專利名稱：嵌入式船舶電站管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種嵌入式船舶電站管理系統(tǒng)，在船舶電站運(yùn)行中用于數(shù)據(jù)采集、準(zhǔn)
同步合閘、發(fā)電機(jī)組狀態(tài)控制和報(bào)警保護(hù)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代船舶的發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)設(shè)備越來越復(fù)雜，對(duì)船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求也越來越高。當(dāng)前，國內(nèi)幾乎全都采用國外電站管理模塊，或者采用PLC自行研發(fā)船舶電站管理系統(tǒng)。國外產(chǎn)品的優(yōu)勢是安裝調(diào)試方便，但調(diào)速較快，不適合國內(nèi)大多數(shù)船舶使用的普通發(fā)電機(jī)機(jī)組，而且價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用也較高。PLC自行研發(fā)電站管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)是構(gòu)造比較復(fù)雜，需要較多的外圍電路，接線端較多，這在空間相對(duì)狹小的船艙中調(diào)試維護(hù)不方便。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種嵌入式船舶電站管理系統(tǒng)，集船舶電站數(shù)據(jù)采集和分析處理、準(zhǔn)同步合閘和電站控制、通信和報(bào)警、保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控于一體。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是各機(jī)組的電壓互感信號(hào)、電流互感信號(hào)和匯流排的電壓互感信號(hào)、電流互感信號(hào)經(jīng)依次連接的信號(hào)輸入模塊、選擇開關(guān)和信號(hào)調(diào)理模塊輸出，信號(hào)調(diào)理模塊的輸出接電能計(jì)量芯片，電能計(jì)量芯片的數(shù)據(jù)經(jīng)過光耦輸入綜合管理控制ARM處理器，綜合管理控制ARM處理器分別與準(zhǔn)同步合閘ARM處理器、人機(jī)界面模塊、CAN通信模塊、RS232總線通信模塊、外存儲(chǔ)器及第一看門狗連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換，準(zhǔn)同步合閘ARM處理器連接第二看門狗且控制與其連接的合閘信號(hào)輸出，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電能；信號(hào)輸入模塊將輸入信號(hào)進(jìn)行電壓匹配；選擇開關(guān)和信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行信號(hào)通道選擇和信號(hào)調(diào)理；電能計(jì)量芯片對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算；綜合管理控制ARM處理器根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果判斷電站運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出各種控制指令和報(bào)警信息，協(xié)調(diào)各模塊工作，并與各外圍器件進(jìn)行通信；準(zhǔn)同步合閘ARM處理器在收到啟動(dòng)信號(hào)后完成對(duì)待并電機(jī)的準(zhǔn)同步合閘；電源模塊由匯流排和船用蓄電池供電，兩者采用自動(dòng)切換；人機(jī)界面模塊顯示各種實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，或輸入修改各種參數(shù)設(shè)定值；CAN通信模塊和RS232總線通信模塊與上微機(jī)保持通信。 本發(fā)明的有益效果是 1、使用專用電能芯片，既實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓、功率等參數(shù)的計(jì)算處理。