（控制理论与控制工程专业论文）船舶燃油消耗状况实时远程监测系统的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 船舶燃油消耗是航运企业最主要成本之一，特别是近年来世界原油市场价 格上涨，船东及租船人对燃油费用越来越关注。由于管理需要，船舶要定期向 航运公司报告存油量和消耗油量，但受人为因素影响，有时会出现少测量或不 测量而结算，或故意多报、少报等做法。船舶油耗如果人为进行测定，既不能 保证数据的实时性，也不能确保数据的精确性。 本文首先分析了国内外远程抄表现状及船舶柴油机仪表现状，以船舶柴油 机油耗为监测对象，开发了船舶燃油消耗状况实时远程监测系统。它以单片机 a t 8 9 s 5 2 为核心，采集显示柴油机的燃油消耗量、测量次数、测量时间等参数， 并将这些数据通过g s m 短信模块发送到岸上的船舶管理公司，及时上报船舶燃 油消耗状况，实现油耗的自动测量和远程监控。 论文重点研究了船舶燃油消耗状况实时远程监测系统的硬件结构和软件流 程。硬件部分具体分析了油耗传感器的选用、频率采集电路、模拟量处理电路、 a d 转换、存储电路、单片机及外围电路、按键、显示电路和通讯接口电路。由 于需要采集多个柴油机的燃油消耗参数，在硬件设计中采用模拟开关对采集通 道进行切换。完成了系统硬件电路焊接、调试，主要硬件电路模块的原理图和 p c b 板设计。软件部分介绍了船舶燃油消耗状况实时远程监测系统的软件设计， 包括主程序流程图、数据采集、按键、显示、存储、短信发送的程序设计，为 了缩短开发周期，采用专门的g s mm o d e m 来完成油耗的小流量数据传输，设 计开发了船岸通信软件，实现了船岸数据传输和共享。 由于船舶柴油机工作环境恶劣，存在各种干扰。论文提出了提高可靠性和 抗干扰能力的措施，主要从硬件和软件两个方面采取措施。硬件抗干扰措施有 选择可靠的元器件、屏蔽、印刷电路板设计；软件抗干扰措施有指令冗余、软 件陷阱等。 最后对系统进行了性能测试，分析了系统试验数据，满足了设计要求。 关键词：柴油机，燃油流量计，单片机，短消息 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef u e lc o n s u m p t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tc o s to fs h i p p i n g e n t e r p r i s e s ， e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s d u et ot h ep r i c e so fc r u d eo i lr i s er a p i d l y , s h i p o w n e r sa n d c h a r t e r e r sp a ym o r ea t t e n t i o no nt h ec o s to ft h es h i p b e c a u s eo fm a n a g e m e n t r e q u i r e m e n t , t h ec o n s u m p t i o no ft h ef u e lm u s tb er e p o r t e dt os h i p p i n gc o m p a n i e s r e g u l a r l y b u tt h em e a s u r e m e n t so ff u e lc o n s u m p t i o nm a yb ei n a c c u r a t ee v e nw i t h o u t m e a s u r e m e n tb e c a u s eo ft h ei m p a c to fh u m a nf a c t o r s t h e r e f o r ei ft h ec o n s u m p t i o n s o ft h es h i pf u e la r em e a s u r e df a c t i t i o u s l y , t h ev e r a c i t yo ft h er e a l t i m ed a t ac a n tb e g u a r a n t e e d i ft h et e s te q u i p m e n t so ff u e la r eo nt h ep a r to ft h ei n s t a l l a t i o n , t h eg s m m o d u l e sa r ei n s t a l l e do nt h et r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t s ，t h e nt h ep r o b l e m sc a l lb e s o l v e d t h ef u e lc o n s u m p t i o nr a t ei sa l li m p o r t a n tt e c h n i c a lp a r a m e t e ro fd i e s e l e n g i n e i nt h i sp a p e rt h er e a l - t i