一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103744366 A (43)申请公布日 2014.04.23 CN 103744366 A (21)申请号 201310694443.0 (22)申请日 2013.12.17 G05B 19/418(2006.01) (71)申请人 中国船舶工业集团公司第七八研 究所 地址 200001 上海市黄浦区西藏南路 1688 号 申请人 上海交通大学 (72)发明人 龚征华 李刚强 章郁泱 周冠泽 沈国海 俞宾 蔡佑林 张岩 陈建平 李长海 (74)专利代理机构 上海申新律师事务所 31272 代理人 竺路玲 (54) 发明名称 一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统

2、(57) 摘要 本发明公开了一种用于喷水推进控制的高速 数据采集系统， 包括角度传感器、 压力传感器、 位 移传感器、 信号调理模块、 多芯电缆、 I/V 转换模 块、 37 针接线板、 数据采集卡、 上位机以及数据采 集部分， 角度传感器与方向舵和倒航斗的转动轴 同轴连接， 压力传感器安装于液压缸进油管道处， 角度传感器、 压力传感器、 位移传感器的信号输出 端均与信号调理模块连接， 信号调理模块、 多芯电 缆、 I/V 转换模块、 37 针接线板依次相连， 37 针接 线板与数据采集卡连接， 数据采集卡与上位机相 连。本发明可根据需求对采样频率、 通道数、 信号 连接方式、 信号量程、 物

3、理量程等参数进行配置， 具有可靠、 便捷、 经济、 易扩展等特点， 同时具有较 强的通用性和扩展性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103744366 A CN 103744366 A 1/2 页 2 1. 一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 应用于船舶上， 所述船舶包括船体， 船 体上设置方向舵和倒航斗的转动轴、 液压缸进油管道和控制室， 其特征在于， 包括 ： 角度传 感器、 压力传感器、 位移传感器、 信号调理模块、

4、 多芯电缆、 I/V 转换模块、 37 针接线板、 数据 采集卡、 上位机以及数据采集部分， 所述角度传感器与所述方向舵和倒航斗的转动轴同轴 连接 ； 所述压力传感器安装于所述液压缸进油管道处 ； 所述角度传感器、 所述压力传感器、 所述位移传感器的信号输出端均与所述信号调理模块连接， 所述信号调理模块、 所述多芯 电缆、 所述 I/V 转换模块、 所述 37 针接线板依次相连 ； 所述 37 针接线板与所述数据采集卡 连接 ； 所述数据采集卡与所述上位机相连 ； 所述信号调理模块用于对所述角度传感器、 所 述压力传感器、 所述位移传感器变送的电压信号进行隔离、 放大及向标准电流信号的转换，

5、调理后的信号通过所述多芯电缆实现从船体尾部到控制室的远距离传输 ； 所述 I/V 转化模块用于将多芯电缆传输的标准电流信号转换成标准电压信号， 标准电 压信号通过数据采集卡进行采集 ； 所述 37 针接线板用于将 37 针 D 形接头引出为接线柱形 式， 便于信号线接入 ； 所述数据采集卡具有多路模拟量输入通道， 用于将标准电压模拟信号 转换成数字信号， 并通过 USB 传输协议发送到上位机 ； 所述数据采集部分包括高速数据采集模块、 参数配置模块、 信号转换模块、 数据存储模 块、 图形绘制模块和图形信息显示模块 ： 所述高速数据采集模块用于驱动数据采集卡， 将各 通道电压模拟信号连续地、

6、高速地转换成相应的数字信号， 数字信号形式为原码值 ； 所述参 数配置模块用于对数据采集系统的采样频率、 通道数、 信号连接方式、 信号量程、 物理量程 按照需要进行参数配置 ； 所述信号转换模块用于将高速数据采集模块采集得到的数字信号 原码值还原成电压值， 以及转换成对应的物理量值 ； 所述数据存储模块用于将信号转换模 块转换后的数字信号存储成为数据文件形式， 便于用户对历史数据进行离线分析 ； 所述图 形绘制模块用于在人机交互界面中实时绘制各通道信号， 方便用户直观、 实时地观测、 分析 所采集的各通道信号 ； 所述图形信息显示模块用于所绘曲线指定区间对应的时间宽度和指 定位置对应的各变量

