仅依靠船员驾驶船舶的经验，很难达到长期有效的节能效果而且无法进行大规模的推广，因为有经验的船员不是一日练就的，因此几乎无法达到理想的效果。因此，通过有效的科学的方法，利用理论和实践，选择船舶合理的运行速度成为重要的目标。

现场可编程门阵列(FPGA)的出现，是一项研究前景及发展潜力都十分巨大的技术。可以修改的硬件编程语言，高集成性的特点，同时其开发的周期较短，并且具有高速低功耗的特点，都决定了FPGA必然会崛起的趋势。当前，在高速运行中的物体的信号采集研究和相关算法的的处理都比较成熟，不过，还需要对实现方案做更加详细的研究。

本文对基于FPGA的船舶主机运行状态的数据收集、处理以及燃油监测系统进行了相关研究，通过FPGA作为系统的控制以及处理核心，结合数字频率计以及传感器，设计并实现了一个多通道数据采集器，用来采集船舶主机运行状态数据并及时反馈处理，此系统可以应用于船舶、航运等交通信号处理领域，同时统计出来的信号数据可以用于节能减排以及船舶公司对于每条船的一个监测管理，在这些领域的价值和应用前景都是十分可观的。

国内外研究现状分析：

随着传统能源消费量的迅猛增长，带来了一系列的问题，包括能源短缺，经济发展，环境污染等各个领域的问题，而这些问题无疑给一些航海运输业较为发达的国家造成了极大的困扰。目前，国际上许多大的船舶运营公司已经着手研发出了集成度较高的船舶运行状态监测系统，但由于多方面原因从而导致推广受限。随着市场需求逐渐扩大，越来越多的高科技被运用到船舶运行参数以及航行状态的监测当中。国内燃油监测技术主要运用于汽车行业，船舶领域方面的产品很少。船舶燃油监测系统需要采集的船舶信号主要包括GPS发回的船舶地理位置(经纬度)、船舶运行速度和方向，主机转速和油耗信息，油箱液位信息等。可以通过使用各种类型的传感器，实现对信号的精确测量。目前设计的这类型的采集装置或者系统基本上都是运用的单片机或者ARM进行的，但是利用FPGA可以有比较好的优势。

在高速数据采集方面，FPGA有十分明显的优势。FPGA时钟频率高，内部时延小；全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高。适于大数据量的高速传输控制；组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口电路。FPGA实现数字信号处理最显著的特点就是高速性能好。以软件方式控制操作和运算的系统速度显然无法与纯硬件系统相比，因为软件是通过顺序执行指令的方式来完成控制和运算步骤的，而用 Verilog语言描述的系统是以并行方式工作的。所以说利用FPGA设计船舶主机运行状态及燃油消耗监测的系统是十分具有创新性的。

2. 研究的基本内容与方案

本次研究设计的主要内容是：基于FPGA技术设计传播机舱数据采集器，它是船舶在线监测系统的子系统，它装载在营运船舶机舱内采集船舶燃油存量以及主机燃油消耗以及船舶主机运行状态等信息。设计的数据采集器的要求：两路16位模拟量（测量两个油柜液位）；两路开关量（测量频率，分别采集两台主机转速）；一路开关量（累计计数，测量油柜驳油量）；然后完成数据采集并组帧通过RS485（或RS232）接口上传。对于本次设计项目，数据采集主要包括模拟信号和数字信号的采集，本文主要研究对船舶主机运行状态数据及燃油消耗数据的采集，主要采集主机转速数据和主机进回油流量数据，通过传感器检测输出后为方波信号，通过信号调理电路进行电平转换可得数字脉冲信号，故属于数字信号的采集。本系统主要由传感器、信号调理电路、FPGA中心控制模块和RS485接口部分组成。其中FPGA中心控制模块包括对数字脉冲信号的测频、计数和存储，接口部分主要完成对FPGA和RS485总线的接口设计。图1即为本文船舶主机运行状态数据采集系统框图：

图1 船舶主机运行状态数据采集系统框图

整个系统结构框图由电压电流信号调理模块、脉冲信号调理模块、模拟开关模块、AD转换模块、RS485串口模块、GPRS数据传输模块和FPGA中心数据处理模块组成。