m er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fs h i pf u e lc o n s u m p t i o n , t h ec o a t i g u r a t i o no fh a r d w a r ea n dt h ed e s i g no fs o f t w a r ew a si n t r o d u c e d ，t h et h e o r y a n dc h a r a c t e r i s t i ca l s ow a si n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h es e l e c t i o no ft h ef u e l c o n s u m p t i o ns e n s o r , t h ef r e q u e n c yc o l l e c t i o nc i r c u i t , t h es i m u l a t i o np r o c e s s i n gc i r c u i t ， a dt r a n s m i t t e r , m e m o r yc i r c u i t , s c m ，e r ew a si n t r o d u c e d t h es i m u l a t e ds w i t c hw a s u s e dt os w i t c hc o l l e c t i o nc h a n n e l si no r d e rt oc o l l e c tm u l t i p l ef u e lc o n s u m p t i o n p a r a m e t e r so fd i e s e le n g i n e t h ej o i n t i n ga n dd e b u g g i n go fc i r c u i t s ，t h ed e s i g no f c i r c u i tm o d u l ea n dp c bw e r ec o m p l e t e d a c c o r d i n gt op r a c t i c a ld e m a n d ，t h er i g h t f u e lf l o w - m e t e rw a si n s t a l l e do nt h ep i p e l i n eo fd i e s e l e n g i n e ，t h ef l o w - m e t e r m e a s u r e dt h ef u e lc o n s u m p t i o no fd i e s e le n g i n e ，t h e ne x p o r t e dt h ep u l s es i g n a lb yt h e t r a n s m i t t e r t h es c ma t 8 9 s 5 2p r o c e s s e dt h es i g n a la n dd i s p l a y e dt h ed a t a ，i n c l u d i n g t h et i m eo fm e a s u r e m e n ta n dt h ef u e lc o n s u m p t i o n ，a n dt h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n t o fs h i pf u e lw a sc a r r i e do u t b e c a u s eo ft h ea w f u lc o n d i t i o no f s h i p ，t h ea c c u r a c yo f t h em e a s u r e m e n tm a yb e i n f l u e n c e d t h em e a s u r ew a sp u tf o r w a r di no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dt h e a n t i - j a m m i n ga b i l i 够o ft h em e a s u r e m e n ti nt h i sp a p e r t h em e a s u r ei n c l u d e st w o a s p e c t s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r e a tl a s t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mw a st e s t e d ，t h e r e s u l tm e e tt h er e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；f l o w - m e t e r ；s c m ；g s m n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) 监日期：丝：型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：鬯两篪导师( 签名)研究生( 签名) ：仁：；! ! 