7、值的计算和显示。 2. 根据权利要求 1 所述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其特征在于， 所述多芯电缆为铜芯多股带双屏蔽层软线电缆， 具有接地的屏蔽层。 3. 根据权利要求 1 所述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其特征在于， 所述数据采集部分涉及到的信号转换方法包括 ： 信号原码转换为对应电压值 ： N 为数据卡采集到的信号的原码值， 0 2n-1， Vmin为电 压信号量程下限， Vmax为电压信号量程下限， V 为对应的电压值， n 为 ADC 转换位数 ； 电压值转换为对应物理量值 ： Mmin为物理量程下限， Mmax为物理量程上限， M 为 对应的物理量值

8、。 4. 根据权利要求 1 所述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其特征在于， 所述人机交互界面包含 ： 开始 / 停止采集指令区、 参数配置区、 处理模式选择区、 图形绘制 权 利 要 求 书 CN 103744366 A 2 2/2 页 3 区和图形信息显示区， 人机交互通过按钮、 下拉菜单、 滑杆、 复选框实现， 其中 ： 所述处理模式选择区包括图形绘制模式、 数据存储模式两种， 通过复选框实现， 两种方 式可以同时选中 ； 所述图形绘制区包含两条定位线， 用户通过鼠标拖拽定位线方式定位所绘制曲线某一 区间和某一位置 ； 指定区间的时间宽度和指定位置的物理量值实时显示在所述图形

9、信息显 示区。 5. 根据权利要求 1-3 任一项所述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其特 征在于， 所述角度传感器为电位器式角度传感器。 6. 根据权利要求 1-3 任一项所述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其特 征在于， 所述压力传感器为扩散硅压力传感器， 用于测量液压缸工作压力。 7. 根据权利要求 1-3 任一项所述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其特 征在于， 所述位移传感器为拉线式位移传感器， 用于测量液压缸的位移。 权 利 要 求 书 CN 103744366 A 3 1/5 页 4 一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统 技术领域 0001

10、本发明涉及船舶控制技术领域的一种高速数据采集技术， 具体地， 涉及一种用于 喷水推进控制的高速数据采集系统。 背景技术 0002 喷水推进技术是一种不同于传统螺旋桨推进的新型推进技术， 该技术利用装在船 尾部的喷水泵向后喷出水流产生的反作用力来推动船体向前运动， 同时通过控制方向舵、 倒航斗的摆动操纵船体运动的方向， 涉及到动力系统、 计算机控制、 通信系统等多个学科， 具有推进效率高、 操作灵活、 工作平稳、 振动噪声低及传动结构简单等特点， 在高性能船舶 上得到了广泛应用。喷水推进控制系统承担着对船舶运行情况进行监测、 控制的任务， 其 中， 对船体运行时的关键状态变量进行可靠、 快速的监

11、测尤为重要。 0003 用于喷水推进控制的关键状态变量 （如方向舵及倒航斗的角度、 液压缸工作压力、 液压缸行程等） 监测系统一般由单片机、 传感器、 变送器构成， 虽然结构上相对简单， 但是系 统的稳定性、 快速性与数据采集精度难以得到保证。另外由于单片机上传到上位机的数据 只是用来监控船体运行状态， 通常没有存储历史数据功能， 数据加工能力较弱 ； 而且， 系统 发生变更时， 譬如因升级增加测量通道， 需要专业人员对单片机程序进行重新修改， 维护工 作量较大。 0004 经过对现有技术的检索， 中国专利 （申请号 201210513353.2， 公开日 2013-3-13） ， 记载了一种

12、内河船舶的智能信息采集控制系统及方法， 包括船载智能终端和控制平台两部 分， 通过二者之间的无线通信， 实时接受所监控船舶的静态、 动态信息。但是该方案采样周 期为 10s， 频率较低， 信息处理功能较弱， 系统扩展性较差， 难以构成对实时控制的支撑。 发明内容 0005 有鉴于此， 本发明的目的是提供一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 以 解决现有技术中的不足。 0006 为了达到上述目的， 本发明的目的是通过下述技术方案实现的 ： 0007 一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 应用于船舶上， 所述船舶包括船体， 船体上设置方向舵和倒航斗的转动轴、 液压缸进油管道和控制室， 其中

