CN103744366A - 一种用于喷水推进控制的高速数据采集*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于喷水推进控制的高速数据采集***,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。
Description
技术领域
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***。
背景技术
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***、计算机控制、通信***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***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、快速的监测尤为重要。
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***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***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,***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。
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),记载了一种内河船舶的智能信息采集控制***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,***扩展性较差,难以构成对实时控制的支撑。
发明内容
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***,以解决现有技术中的不足。
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:
一种用于喷水推进控制的高速数据采集***,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,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、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;
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、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***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值的计算和显示。
上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集***,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。
上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集***,其中,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:
电压值转换为对应物理量值:
上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集***,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:
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信息显示区。
上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集***,其中,所述角度传感器为电位器式角度传感器;
上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集***,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。
上述的一种用于喷水推进控制的高速数据采集***,其中,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。
与已有技术相比,本发明的有益效果在于:
能够对喷水推进控制***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;
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***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***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
构成本发明的一部分的附图用来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:
图1为本发明实施例用于喷水推进控制的高速数据采集******框图;
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;
图3a、图3b分别为本发明实施例中***关键状态变量采集结果示意图。
具体实施方式
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。
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。
本实施例提供一种用于喷水推进控制的高速数据采集***,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***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:
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。
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程中电磁干扰的影响,需将多芯电缆的屏蔽层接地。
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0~5V标准电压信号,标准电压信号采用数据采集卡进行采集。
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。
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成数字信号,并通过USB传输协议发送到上位机。
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***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。
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。
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。压力传感器量程均为0~160bar,输出信号均为0~5V电压信号。
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。
本实施例中,信号转换模块的信号转换方法具体为:
信号原码转换为对应电压值:
电压值转换为对应物理量值:
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:
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;
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信息显示区。
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:
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***各部件按照上述接线方式连接;
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;
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***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***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。
从上述实施例可以看出,本发明的优势在于:
能够对喷水推进控制***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***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***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。
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。
Claims (7)
1.一种用于喷水推进控制的高速数据采集***,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、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,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、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***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***,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***,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。
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***,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***,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***,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***,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。
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