查导师( 签名)期缈 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 船舶作为交通运输中运量较大的运输工具，其营运成本中的4 0 - 6 0 为燃油 消耗，而我国的内河运输船舶油耗比国外先进水平高1 0 2 0 。随着内河航运事 业的不断发展，船舶对能源消耗的需求将日益提高，而不可再生的能源却日益 枯竭，燃油短缺已成为制约航运事业发展的一个重要因素i l j 。 近年来世界原油市场价格上涨过快，为了追求企业的最大经济效益，船东 及租船人对燃油费用越来越予以关注。在一些内河船舶运输过程中，由于承运 方很难做到全程跟踪监管，因此运输船船员盗窃船舶燃油等物资的现象屡有发 生。同时，由于船舶燃油管理需要，船舶需定期向航运公司报告存油量和消耗 油量，但受人为因素影响，有时会出现少测量或不测量而结算，或故意多报或 少报等做法，给航运公司带来了一定的经济损失【2 j 。 现代船舶营运对船岸系统的信息共享与管控一体化的期望越来越大，航运 企业的信息交换不能只局限于管理机关内部之间或只限于船舶自身对现场状态 的监视和控制，而是需要向纵向的船岸信息交换( 管理层与生产层) 迈进，形 成一个意义更广泛的监控系统。船舶远程监控系统的需求分析如下： 1 ) 对于单艘船只本身可以通过船舱内部的局域网进行监控，船舶内部数据 传输距离较近、干扰小，采用有线网络可以较好的完成监控。但是船舶与岸基 管理公司的数据通信就无法通过有线网络进行，必须通过无线网络实现。 2 ) 由于运营中的船舶位置移动，数据通信无法采用有线方式，目前比较常 见的远程数据传输方式是通过卫星传输。但卫星的资源有限，在构建网络的同 时往往伴随着较高的采购成本和运行维护费用，比较适合远洋船舶的监测系统 中，对于航行于内河、沿海区域的小吨位船舶来说，一般不采用【3 1 。因此有必要 寻找适合内河船舶的小流量数据传输的通讯方式，既能满足要求，又能降低成本。 1 2 研究的目的与意义 油耗的实船监测对于提高船舶的技术性能和科学管理具有十分重要的意义 武汉理工大学硕士学位论文 和广泛的应用前景。但在实际测试中要避免断开燃油管路、不影响机器正常运 行，同时存在运行工况的不稳定等诸多不利因素制约，柴油机油耗的实船测试 始终是一个难点。 目前，大多内河船舶没有配备能精确计量燃油油量消耗和实现数据存储和 传输的油量测试装置，只能依靠手工进行测量，这种测量方式已不能满足现代 化管理的需要。为了解决这一问题，研究开发自动燃油测量系统，实现测量数 据实时采集、自动传输，使燃油管理工作规范化、科学化，具有重要的实际意 义。 远程抄表技术广泛应用于水利、电力等部门，为了计量和管理对水、电、 气等能源、资源的消费状况，然而在船舶上的应用却非常少。本文在对用户的 实际需求进行调研和分析的基础上，将远程抄表这一技术应用于本系统的设计 中，研制开发了船用柴油机燃油消耗状况监控仪，能准确测量船舶燃油油耗并 及时将信息上报船舶管理公司，实现船用柴油机燃油的有效管理，这对于缓解 能源瓶颈制约，降低船舶营运成本，提高船舶营运的经济效益和社会效益，促 进内河航运可持续发展具有重要的意义。 1 3 国内外研究现状 远程抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，a m r ) 技术，也称自动抄表，自2 0 世纪八十年代中叶诞生于美国后，在世界各地得到了快速的发展。远程抄表就 是通过数据采集器对各种仪表( 如水表、电表、气表、流量表等) 的脉冲进行 计数，将水、电、气、流量等数据及其它相关数据收集，通过一定的通信传输 介质，传送到管理部门，完成统一监控、管理、收费等功能【4 】。 远程抄表系统的出现提高了工作效率和数据的准确性，近几年来随着电子 技术、传感技术、自动控制技术和计算机信息技术以及网络技术的发展，越来 越多的新技术应用于自动抄表系统，降低了设备成本，提高了可靠性、准确性 和抄表效率，展现出非常广阔的应用前景。 运用远程抄表方式设计研制远程抄表系统具有以下的优点1 5 j ： 1 ) 效率高，减少了人为因素带来的诸多不利。 2 ) 可实现实时采集，管理人员随时可读取仪表数据。 3 ) 可实现远程管理控制，可以随时监测仪表运行状况，能及时发现仪表故 2 武汉理工大学硕士学位论文 障，防止偷漏等现象。 4 ) 系统维护方便、升级容易。在以单片机为核心的网络型远程抄表系统的 升级，只需将写入处理器中的程序进行调整，或配以相应的模块即可实现。 1 3 1 国外研究现状 目前许多国家和地区都已广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄表，主 要集中在煤气表、电量表和流量表的自动抄表，特别是煤气抄表己经有几十年 的发展历史。抄表技术的快速发展得益于2 0 世纪8 0 年代计算机技术、超大规 模集成电路( v l s i ) 和通讯技术的高速发展，它们使得a m r 系统在向着智能 化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程中迈出了坚实的一步，达到可以 大规模推广的实用性阶段。 