13、， 包括 ： 角度传感器、 压力传感器、 位移传感器、 信号调理模块、 多芯电缆、 I/V 转换模块、 37 针接线板、 数据采集 卡、 上位机以及数据采集部分， 所述角度传感器与所述方向舵和倒航斗的转动轴同轴连接 ； 所述压力传感器安装于所述液压缸进油管道处 ； 所述角度传感器、 所述压力传感器、 所述位 移传感器的信号输出端均与所述信号调理模块连接， 所述信号调理模块、 所述多芯电缆、 所 述 I/V 转换模块、 所述 37 针接线板依次相连 ； 所述 37 针接线板与所述数据采集卡连接 ； 所 述数据采集卡与所述上位机相连 ； 所述信号调理模块用于对所述角度传感器、 所述压力传 感器、

14、所述位移传感器变送的电压信号进行隔离、 放大及向标准电流信号的转换， 调理后的 信号通过所述多芯电缆实现从船体尾部到控制室的远距离传输 ； 说 明 书 CN 103744366 A 4 2/5 页 5 0008 所述 I/V 转化模块用于将多芯电缆传输的标准电流信号转换成标准电压信号， 标 准电压信号通过数据采集卡进行采集 ； 所述 37 针接线板用于将 37 针 D 形接头引出为接线 柱形式， 便于信号线接入 ； 所述数据采集卡具有多路模拟量输入通道， 用于将标准电压模拟 信号转换成数字信号， 并通过 USB 传输协议发送到上位机 ； 0009 所述数据采集部分包括高速数据采集模块、 参数配

15、置模块、 信号转换模块、 数据存 储模块、 图形绘制模块和图形信息显示模块 ： 所述高速数据采集模块用于驱动数据采集卡， 将各通道电压模拟信号连续地、 高速地转换成相应的数字信号， 数字信号形式为原码值 ； 所 述参数配置模块用于对数据采集系统的采样频率、 通道数、 信号连接方式、 信号量程、 物理 量程按照需要进行参数配置 ； 所述信号转换模块用于将高速数据采集模块采集得到的数字 信号原码值还原成电压值， 以及转换成对应的物理量值 ； 所述数据存储模块用于将信号转 换模块转换后的数字信号存储成为数据文件形式， 便于用户对历史数据进行离线分析 ； 所 述图形绘制模块用于在人机交互界面中实时绘制

16、各通道信号， 方便用户直观、 实时地观测、 分析所采集的各通道信号 ； 所述图形信息显示模块用于所绘曲线指定区间对应的时间宽度 和指定位置对应的各变量值的计算和显示。 0010 上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其中， 所述多芯电缆为铜芯 多股带双屏蔽层软线电缆， 具有接地的屏蔽层。 0011 上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其中， 所述数据采集部分涉 及到的信号转换方法包括 ： 0012 信号原码转换为对应电压值 ： 0013 N为数据卡采集到的信号的原码值， 02n-1， Vmin为 电压信号量程下限， Vmax为电压信号量程下限， V 为对应的电压值， n

17、为 ADC 转换位数 ； 0014 电压值转换为对应物理量值 ： 0015 Mmin为物理量程下限， Mmax为物理量程上限， M 为对应的物理量值。 0016 上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其中， 所述人机交互界面包 含 ： 开始 / 停止采集指令区、 参数配置区、 处理模式选择区、 图形绘制区和图形信息显示区， 人机交互通过按钮、 下拉菜单、 滑杆、 复选框实现， 其中 ： 0017 所述处理模式选择区包括图形绘制模式、 数据存储模式两种， 通过复选框实现， 两 种方式可以同时选中 ； 0018 所述图形绘制区包含两条定位线， 用户通过鼠标拖拽定位线方式定位所绘制曲线 某

18、一区间和某一位置 ； 指定区间的时间宽度和指定位置的物理量值实时显示在所述图形信 息显示区。 0019 上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其中， 所述角度传感器为电 位器式角度传感器 ； 0020 上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其中， 所述压力传感器为扩 散硅压力传感器， 用于测量液压缸工作压力。 0021 上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 其中， 所述位移传感器为拉 说 明 书 CN 103744366 A 5 3/5 页 6 线式位移传感器， 用于测量液压缸的位移。 0022 与已有技术相比， 本发明的有益效果在于 ： 0023 能够对喷水推进

19、控制系统的不同类型的状态变量， 如方向舵或倒航斗的角度、 液 压缸工作压力、 液压缸行程等进行实时、 可靠的在线采集， 并在上位机中进行图形显示、 数 据存储和数据处理 ； 0024 可根据需求对采样频率、 通道数、 信号连接方式、 信号量程、 物理量程等参数进行 配置， 具有可靠、 便捷、 经济、 易扩展等特点 ； 0025 实现了喷水推进控制系统的高速数据采集和处理， 同时具有较强的通用性和扩展 性 ； 0026 用户可以通过上位机图形绘制界面清楚地了解当前喷水推进控制系统的各个关 键状态变量的情况， 还可以基于历史数据的分析改进控制方案。 附图说明 0027 构成本发明的一部分的附图用来