針對(duì)船舶電站工作環(huán)境的特點(diǎn)，采用抗混疊低通濾波方式抑制共模和差模干擾，實(shí)時(shí)性好、體積較小、外圍電路簡單，適應(yīng)各種發(fā)電機(jī)組調(diào)速裝置。 2、采用兩個(gè)嵌入式ARM微處理器分別完成電站控制與準(zhǔn)同期合閘判斷功能，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 圖1是發(fā)明總體結(jié)構(gòu)連接圖； 圖2是圖1中信號(hào)輸入模塊1電氣原理圖； 圖3是圖1中信號(hào)調(diào)理模塊3和選擇開關(guān)2電氣原理圖； 圖4是圖1中數(shù)據(jù)處理模塊4和光耦5電氣原理圖； 圖5是圖1中綜合管理模塊芯片6電氣原理圖； 圖6是圖1中外存儲(chǔ)器11和第一看門狗12電氣原理圖； 圖7是圖1中準(zhǔn)同步合閘模塊7和第二外部看門狗13電氣原理圖； 圖8是圖1中人機(jī)界面模塊8的電氣原理圖； 圖9是圖1中CAN通信模塊10電氣原理圖； 圖10是圖1中RS232總線通信模塊9電氣原理圖； 圖11是圖1中柴油機(jī)組控制信號(hào)輸出部分14電氣原理圖； 圖12是圖1中合閘信號(hào)輸出15電氣原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的輸入信號(hào)為各機(jī)組的電壓互感信號(hào)、電流互感信號(hào)和匯流排的電壓互感信號(hào)、電流互感信號(hào)；有1 3號(hào)機(jī)組八路輸入信號(hào)經(jīng)依次連接的信號(hào)輸入模塊1、選擇開關(guān)2和信號(hào)調(diào)理模塊3后，接至電能計(jì)量芯片4。數(shù)據(jù)經(jīng)過光耦5送至綜合管理控制ARM處理器6，綜合管理控制ARM處理器6與準(zhǔn)同步合閘ARM處理器7、人機(jī)界面模塊8、CAN通信模塊10、RS232總線通信模塊9、外存儲(chǔ)器11及第一看門狗12連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換。綜合管理控制ARM處理器6控制與其連接的柴油機(jī)組控制信號(hào)輸出14，準(zhǔn)同步合閘ARM處理器7連接第二看門狗13，并控制與其連接的合閘信號(hào)輸出15。電源模塊16連接上述各部分，為整個(gè)系統(tǒng)提供電能。 如圖2所示，本發(fā)明的1號(hào)機(jī)電壓信號(hào)接到電阻Rl， Rl輸出端經(jīng)電容Cl接地，輸出端與芯片U5的13腳連接。1號(hào)機(jī)電流信號(hào)經(jīng)電阻R3與芯片Ul的1腳連接，芯片Ul的輸出端4腳與芯片U5的14腳連接，經(jīng)電容C3與地連接，同時(shí)4腳經(jīng)二極管Dl和電阻R2與1腳相連。2、3腳相連后經(jīng)電阻R5接地。2、3號(hào)電機(jī)和匯流排的輸入信號(hào)連接方式與此相同，在這里就不再重復(fù)。它們的輸出信號(hào)依次與芯片U5的15、12、1、5、2、4腳相連。
如圖3所示，本發(fā)明的芯片U5的6、7、8腳直接接地，9、10、11腳與芯片U9的9、10、11腳連接。芯片Ul的輸出端3腳與芯片U6的8腳連接，芯片U6的1腳經(jīng)CO接地，6腳直接接地，7、2腳分別接正負(fù)5伏的電源5腳作為輸出端與芯片U7的5腳相連。
如圖4所示，本發(fā)明的芯片U7的6腳經(jīng)電阻R21和電容C13的并聯(lián)結(jié)構(gòu)后與地連接，7、8腳連接方式與此相同，分別經(jīng)電阻R22、電容C14和電阻R23、電容C15后接地。10腳經(jīng)電容C16接地，另一端與VDD連接。20腳經(jīng)電阻R24與13腳相連，17腳和18腳經(jīng)電容C18、 C17并聯(lián)晶振XT3。 22腳連接光耦芯片U8的3腳相連，其5腳接地，芯片U8的2、6、7、8腳連接與VCC，6腳作為芯片U8輸出端與芯片U9的83腳相連。