2 0 世纪8 0 年代中期以来，美国在a m r 技术的开发和应用上就已取得了长 足的进步：在科罗拉多州丹佛市，一家公用事业企业( p u b l i cs e r v i c ec o ) 将7 7 万余台电表和6 7 万余台煤气表实现了自动抄表，成为当时美国推广应用量最大 的一家公司；1 9 9 4 年1 0 月美国电世界摘要介绍c h a r t w e l l 公司对北美2 2 个 电力公司和3 1 个产品供应商的调查结果也指出：北美( 主要指美国和加拿大) 在1 9 9 4 年初就已装了3 1 4 0 6 3 块具有自动抄表功能的电度表；安装了1 9 7 3 7 7 个 自动抄表单元；“1 9 9 8s c o t t r e p o r t o n a m r d e p l o y m e n t s ”资料披露，在1 9 9 8 年 度，美国共有7 9 1 项a m r 应用项目，其中约有5 5 0 万台电表实现了自动抄表。 到2 0 0 1 年已经有9 1 百万美元的营业额。而在s c o t t 报告中，截至到2 0 0 3 年1 月，北美已经有4 9 3 1 1 3 7 2 个单位使用自动抄表。 另外，美国于1 9 8 6 年就建立了自动抄表研究协会a m r a ( a u t o m a t i cm e t e r r e a d i i l g a s s o c i a t i o n ) ，每一年半左右开一次国际性年会，每次年会都有专题报道， 旨在进一步发展和推广a m r 技术。近年来欧洲自动抄表技术协会 ( e u r o a m r a ) 和英国自动抄表技术协会( u k a m r a ) 也相继成立。与此同 时，i e c 的t e l 3 和t c 5 7 两大标准化组织在其标准体系中都为a m r 系统制定了 相关的标准。各种形式的a m r 系统，各种新的a m r 技术不断推陈出新，推动 着整个自动抄表技术行业的发展 6 】【丌。 1 3 2 国内研究现状 我国研究远程抄表技术的起步比国外晚，进入2 0 世纪9 0 年代以后，国内 武汉理工大学硕士学位论文 许多研究机构和企业纷纷投入对自动抄表技术的研究，并有多种自动抄表系统 陆续问世，这标志着我国自动抄表技术应用的起步。早期的a m p , 系统主要用于 大电网的电能量考核结算，经过十几年的发展，a m r 技术已经在我国得到了广 泛的应用，各种a m r 技术和系统( 如电力线载波通信技术、智能化计量仪表、 电能量计量收费系统等) 的研究，已成为各a m p , 系统生产企业和科研机构研究 的热点。不少的厂家能提供这方面的产品，取得了一定的经济效益和社会效益。 近年来，国内远程自动抄表技术发展迅速，并形成了多种远程抄表方式并 存的格局。主站系统结构已从单机、双机系统发展到网络式的主站系统结构： 系统功能己从单纯的抄表，发展到具有实时线损统计、远程控制、计费及银行 联网等( 有的系统还具有实时监测用户偷电行为的功能) ：通信方式己从单一的 电话拨号发展到多种通信方式( 电话、无线、专线等) 并存应用的局面【引。 目前国内柴油机燃油喷射主要为机械式，船舶柴油机还在大量使用柴油机 指针式组合仪表箱测量显示柴油机的各项工作参数。由于柴油机指针式组合仪 表箱精度低，功能少，可靠性及抗干扰能力都较差，柴油机指针式组合仪表箱 对柴油机的自动监控和保护力度都不够，因此柴油机厂家及用户都希望能有功 能更强、可靠性更高的智能式仪表来代替它p j 。国内一些公司采用m c s 5 1 系列 单片机作为控制核心，开发了柴油机智能监控仪，实现了柴油机自动监控，功 能主要有：采集显示柴油机各项参数，包括转速、水温、油温、油压、累积运 行时间等；报警功能，包括转速越限报警、油压低报警、油温高报警、水温高 报警等：停机功能，包括转速超限停机、油压过低停机等【l0 1 。柴油机智能监控 仪对虽然可以对柴油机工况进行实时监测，但还不具备远程监测功能。 1 4 本文主要工作 本文以船舶柴油机燃油消耗状况为监测对象，设计一个基于测量技术、单 片机技术、g s m 技术的船舶柴油机燃油消耗状况实时远程监测系统，实现油耗 数据的采集、处理及传输等功能。论文主要内容包括： 1 ) 研究燃油管路系统与流量计的配置形式，对所配用的流量计调研分类， 选择合适的流量计，对测量、单片机、g s m 短信等相关基础技术进行介绍，提 出系统设计的整体方案和技术要求； 2 ) 详细介绍以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心的系统硬件电路设计、调试，主要硬 4 武汉理工大学硕士学位论文 件电路模块的原理图和p c b 板设计，以及硬件焊接、调试过程；完成系统软件 的整体设计，编写软件流程图，对系统进行性能测试； 3 ) 介绍无线网络技术在船岸通信系统中的应用，具体阐述短消息技术的原 理和特点，开发燃油油耗仪的g s m 通讯程序；设计开发船岸通信软件，实现船 岸数据传输和共享。整个系统不仅可以测量瞬时流量、累积流量，还可以通过 g s m 网络将这些测量数据发送到监控中心保存，使监测中心可以随时调用查看 流量的历史记录等信息。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计 2 1 系统设计思想与开发流程 系统的设计借鉴广泛应用于水、电、煤气等领域的远程抄表系统，主要由 流量计、变送器、测量显示单元、通讯模块等组成。