20、提供对本发明的进一步理解， 本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明， 并不构成对本发明的不当限定。在附图中 ： 0028 图 1 为本发明实施例用于喷水推进控制的高速数据采集系统系统框图 ； 0029 图 2 为本发明实施例中的数据采集部分人机交互界面示意图 ； 0030 图 3a、 图 3b 分别为本发明实施例中系统关键状态变量采集结果示意图。 具体实施方式 0031 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳

21、动前提下所获得的所有其他 实施例， 都属于本发明保护的范围。 0032 需要说明的是， 在不冲突的情况下， 本发明中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。 0033 本实施例提供一种用于喷水推进控制的高速数据采集系统， 应用于船舶上， 船舶 包括船体， 船体上设置方向舵和倒航斗的转动轴、 液压缸进油管道和控制室。 采集系统包括 角度传感器、 压力传感器、 位移传感器、 信号调理模块、 多芯电缆、 I/V 转换模块、 37 针接线 板、 数据采集卡、 上位机以及数据采集部分。其中 ： 角度传感器与方向舵和倒航斗的转动轴 同轴连接 ； 压力传感器安装在液压缸进油管道处 ； 角度传感器、 压力传感

22、器、 位移传感器的 信号输出端均与信号调理模块连接 ； 信号调理模块、 多芯电缆、 I/V 转换模块、 37 针接线板 依次相连 ； 37针接线板与数据采集卡采用带37针D形接头的专用电缆连接 ； 数据采集卡与 上位机通过 USB 接口的数据线相连 ； 数据采集部分运行于上位机 WindowsXP 平台 ； 具体的 ： 0034 信号调理模块用于对角度传感器、 压力传感器、 位移传感器变送的电压信号进行 隔离、 放大及向标准 4 20mA 电流信号的转换， 调理后的信号通过多芯电缆实现从船体尾 部到控制室的远距离传输。 0035 多芯电缆为 10 芯多股带双屏蔽层软线电缆， 为了减小信号传输过

23、程中电磁干扰 的影响， 需将多芯电缆的屏蔽层接地。 说 明 书 CN 103744366 A 6 4/5 页 7 0036 I/V转化模块， 用于将多芯电缆传输的标准电流信号转换成05V标准电压信号， 标准电压信号采用数据采集卡进行采集。 0037 37 针接线板， 用于将 37 针 D 形接头引出为接线柱形式， 便于信号线接入。 0038 数据采集卡为单端 16 路、 差分 8 路模拟量输入、 12 位 AD 精度、 带有 16k 字 FIFO 缓 存、 最高采样频率 250kS/s（周期为 4us， 1kS/s 表示 1s 采集 1 千个数据点） 的数据采集卡， 用于将标准电压模拟信号转换

24、成数字信号， 并通过 USB 传输协议发送到上位机。 0039 本实施例中， 数据采集部分包括高速数据采集模块、 参数配置模块、 信号转换模 块、 数据存储模块、 图形绘制模块和图形信息显示模块。 高速数据采集模块用于驱动数据采 集卡， 将各通道电压模拟信号连续地、 高速地转换成相应的数字信号， 数字信号形式一般为 原码值。 参数配置模块用于对数据采集系统的采样频率、 通道数、 信号连接方式、 信号量程、 物理量程按照需要进行参数配置， 其最高采样频率为250kS/s。 信号转换模块用于将高速数 据采集模块采集得到的数字信号原码值还原成电压值， 以及转换成对应的物理量值。数据 存储模块用于将信

25、号转换模块转换后的数字信号存储成为数据文件形式， 便于用户对历史 数据进行离线分析。图形绘制模块用于在人机交互界面中实时绘制各通道信号， 方便用户 直观、 实时地观测、 分析所采集的各通道信号。 图形信息显示模块用于所绘曲线指定区间对 应的时间宽度和指定位置对应的各变量值的计算和显示。 0040 本实施例中， 角度传感器为电位器式角度传感器， 用于测量方向舵或倒航斗装置 的转角， 方向舵角度传感器量程为 -30 30， 倒航斗角度传感器量程为 0 45， 输出 信号均为 0 5V 电压信号。 0041 本实施例中， 压力传感器为扩散硅压力传感器， 用于测量方向舵或倒航斗液压缸 工作压力。压力传

