SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol. 41, No. 6AJun. , 2019
单片机在设备信号采集与分析处理系统中的应用
孙 瑞1，何世贤2
(1. 河北机电职业技术学院，河北 邢台 054000；2. 廊坊职业技术学院，河北 廊坊 065000)
摘 要: 为了提高船舶设备的使用质量，延长船舶设备使用寿命，有必要对船舶设备的信号采集、分析和处
理过程进行系统研究。船舶设备信号包括电路信号、模拟量信号、声音信号和振动信号等，本文研究的对象是船舶设备的振动信号和噪声信号采集和分析，主要是因为这2种信号与船舶设备的运行状态息息相关，可以快速反映船舶设备的运行工况。本文介绍了基于单片机的船舶设备信号采集系统的基本框架，设计了船舶设备信号采集与处理系统的硬件电路和软件流程，对改善船舶设备的信号采集与分析能力，提高船舶设备故障诊断与监控水平有一定的作用。
关键词：单片机；信号采集；故障诊断；电路设计中图分类号：U665.3 文献标识码：A
文章编号： 1672 – 7649(2019)6A – 0151 – 03 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2019.6A.051
Application of microcomputer in signal acquisition and
analysis processing system of marine equipment
SUN Rui1, HE Shi-xian2
(1. Hebei Institute of Machinery and Electricity, Xingtai 054000, China; 2. Langfang Polytechnic Institute, Langfang 065000, China)
Abstract: In order to improve the quality of ship equipment and prolong the service life of ship equipment, it is neces-sary to systematically study the signal acquisition, analysis and processing process of ship equipment. The signal of shipequipment includes circuit signal, analog signal, sound signal and vibration signal, etc. The object of this paper is the acquisi-tion and analysis of vibration signal and noise signal of ship equipment, mainly because these two signals are closely relatedto the operation status of ship equipment, and can quickly reflect the operation status of ship equipment. This paper intro-duces the basic framework of signal acquisition system for ship equipment based on single-chip computer, designs the hard-ware circuit and software flow of signal acquisition and processing system for ship equipment, which can improve the abilityof signal acquisition and analysis of ship equipment and improve the level of fault diagnosis and monitoring of ship equip-ment.
Key words: single chip computer；signal acquisition；fault diagnosis；circuit design
0 引 言
船舶的自动化发展离不开自动化设备的支持，随着控制技术和机械技术的不断发展，船载设备的自动化设备的数量和质量不断提高，比如大型起重机械、汽轮机、船舶发电机、动力设备、监控设备、导航仪、通信设备等，这些设备的安全、稳定、长寿命运行对于船舶的正常运行具有重要的意义。随着船载设计自动化程度的提高，设备的结构变得更加复杂，一
方面提高了船舶的运行水平，另一方面也为船舶设备的正常运行留下了安全隐患。
为保证船舶设备的安全运行，船舶行业普遍采用的是“状态预先维修”体制，即对船舶设备的运行状况进行监测，防止出现设备出现故障。为了提高传统船舶设备监控系统的准确度和精度，本文基于单片机，设计了船舶设备的信号采集和分析处理系统，并详细介绍了该系统的电路设计和工作原理。
收稿日期: 2019 – 04 – 02
基金项目: 邢台市科技支撑计划项目(2018ZC026)
作者简介: 孙瑞(1986 – )，女，硕士，讲师，主要从事信息与通信技术及物联网技术方面研究。
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舰 船 科 学 技 术第 41 卷
1 基于单片机的船舶设备信号采集系统基本框架
船舶设备在出现故障等情况下，会产生特殊的振动信号、电信号和声音信号等，因此，通过采集船舶设备的异常信号，可以实现船舶设备的运行监测。
本文设计的船舶设备信号采集与处理系统基本框架如图1所示。