基本工作原理是燃油经过 流量计产生流量信号，经转换单元转换为测量显示单元可识别的信号进行测量、 计算、传送，计算和显示测量次数、测量时间、燃油消耗量等，对航行中的船 舶燃油使用状况进行实时检测，并将检测到的数据信息保存在存储器中，再以 短信的形式定时传送到岸基监控中心，方便船舶管理公司进行数据核实、统计 分析。 系统的开发流程如下： 1 ) 确定系统性能指标及功能。在设计系统之前，首先确定系统的性能指标 及功能。本系统的系统功能主要有：测量、显示、存储、实时通讯、数据管理 等，系统性能要求主要有精度要求和可靠性要求。 2 ) 芯片选择。芯片的选择决定了系统的成本、性能，选择的原则是要把系 统的性能、芯片的资源及价格统一考虑。 3 ) 系统软硬件设计。本单片机系统采用的开发软件是k e i lc 的u v i s i o n 2 ， 采用的硬件设计软件主要有p r o t e l 等。 4 ) 系统测试。包括功能测试与性能测试。 2 2 船舶柴油机燃油消耗量的实船监测方法 对于柴油机油耗的测量，台架实验时通常采用定容积法和定重量法。一般 来说，实船测试和台架实验由于环境和测试条件的差异，它们在进行测试时的 特点和要求有很大差别【1 1 | 。由于受体积庞大不便携带、空间限制无法布置、不 可断管路等因素影响，台架实验中所使用的测量方法和仪器设备不一定适合实 船测试。因此，就有必要寻找满足实船测试特殊要求的测试方法和设备，既能 减少测量难度，同时又能降低测量成本。另外，实船现场测量油耗能在使用中 6 武汉理工大学硕士学位论文 掌握柴油机的真实油耗，动态地评估柴油机的运行状态和经济性。 1 ) 日用油柜测量法 目前，许多船上采用从日用油柜测量油的方法来获取油耗数据。实际上该 方法可认为是一种类似的定容积法，日用油柜测量法的关键是要保证测量燃油 体积消耗量的精度。 燃油消耗的体积计算公式为f 1 2 】： v = s h ( 2 - 1 ) 式中：矿一测量的燃油体积消耗量； s 一日用油柜截面积； 一测量的油柜高度变化量。 随着船舶管理的科学性和自动化程度的不断提高，这种方法越来越显露出 很多弊端： a ) 测量工作量大。 b ) 测量数据不准确。 c ) 人为因素影响。 考虑到上述因素，所以用此方法获得的油耗数据只能对日常管理提供参考 意见。 2 ) 燃油流量计法 由于实船测试的特殊性，使得台架试验中广泛采用的定容积法和定重量法 无法应用，通常采用的方法是燃油流量计法。 流量计法测量燃油消耗是在内燃机燃油管路中接入流量计，燃油在流量计 中流动产生的流量信号经变送器转换化成为便于测量的电信号，经转换器转换 得出发动机的燃油消耗率【1 3 】。 图2 1流量计法燃油消耗测量原理 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 燃油流量计的选择 流量测量方法和仪表的种类繁多，为了正确地选用流量计，首先必须对每 类流量计的测量原理、结构、性能等有一个大概的了解，然后结合具体测量条 件，综合考虑测量的准确性、经济性等因素后，才能选定流量计的类型与规格。 在实际选择流量仪表时必须考虑的因素有：测量目的、被测流体的状况与性质、 被测流量的大致范围、流量计的性能、安装方面的考虑、经济性等。 流量仪表的信号输出和显示结果可归纳为：1 ) 流量( 体积流量或质量流量) ； 2 ) 总量：3 ) 平均流速；4 ) 点流速几种1 1 4 1 。有些仪表输出电流( 或电压) 模拟 量，另一些输出脉冲量。模拟量输出通常认为适合于过程控制，易于和调节阀 等控制回路单元接配；脉冲量输出适用于测量总量及高精度流量，在长距离传 输时，它比模拟量的传送准确度高。输出信号方式的选择还应考虑与其它装置， 如控制接口、数据记录器、报警与断路保护、数据传送系统的适配性。 根据船舶燃油的特点：粘度较大、温度较高、流速较慢、管径偏小、回油 有脉动等，并结合管路特点，以及流量计的测量范围应与内燃机的功率范围相 适应和流量计必须具有输出信号能够远传的要求，本论文课题依照挖泥船柴油 机性能特点，选择了如下流量传感器： 1 ) 无锡市邦达仪器仪表设备有限公司生产的涡街流量计k t l u d ，有就地 显示( 电池供电) 、智能型( 高精度抗震性能性能好) 、潜水型( 传感器可长期 浸在水中) 、插入式( 适用于管径 3 0 0 r a m ) 四种，标准4 - 2 0 m a 输出，具有性 能可靠、精度高、量程比大、使用方便、抗干扰能力强的优点。 一 r 。爵馘胃 t j 1 1 p 图2 - 2 涡街流量计k t l u d 实体图 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 德国宝得( 中国香港) 总公司生产的l w c b 型插入式涡轮流量传感器： 标准规格为d n 6 至4 0 0 r r t m ，测量范围03 m j s 至1 0 r o y s ，及标准规格为d n i 至 4 0 0 m m 测量范围00 5 m s 至1 0 m s ，标准4 - 2 0 m a 和校正脉冲输出，d c 2 4 v 变送 器。安装时液体流动方向应与传感器外壳上指示流向的箭头或定位杆方向一致。 图2 - 4 挖泥船柴油机实体图 柴油机的燃油供给系统是和调速系统相关联的，一般是由输油泵、燃油滤 清器、喷油泵( 高压油泵) 调速器、喷油器( 喷油嘴) 及燃油管路等组成，测 量燃油消耗的流量计就安装于燃油管路上。