如圖5、6所示，本發(fā)明的RAM芯片U10的地址線1 5腳、18 27腳、43、44腳分別與U9的88、87、81、80、74 71、66 62、26、55、53、48、47腳連接；芯片U10數(shù)據(jù)線7 10、13 16、29 32、35 38腳分別與U9的98、 105、 106、 108、 109、 114 118、124、125、127、129、130腳連線，芯片U10的11、33腳接+3. 3V電源，12、34腳接地。外看門狗芯片Ull的1、5、6、7分別于芯片U9的69、68、59、135腳相連。芯片Ull的2腳經(jīng)電阻R28與芯片U9的61腳連接，4腳經(jīng)電容C21與3腳連于VCC。芯片U9的42、49腳與芯片U21的11、12腳連接；芯片U9的131 134、136、137、1、10腳分別與芯片U17的23 28、1、2腳連接；芯片U17的控制引腳4、5、6、16、17腳分別于芯片U9的40、85、5、33、 121腳相連；芯片U9的I2C 口引腳50、58腳與芯片U15的12、11腳接連；芯片U9的SPI通信口 101U22腳與U12的47、53腳連接。芯片U9的141、 142腳經(jīng)電容C19、C20與晶振XT1兩端連接；芯片U9的144腳經(jīng)發(fā)光二極管LED5、電阻R25接與電源；芯片U9的21腳經(jīng)R27接于三極管Ql的基極上，三極管Ql的發(fā)射極接蜂鳴器，集電極經(jīng)LED7和電阻R26接于VCC ;芯片U9的6、25、32、33腳與三八譯碼器U24、U25的3、2、1腳相連，芯片U9的6腳與U24的觸發(fā)端6腳相連，芯片U9的8腳與芯片U25的觸發(fā)端6腳相連。 如圖7所示，本發(fā)明的綜合管理控制ARM處理器6的芯片U12的27 30、57腳連接于第一看門狗12的芯U13的6、1、2、5腳，U12的3、5腳經(jīng)電容C30和C31與晶振XT2相連接。U12的10、11、21、33、、34腳作為合閘狀態(tài)指示輸出端，分別與LED5、 LED1、 LED2、LED3、 LED4這5個(gè)發(fā)光二極管連接，5個(gè)發(fā)光二極管經(jīng)電阻R30 R34與電源端相連。U12的13 16腳控制合閘信號(hào)輸出，分別直接與芯片U38的3、2、1、6腳相連接。
如圖8所示，本發(fā)明的液晶控制器U16的數(shù)據(jù)線DBO DB7與單片機(jī)U15的1、2、、13、14、15、16、27、28腳連接，控制信號(hào)RES、 RS、 WR、 RD分別與U15的5、4、9、8腳相連;U15的3、25、26腳與U14的9、7、6腳連接，U14的1 4、10 13腳與按鍵SW1 SW9相連，按鍵SW1 SW9分別經(jīng)電阻R38 R46與電源連接。 如圖9所示，本發(fā)明的CAN通信芯片U17的14腳經(jīng)R47與U18的3腳相連，U17的19、20腳與U19的6、7腳相連;U17其它引腳與U9相連，前面已描述，這里就不再重復(fù)。U19的6， 7腳接CANH和CANL信號(hào)，分別經(jīng)C23、穩(wěn)壓二極管VS1和C24、穩(wěn)壓二極管VS2接地。
如圖10所示，本發(fā)明的RS232總線通信芯片U21負(fù)責(zé)單片機(jī)與上微機(jī)的電平轉(zhuǎn)換，將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。U21的1腳經(jīng)C26與3腳連接，4腳經(jīng)C28與5腳連接，2和16腳分別經(jīng)電容C25、 C26與VCC連接，6腳經(jīng)電容C29連接于地，11禾P 12腳與U9的42、49腳相連，13腳經(jīng)過電阻R58與U23芯片的3腳連接，U23的6腳作為輸出端連接于DB9的3號(hào)口 ；同理U21的14腳送出的信號(hào)經(jīng)過光耦U22，與DB9的2腳連接。
如圖11所示，本發(fā)明的1號(hào)機(jī)增速信號(hào)發(fā)出電路的光耦U26的3腳經(jīng)R60接于譯碼器U24的14腳，U26的輸出端6腳經(jīng)R61連接于三極管Q2的基極，Q2的發(fā)射極接地，集電極經(jīng)電阻R62接于電源，集電極經(jīng)電容C32接外部負(fù)載。l號(hào)機(jī)組的減速、升壓、降壓信號(hào)輸出的結(jié)構(gòu)與原理完全與1號(hào)機(jī)組增速相同，其余兩臺(tái)機(jī)組的情況也類似。
如圖ll所示，本發(fā)明的1號(hào)機(jī)組合閘信號(hào)由U12發(fā)出后，由U38的14腳經(jīng)R109傳給光耦U39的3腳，U39的6腳經(jīng)R110送到Q14的基極，Q14的發(fā)射極接地，集電極一面經(jīng)R111接電源，另一面經(jīng)電容C44與負(fù)載連接。其余兩臺(tái)機(jī)組合閘信號(hào)的原理和相關(guān)電路完全相同。 