图 1 船舶设备信号采集与处理系统基本框架图Fig. 1 Basic framework of ship equipment signal acquisition and
processing system
在船舶设备信号采集与处理系统中，船舶设备传感器采集的信号是模拟信号，必须要通过A/D转换和多路采集，而船舶电机等设备本身采用的是数字脉冲信号，直接通过电平信号控制和信号处理单元，最终进入单片机，完成信号的分析和处理。
单片机是一种集成电路芯片，它将具有数据处理能力的处理器CPU、随机存储器、只读存储器、I/O端口、定时器等硬件集成在电路板上，形成一个微小的计算机系统，具有显示驱动电路功能、信号调制、多路转换等功能，本文在船舶设备信号采集系统中使用的单片机包含25个引脚，按照引脚的性质和功能可分为：连接数据寄存器引脚、连接状态寄存器引脚和连接控制寄存器引脚[1]
。
该单片机集成系统的设计原则包括：
1）尽量采用单片机的常规电路，以便于后续硬件通信的标准化。
2）集成系统具有良好的可扩展性，能够满足外围传感器设备的接口需求，也可以提高单片机系统的通用性。
3）与单片机硬件结构相对应的，其软件程序方案需要合理的设计，比如信号显示、进程监测等功能，软件程序与硬件结构具有相辅相成的效果，完善的软件程序可以简化系统的硬件结构。
4）单片机系统的硬件匹配程度决定了整个船舶设备信号采集与处理系统的性能优劣，如随机存储器RAM，需要选择存取速度较快的芯片，且芯片的功耗也是需要重点考虑的内容。
5）单片机系统的可靠性设计原则也非常重要，在该船舶设备信号采集与处理系统中，芯片、集成电路较复杂，且易受船舶工作环境的干扰，因此，必须要提高该系统的可靠性。
6）单片机系统在设计时需要考虑其冗余设计原则，当某一零部件发生故障时，单片机系统的冗余部件被激活，保障整个系统的持续工作。
2 船舶设备信号采集与处理系统的电路设计
2.1 开关量采集电路设计
在船舶设备信号采集系统中，某些微控制器组成的控制系统中含有大量的行程开关等触点输入回路，
利用开关的通断产生电平信号，从而反映机电设备的工作状态。因此，在船舶设备信号采集与处理系统中，需要设计相应的开关量采集电路。图2为该系统中开关量采集电路图。
图 2 单片机系统的开关量采集电路
Fig. 2 On-off acquisition circuit of single-chip computer system
图中，电阻R1，R2的电阻值必须满足下级元件的电平需求；V1，V2分别为电路中正向阈值电压[2]和反向阈值电压，V1=1.6 V，V2=1.69 V。
当开关电路处于断开时，采集电路中A点的电压如下式：
VA=V1=1.6V,
当开关电路处于闭合状态时，A点电压如下式：
VA=
R1
RV1+R2
1=0.96。
2.2 信号采集与处理系统的硬件设计与工作流程
在本文设计的基于单片机的船舶设备信号采集与处理系统中，单片机为系统的主控制器，主控制器与MEMS传感器的连接采用SPI接口连接[3]，并通过逻辑电路控制传感器的工作，SPI接口采用4线式配置，确保控制信号的传输效果。
该船舶设备信号采集与处理系统的硬件原理如图3所示。
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孙 瑞，等：单片机在设备信号采集与分析处理系统中的应用
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图 3 船舶设备信号采集与处理系统的硬件原理Fig. 3 Hardware principle of signal acquisition and processing
system for ship equipment
图中，主控单元单片机是该系统的核心，通过分析船舶设备信号的类型和数量，本文选取了Atmel公司89c51单片机作为控制中心[4]，该类型单片机的技术指标如下：
1）具有4 K字节的FLASH存储，128 kB的随机存储器RAM；
2）时钟电路有12种操作类型，利用软件程序和
并行编程器可控制6个时钟电路；
3）单片机存储器寻址范围为：临时存储器ROM具有64 K字节，随机存储器RAM具有128 K字节；
4）单片机包含三种电源控制模式：掉电模式、空闲模式和启停机模式；
5）包含8个8位I/0端口和25个引脚，以及3个8位定时器[5]；
6）具有自动地址识别功能和可编程时钟输出。该基于单片机的船舶设备信号采集与处理系统工作流程图如图4所示。
3 结 语
船舶机械设备和自动化设备数量众多，为了提高船舶设备的可靠性，降低船舶设备故障造成的损失和破坏，本文针对船舶设备的信号采集问题，设计了一
图 4 船舶设备信号采集与处理系统工作流程图Fig. 4 Workflow diagram of signal acquisition and processing
system for ship equipment
种基于单片机的信号采集与分析系统，并对该系统的硬件结构和电路等进行详细的介绍。
参考文献：
[1]李鹤鸣, 王厚华. 基于单片机的船舶设备信号采集及处理系
统[J]. 船海工程, 2007, 36(6): 35–38.
[2]Weidong Z. 基于FMEA的船舶设备故障信息处理系统[J].
计算机与现代化, 2012(5): 172–177.
[3]王从国. 有关船舶机械设备维修保养中的常见故障与排除技
术分析[J]. 中国科技纵横, 2013(4): 63–64.
[4]汪玮, 梁振臣, 周峰, 等. 浅谈船舶柴油机设备的磨损故障诊
断与研究[J]. 工业设计, 2016(8): 136–137.
[5]张卫国. 船舶液压设备故障分析与排除[J]. 世界海运, 2009,
32(4): 54–55.
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