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 系统船岸通信系统方案选择 近年来，随着信息技术和信息产业的飞速发展，计算机和通信两个领域的 逐步融合、相互渗透，促进了无线网络技术的不断完善提高。无线网络技术可 以分为无线局域网技术和无线广域网技术两种，不但可以实现室内或相距咫尺 的无线局域网通信，而且可以实现远距离的通信，通过卫星通信还可以实现全 球甚至宇宙太空的通信【l5 1 。根据船舶燃油消耗状况实时远程监测系统的需求， 采用的是无线广域网技术。 无线广域网技术包括移动通信技术和卫星通信技术等。移动通信系统从8 0 年代第一代模拟蜂窝系统开始使用至今，已经从第二代数字移动通信系统( 2 g ) 准备向第三代多媒体移动通信系统( 3 g ) 迈进。作为第二代数字移动通信系统 的全球移动通信系统( g s m ) 已经得到了成熟的应用，在数据传输方面它提供 了基于电路交换的数据业务和短消息业务。3 g 主要有三种标准，都是基于c d m a 技术，分别是欧洲提出的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的 t d s c d m a 。在我国，现在只有c d m a 2 0 0 0 系统正由中国联通在建设之中，其 他的两个标准还没有进入商用阶段。卫星通信系统近年来在国内外都有较快的 发展，其中包括国际海事卫星通信系统，我国的北斗卫星通信系统等，它具有 覆盖范围大、通信距离远、机动灵活的特点，而且频带宽、容量大、通信质量 好、可靠性高，适用于多种业务。 卫星通信系统具有覆盖范围大，通信距离远等特点，例如i n m a r s a t - c 海 事卫星系统通信范围覆盖了全球的大部分海洋区域。因此，卫星系统比较适合 远洋船舶的监测系统中。但是对于航行于内河、沿海区域的小吨位船舶来说， 在陆地范围内移动通信网覆盖的区域，卫星通信系统的终端价格和通信费用高 昂，数据传输速度慢，与移动通信系统相比不具有竞争优势。建立基于卫星通 信的i p m s 系统是不现实的，工程成本和i p m s 带来的经济效益是不成比例的【l 引。 综合考虑上述情况，在设计内河船舶i p m s 系统的通信方式时，我们决定采 用基于蜂窝通信的无线技术作为机舱监测等系统的数据通信方式。通过基于蜂 窝通信的无线技术来进行船舶设备工况参数、控制数据、管理数据的传输能较 好地解决基于卫星通信技术的i p m s 系统工程成本高、对管理者技术要求高的问 题。 在选定采用基于蜂窝通信的无线技术后，对几种常用的蜂窝通信方式，如 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 g s m 短消息方式、c d m a 系统以及g p r s 数据传输方式的特点进行比较。c d m a 系统具有数据传输速率快，保密性好等特点，在原理上比g s m 和g p r s 技术都 先进，但是由于其系统处于建设之中，覆盖范围不如g p r s 广，主要覆盖了一 些主要城市，就目前情况看可以用在一些写字楼、机场等热点地区作为无线网 络的接入方式。g p r s 系统数据传输速率较快，覆盖范围广，信号可以有效地覆 盖长江流域，方便地实现与i n t e r a c t 无缝连接，但在小批量远程数据传输方面， 优点不如短消息明显。短消息虽然每条容量有限，而且具有一定的延时，但是 它可以用于船岸的联络，并且可以方便实现将监测系统的一些小流量信息及时 的发送到岸上机务人员的手机上【1 6 】。选择g s mm o d e m 不管从安全性、稳定性、 收发信息量，还是从可扩展性、运营费用二次开发等方面来看都比较理想，可 以充分满足用户的需要。 采用短消息方式通讯的远程监控系统具有以下几个优点【l7 j ： 1 ) 系统结构简单。系统由岸上的管理部门和柴油机终端两部分组成，利用 现有的g s m 网络，不需要另外昂贵的系统设备，也不受时间、空间的限制。 2 ) 安装、维护运行方便。系统安装比较方便，只要在设备仪表附近安装带 g s m 模块的数据采集装置即可；基本不需要任何维护工作，只要电信部门的 g s m 网络能正常工作，系统就能正常工作。 3 ) 覆盖范围广。 图2 5 利用短消息进行远程监控的结构框图 2 5 系统总体框架 通信设备 用于柴油机台架试车的自动燃油油耗测量仪表不能测量瞬时耗油率，只适 用于内燃机稳定工况下燃油消耗率的测定，由于体积等原因也不适合航行状态 武汉理工大学硕士学位论文 下船舶油耗的测量，而流量计法则可以解决这个问题。我们通过在船舶主机和 各辅机上安装相应的流量传感器，当燃油经过传感器时，各流量传感输出相应 的电压信号或脉冲信号，再对该信号进行采集和计算，得到流量值。 根据系统要求，我们选用了应用广泛、低功耗、高性能的a t 8 9 s 5 2 单片机 为主处理器。选择一个串行的a d 转换芯片，用模拟开关进行扩展，实现对流 量传感器产生的多路模拟信号( 本系统选用的流量计可产生标准4 - 2 0 m a 电流信 号) 的测量。远传脉冲信号则直接用a t 8 9 s 5 2 的两个外部中断和定时计数器测 量脉冲输入频率。选择一片e 2 p r o m 存储器保存数据，实时时钟芯片则为系统 非易失地长期保存时间信息。