26、感器量程均为 0 160bar， 输出信号均为 0 5V 电压信号。 0042 本实施例中， 位移传感器为拉线式位移传感器， 用于测量方向舵或倒航斗液压缸 的行程， 位移传感器量程均为 0 400mm， 输出信号均为 0 5V 电压信号， 安装时使拉线与 所测液压缸中心轴线平行。 0043 本实施例中， 信号转换模块的信号转换方法具体为 ： 0044 信号原码转换为对应电压值 ： 0045 N 为数据卡采集到的信号的原码值， 0 2n-1， Vmin 为电压信号量程下限， Vmax为电压信号量程下限， V 为对应的电压值， n 为 ADC 转换位数 ； 0046 电压值转换为对应物理量值 ：

27、0047 Mmin为物理量程下限， Mmax为物理量程上限， M 为对应的物理量值。 0048 如图 2 所示为所述数据采集部分的人机交互界面， 包含 ： 开始 / 停止采集指令区、 参数配置区、 处理模式选择区、 图形绘制区、 图形信息显示区， 人机交互通过按钮、 下拉菜 单、 滑杆、 复选框等实现， 其中 ： 0049 处理模式选择区包括图形绘制模式、 数据存储模式两种， 通过复选框实现， 两种方 式可以同时选中 ； 0050 图形绘制区其中包含有 A、 B 两条定位线， 用户通过鼠标拖拽定位线方式定位所绘 说 明 书 CN 103744366 A 7 5/5 页 8 制曲线某一区间和某一

28、位置 ； 指定区间的时间宽度和指定位置的物理量值实时显示在所述 图形信息显示区。 0051 本实施例用于喷水推进控制的高速数据采集方法， 按照以下步骤进行采集 ： 0052 首先将角度传感器、 压力传感器、 位移传感器 （还可以增加其他传感器） 按照各自 的安装方式进行安装固定， 然后将数据采集系统各部件按照上述接线方式连接 ； 0053 然后打开数据采集部分， 在参数配置模块配置采样频率 250kS/s、 通道数为 6、 信 号量程范围 0 5V， 方向舵侧设置角度物理量程 -30 30、 液压缸压力物理量程 0 90bar、 液压缸位移物理量程 0 270mm， 倒航斗侧设置角度物理量程

29、0 45、 液压缸压 力物理量程 0 90bar、 液压缸位移物理量程 0 290mm ； 在处理模式选择区选择图形绘制 模式和数据存储模式 ； 0054 最后， 在开始 / 停止采集指令区点击 “开始” 按钮， 开始数据采集， 转动方向舵手操 器从 -30至 +15， 监控方向舵运行状态， 运行约 8s 后系统达到稳定， 期间共采集约 33 万 组数据， 数据采集结果如图3(a)所示 ； 转动倒航斗手操器从0至30， 监控倒航斗运行状 态， 运行约 8s 后系统达到稳定， 期间共采集约 33 万组数据， 数据采集结果如图 3(b) 所示 ； 点击 “停止” 按钮， 停止采集。 0055 从上

30、述实施例可以看出， 本发明的优势在于 ： 0056 能够对喷水推进控制系统的不同类型的状态变量， 如方向舵或倒航斗的角度、 液 压缸工作压力、 液压缸行程等进行实时、 可靠的在线采集， 并在上位机中进行图形显示、 数 据存储和数据处理 ； 还可根据需求对采样频率、 通道数、 信号连接方式、 信号量程、 物理量程 等参数进行配置， 具有可靠、 便捷、 经济、 易扩展等特点 ； 实现了喷水推进控制系统的高速数 据采集和处理， 同时具有较强的通用性和扩展性 ； 用户可以通过上位机图形绘制界面清楚 地了解当前喷水推进控制系统的各个关键状态变量的情况， 还可以基于历史数据的分析改 进控制方案。 0057 以上对本发明的具体实施例进行了详细描述， 但本发明并不限制于以上描述的具 体实施例， 其只是作为范例。 对于本领域技术人员而言， 任何等同修改和替代也都在本发明 的范畴之中。 因此， 在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改， 都应涵盖在 本发明的范围内。 说 明 书 CN 103744366 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103744366 A 9 2/2 页 10 图 3a 图 3b 说 明 书 附 图 CN 103744366 A 10