本發(fā)明采用嵌入式設(shè)計(jì)方案，信號(hào)輸入模塊1將輸入信號(hào)進(jìn)行電壓匹配、選擇開關(guān)2和信號(hào)調(diào)理模塊3進(jìn)行信號(hào)通道選擇和信號(hào)調(diào)理，電能計(jì)量芯片4對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算；綜合管理控制ARM處理器6根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果判斷電站運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出各種控制指令和報(bào)警信息，協(xié)調(diào)各模塊工作，并與各外圍器件進(jìn)行通信；準(zhǔn)同步合閘ARM處理器7在收到啟動(dòng)信號(hào)后完成對(duì)待并電機(jī)的準(zhǔn)同步合閘；電源模塊16由匯流排和船用蓄電池供電，兩者自動(dòng)切換為無間隙切換；人機(jī)界面模塊8顯示各種實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，或輸入修改各種參數(shù)設(shè)定值。系統(tǒng)通過CAN通信模塊10和RS232總線通信模塊9與上微機(jī)保持通信。
權(quán)利要求
一種嵌入式船舶電站管理系統(tǒng)，其特征是各機(jī)組的電壓互感信號(hào)、電流互感信號(hào)和匯流排的電壓互感信號(hào)、電流互感信號(hào)經(jīng)依次連接的信號(hào)輸入模塊(1)、選擇開關(guān)(2)和信號(hào)調(diào)理模塊(3)輸出，信號(hào)調(diào)理模塊(3)的輸出接電能計(jì)量芯片(4)，電能計(jì)量芯片(4)的數(shù)據(jù)經(jīng)過光耦(5)輸入綜合管理控制ARM處理器(6)，綜合管理控制ARM處理器(6)分別與準(zhǔn)同步合閘ARM處理器(7)、人機(jī)界面模塊(8)、CAN通信模塊(10)、RS232總線通信模塊(9)、外存儲(chǔ)器(11)及第一看門狗(12)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換，準(zhǔn)同步合閘ARM處理器(7)連接第二看門狗(13)且控制與其連接的合閘信號(hào)輸出(15)，電源模塊(16)為整個(gè)系統(tǒng)提供電能；信號(hào)輸入模塊(1)將輸入信號(hào)進(jìn)行電壓匹配；選擇開關(guān)(2)和信號(hào)調(diào)理模塊(3)進(jìn)行信號(hào)通道選擇和信號(hào)調(diào)理；電能計(jì)量芯片(4)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算；綜合管理控制ARM處理器(6)根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果判斷電站運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出各種控制指令和報(bào)警信息，協(xié)調(diào)各模塊工作，并與各外圍器件進(jìn)行通信；準(zhǔn)同步合閘ARM處理器(7)在收到啟動(dòng)信號(hào)后完成對(duì)待并電機(jī)的準(zhǔn)同步合閘；電源模塊(16)由匯流排和船用蓄電池供電，兩者采用自動(dòng)切換；人機(jī)界面模塊(8)顯示各種實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，或輸入修改各種參數(shù)設(shè)定值；CAN通信模塊(10)和RS232總線通信模塊(9)與上微機(jī)保持通信。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式船舶電站管理系統(tǒng)，其特征是信號(hào)輸入模塊(1)包括電壓信號(hào)輸入接到電阻(Rl)，電阻(Rl)輸出端經(jīng)電容(Cl)接地，輸出端與芯片(U5)的13腳連接；電流信號(hào)輸入經(jīng)電阻(R3)與芯片(Ul)的l腳連接，芯片(Ul)的輸出端4腳與芯片(U5)的14腳連接，經(jīng)電容(C3)與地連接，同時(shí)4腳經(jīng)二極管(Dl)和電阻(R2)與1腳相連，2、3腳相連后經(jīng)電阻(R5)接地；輸出信號(hào)依次與芯片(U5)的15U2、l、5、2、4腳相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式船舶電站管理系統(tǒng)，其特征是選擇開關(guān)(2)和信號(hào)調(diào)理模塊(3)的芯片(U5)的6、7、8腳接地，9、10、11腳與芯片(U9)的9、 10、 