由于系统中每次需要传送的流量数据仅有几十字 节，在常规管理情况下，每天只需要传输2 次，所以用g s m 短信的方式比较经 济。g s m 短信息业务只需要把要发的信息加上目的地地址发送到短消息中心， 再由短信息中心转发到最终目标( 岸上的监控中心) 。短消息每次都限制在1 6 0 个字节以内，这对传送油耗信息已足够。利用g s m 短消息业务进行数据传送， 最大的优点就在于连接简单，费用低廉，覆盖范围广，实现方便。因此，基于 技术、成本等因素的考虑，直接采用g s m 的短消息方式作为系统信息传输的方 式比较合适。 2 6 主要器件选型 1 ) 单片机芯片 图2 - 6 系统原理框图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 单片机芯片是系统的核心部分，一般的选择原则是： a ) 价钱。芯片本身的价钱、系统的价钱、开发的成本等； b ) 可靠性。包括工作温度范围、抗干扰性及后期维护等； c ) 功能。根据系统需要，尽量利用芯片的资源，选择资源丰富的芯片，并 考虑预留功能以利于后续的扩展； d ) 容易得到。包括开发期间的开发环境、资料及技术支持等； e ) 供货保障。包括供货周期、供货数量等； f ) 易用性。容易上手，只需较少的时间学习； g ) 自己的知识储备，对哪个类型的芯片比较熟悉。 在本系统中，由于系统速度不高，需要的外部端口也不多，综合各方面因 素考虑，我们选用a t m e l 的a t 8 9 s 5 2 单片机。该芯片是一个低功耗、高性能 c m o s8 位单片机，具有如下特点：4 0 个引脚，8 kb y t e sf l a s h 片内程序存储器， 2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，3 2 个外部双向输入输出( i o ) e l ， 5 个中断优先级，2 层嵌套中断，2 个1 6 位可编程定时计数器，2 个全双工串行 通信口，看门狗( w d t ) 电路，片内时钟振荡器。器件采用a t m e l 公司的高 密度、非易失性存储技术制造，兼容标准m c s 一5 1 指令系统及8 0 c 5 1 引脚结构， 并支持在线编程。 此外，a t 8 9 s 5 2 配置了振荡频率可为0 i - i z ，并可通过软件设置省电模式。空 闲模式下，c p u 暂停工作，而r a m 定时计数器、串行口、外中断系统可继续工 作，掉电模式冻结振荡器而保存r a m 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激 活或硬件复位。同时该芯片还具有p d i p 、t q f p 和p l c c 等三种封装形式，以 适应不同产品的需求【1 8 l 。 2 ) 模拟开关 由于需要采集多个柴油机的燃油消耗参数，在硬件设计中采用模拟开关对 采集通道进行切换。c m o s 模拟开关适合处理幅度不超过其工作电压、电流较 小的模拟或数字信号。本系统中采用的c d 4 0 5 1 是是一个双向8 通道多路开关， 它有3 个二进制控制输入端a b c 和一个禁止输入端，并由3 位二进制信号来选 择8 个通道中的一个通道。当为“1 时通道断开，禁止模拟量输入；当为“o 通道接通，允许模拟量输入。这种多路开关输入电平范围广，数字量输入为3 1 5v ，模拟量可达1 5v 1 9 1 。 3 ) a ，d 转换器 武汉理工大学硕士学位论文 系统选择t i 公司推出的低功耗易使用的8 位t l c 5 4 9 作为a d 转换器。 t l c 5 4 9 具有一个模拟输入端1 ：2 和一个3 态的数据串行输出接口，它仅仅使用输 输出时钟( i oc l k ) 和芯片选择( c s ) 信号进行数据控制，输入输出时钟 最大频率可达1 i m h z 。最大非线性误差为0 5l s b ，最大转换时间为1 7 9 s 。 t l c 5 4 9 提供了片内系统时钟，通常工作在4 m h z ，且不需要外部元件。片 内系统时钟使内部器件的操作独立于串行输入输出端的时序，并使得t l c 5 4 9 的操作可以满足更广泛的软、硬件要求【2 0 】。 4 ) 定时计数器扩展 本系统采用8 2 5 3 作为定时计数器的扩充芯片。8 2 5 3 具有3 个独立的1 6 位 计数器，6 种不同的工作方式，可以根据需要灵活选用。8 2 5 3 芯片有3 个独立 的1 6 位计数器t 0 、t 1 和t 2 ，它们既能计数又可用作定时，并可独立运行在6 种 不同的工作模式下，可实现所需要的时钟发生器、定时器和计数器3 种功能。 时钟发生器产生标准时钟脉冲，定时器定时产生中断信号，终止计数器计数， 运算软件得到传感器频率值，再经计算换算成该管路流量值【2 。 5 ) 存储器芯片 流量数据提供较长时间内的查询，这里选用a t 2 4 c 0 4 作为数据存储器，主 要是考虑到在存储数据量不大的场合，a t 2 4 c 0 4 有体积小、接线简单、使用方 便等优点。 a t 2 4 c 0 4 是a t m e l 公司的低功耗c m o s 串行e 2 p r o m ，它内含5 1 2 x 8 位存储 空间，具有工作电压宽、擦写次数多、写入速度快等特点。a t 2 4 c 0 4 中带有片内 地址寄存器，每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1 ，以实现对 下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时 间，一次操作可写入多达8 个字节的数据田】。 6 ) 时钟芯片 实时显示可以通过软件编程实现，但程序复杂，时间信息也不易长时间保 存。而采用专用实时时钟芯片可以避免这些问题，它可以非易失地长期保存时 间信息，这对燃油消耗的实时记录是非常必要的。本系统中使用了d a l l s 公司 的日历时钟芯片d s l 2 c 8 8 7 作为实时时钟芯片，提供详细的年、月、日、星期、 小时、分钟( 本系统时间信息只需要精确到分钟) 等时间信息。d s l 2 c 8 8 7 是一 款带有内部晶体振荡器并内置锂电池， 存数据1 0 年以上，内部有1 2 8 b r a m ， 可以在无外部供电或者断电的情况下保 其中，1 5 b 为时间和控制寄存器，1 1 3 b 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 为通用r a m 。所有r a m 单元都具有调电保护功能【2 3 】。 7 ) 短信模块 监控中心借助g s m 通信模块进行短消息的收发，在这里使用w a v e c o m 公司的w m o d 2 g s m 模块。w m o d 2g s m 模块是一个具有短消息收发、语音通 信的无线m o d e m 功能组。g s m 模块中有一张s i m 卡，s i m 卡用来保存收到 的短消息。g s m 模块通过r s 2 3 2 数据线与计算机的串口相连，计算机向串口发 送出相应的a t 指令从而驱动g s m 模块进行短消息收发工作【2 4 1 。 2 7 相关技术 单片机技术、频率测量技术、a d 转换技术、远程通讯技术等是船舶动力装 置燃油消耗量远程监测的理论基础，也是本文系统设计的几个主要技术理论依 据。 2 7 1a t 8 9 s 5 2 单片机 1 ) 内部结构和组成 a t 8 9 s 5 2 内部结构主要包括累加器a c c ( 有时也简称为a ) 、程序状态字 p s w 、地址指示器d p t r 、只读存储器r m o 、随机存取存储器a r m 、寄存器、 并行i 0 接口p 0 , - - p 3 、定时器计数器、串行i 0 接口以及定时控制逻辑电路等。 这些部件通过内部总线联接起来，构成一个完整的微型计算机【2 5 】。 a ) 累加器 累加器是c p u 中使用最频繁的一个寄存器，简称a c c 或a 寄存器。a c c 是a u l 单元的输入之一，因而是处理数据源之一。它又是a u l 运算结果的存 放单元，即a l u 运算结果通过内部总线送入累加器a c c 中存放。c p u 中的数 据传送大多通过累加器，故它相当于一个数据的中转站。 b ) b 寄存器 b 寄存器在乘法和除法指令中作为a u l 的输入之一。 c ) 程序状态字p s w 程序状态字( p s w ) 是一个逐位定义的8 位寄存器，其内容的主要部分是 算术逻辑运算单元( a l u ) 的输出。它是一个程序可访问的寄存器，而且可以 武汉理工大学硕士学位论文 按位访问。 数据指针d t p r 数据指针是a t 8 9 s 5 2 中一个功能比较特殊的寄存器。从结构上说，d p t r 是一个1 6 位的特殊功能寄存器。其主要功能是作为外部数据存储器寻址用的地 址寄存器( 间接寻址) ，故称作数据存储器地址指针。 2 ) 时钟电路及指令时序 a ) 时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令 执行中各信号之间的相互关系。a t 8 9 s 5 2 单片机内带有时钟电路，因此，只要 在片外通过x t a l l 和x t a l 2 引脚接入定时控制组件，即可构成一个稳定的自 激振荡器。 b ) a t 8 9 s 5 2 指令时序 a t 8 9 s 5 2 共有1 1l 条指令，全部指令按其长度可分为单字节指令、双字节指 令和三字节指令。执行这些指令所需要的机器周期数目是不同的，共有四种情 况：单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、双字节单机器周期指令 和双字节双机器周期指令。 3 ) 存储器结构和地址空间 a t 8 9 s 5 2 单片机系列的存储器将程序存储器和数据存储器截然分开，程序 存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。a t 8 9 s 5 2 系 列单片机设有6 4 k b 字节的片内、外程序存储器寻址空间：6 k 4 字节的外部数据 存储器寻址空间；2 5 6 字节的内部数据存储器寻址空间等三种基本的寻址空间。 幻程序存储器 a t 8 9 s 5 2 单片机程序存储器用于存放经调试正确的应用程序和表格之类的 固定常数。由于采用1 6 位的程序计数器c p 和1 6 位的地址总线，其可扩展的地 址空间为6 4 k b 字节，而且这6 4 k b 地址空间是连续、统一的。程序存储器分为 片内和片外两部分，c p u 访问片内还是片外存储器，由引脚所接的电平来确定。 b ) 数据存储器 数据存储器由随机存取存储器r a m 构成，用来存放随机数据。数据存储器 又分内部数据存储器和外部数据存储器两部分。内部数据