11腳連接，芯片(Ul)的輸出端3腳與芯片U6的8腳連接，芯片(U6)的1腳經(jīng)C0接地，6腳接地，7、2腳分別接正負(fù)5伏的電源5腳作為輸出端與芯片(U7)的5腳相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式船舶電站管理系統(tǒng)，其特征是數(shù)據(jù)處理模塊(4)和光耦(5)的芯片(U7)的6腳經(jīng)電阻(R21)和電容(C13)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)后與地連接，7、8腳連接方式與此相同，分別經(jīng)電阻(R22)、電容(C14)和電阻(R23)、電容(C15)后接地，10腳經(jīng)電容(C16)接地，另一端與VDD連接，20腳經(jīng)電阻(R24)與13腳相連，17腳和18腳經(jīng)電容(C18、C17)并聯(lián)晶振XT3，22腳連接光耦芯片(U8)的3腳相連，其5腳接地，芯片(U8)的2、6、7、8腳連接與VCC，6腳作為芯片(U8)輸出端與芯片(U9)的83腳相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式船舶電站管理系統(tǒng)，其特征是綜合管理模塊芯片(6)、外存儲(chǔ)器(11)和第一看門狗(12)包括RAM芯片(U10)的地址線1 5腳、18 27腳、43、44腳分別與芯片(U9)的88、87、81、80、74 71、66 62、26、55、53、48、47腳連接;芯片(U10)數(shù)據(jù)線7 10、 13 16、29 32、35 38腳分別與芯片(U9)的98、 105、 106、108、109、114 118、124、125、127、129、130腳連線，芯片(U10)的11、33腳接+3. 3V電源，12、34腳接地，第一外看門狗(12)芯片(U11)的1、，，5、6、7分別于芯片(U9)的69、68、59、`135腳相連；芯片(Ull)的2腳經(jīng)電阻(R28)與芯片(U9)的61腳連接，4腳經(jīng)電容(C21)與3腳連于VCC;芯片(U9)的42、49腳與芯片(U21)的11、12腳連接；芯片(U9)的131 `134、136、137、1、10腳分別與芯片(U17)的23 28、 1、2腳連接；芯片(U17)的控制引腳4、`5、6、16、17腳分別于芯片(U9)的40、85、5、33、121腳相連；芯片(U9)的I2C 口引腳50、58腳與芯片(U15)的12、11腳接連；芯片(U9)的SPI通信口 101、122腳與芯片(U12)的47、53腳連接，芯片(U9)的141、 142腳經(jīng)電容(C19、 C20)與晶振XT1兩端連接；芯片(U9)的144腳經(jīng)發(fā)光二極管(LED5)、電阻(R25)接與電源；芯片(U9)的21腳經(jīng)電阻(R27)接于三極管(Ql)的基極上，三極管(Ql)的發(fā)射極接蜂鳴器，集電極經(jīng)發(fā)光二極管(LED7)和電阻(R26)接于VCC;芯片(U9)的6、25、32、33腳與三八譯碼器(U24、U25)的3、2、1腳相連，芯片(U9)的6腳與芯片(U24)的觸發(fā)端6腳相連，芯片(U9)的8腳與芯片(U25)的觸發(fā)端6腳相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種船舶電站運(yùn)行中用于數(shù)據(jù)采集、準(zhǔn)同步合閘、發(fā)電機(jī)組狀態(tài)控制和報(bào)警保護(hù)的嵌入式船舶電站管理系統(tǒng)，信號(hào)經(jīng)依次連接的信號(hào)輸入模塊、選擇開關(guān)和信號(hào)調(diào)理模塊輸出，信號(hào)調(diào)理模塊的輸出接電能計(jì)量芯片，經(jīng)過光耦輸出到分別與準(zhǔn)同步合閘ARM處理器、人機(jī)界面模塊、CAN通信模塊、RS232總線通信模塊、外存儲(chǔ)器及第一看門狗連接的綜合管理控制ARM處理器，準(zhǔn)同步合閘ARM處理器連接第二看門狗且控制與其連接的合閘信號(hào)輸出；本發(fā)明可提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓、功率等參數(shù)的計(jì)算處理；實(shí)時(shí)性好、體積較小、外圍電路簡單，適應(yīng)各種發(fā)電機(jī)組調(diào)速裝置。
文檔編號(hào)H02J3/01GK101741141SQ20091023256
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者劉漢宇, 劉維亭, 張冰, 朱志宇, 王敏, 邱赟, 黃巧亮 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)