申请/专利权人：中国船舶集团有限公司第七一九研究所

申请日：2023-07-20

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN116795028B

主分类号：G05B19/042

分类号：G05B19/042

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2023.10.13#实质审查的生效;2023.09.22#公开

摘要：本发明提供一种基于ARM和DSP的舰船防撞在线监测数据处理装置。该装置采用多核架构，包括：包括传感器模块、信号调制模块、采样模块、数据处理模块DSP、控制模块ARM、接口电路模块、网络传输模块、显示模块以及电源模块；控制模块ARM接收并解析上位机命令，控制各模块协调工作，实现多通道高精度的数据采集以及分析、显示、存储、传输等工作。本发明利用DSP的信号处理能力与ARM的接口扩展能力、事务管理能力，有效解决舰船在深海环境行驶过程中的数据算法处理性能与实时传输效率的矛盾，精确高效地采集各类舰船执行机构状态监测信号，为后续船舶运动轨迹预测提供丰富可靠的数据，从而为舰船执行机构安全运行提供技术基础，保证舰船安全稳定运行，防止事故发生。

主权项：1.一种基于ARM和DSP的舰船防撞在线监测数据处理装置，其特征在于，采用多核架构，包括传感器模块、信号调制模块、采样模块、数据处理模块DSP、控制模块ARM、接口电路模块、网络传输模块、显示模块以及电源模块；控制模块ARM接收并解析上位机命令，控制各模块协调工作，最终实现多通道的模拟信号采集、数据处理与可视目标特征提取、分析显示以及网络传输的工作过程；所述显示模块为触摸屏；所述控制模块ARM还用于控制键相信号测量、开关量输入、SD卡数据存储以及触摸屏显示；其中，传感器模块、信号调制模块、采样模块依次连接，所述采样模块为AD芯片，所述调制模块、采样模块负责对各类舰船执行机构状态监测信号进行调制与采样，获得与之对应的数字量；所述数据处理模块用于接收AD芯片的采样数据，并进行数字滤波、数据预处理、信号特征提取的分析与算法处理；所述键相信号用于测量舰船执行机构转速，同步调整采样率，从而实现整周期采样；所述SD卡用于保存一定时间段内的实时数据，掉电不丢失；所述触摸屏显示具有良好的人机交互能力，能以数值、图、表和曲线形式对状态监测量、工况参数和过程量参数进行显示与分析；所述网络传输模块用于将各类状态监测量数据进行打包、协议封装、上传，提供给上位机或远程终端做进一步的可视目标诊断与趋势预测；温度、压力脉动、气隙磁通信号，通过信号调制模块进行幅值调制、隔离、滤波后，利用AD芯片进行模数转换；DSP采用TMS320F28335芯片，通过XINTF并行接口读取转换后的数字量，并进行FFT运算与相应特征值提取，实现信号的预处理；处理后的数据通过SPI总线传输至ARM，ARM进行数据封装，并控制触摸屏显示各通道时域波形，幅值信息，与此同时通过以太网将数据上传，并把一定时间段的数据暂存至SD卡，防止掉电数据丢失；电源模块为整个系统提供稳定的供电，晶振给DSP与ARM提供时钟源，JTAG与SWD接口为DSP与ARM的调试接口，支持在线调试与程序烧写；另外，ARM还支持开关量的测量、键相信号测量、确保装置能在变工况下进行整周期采样；每块DSP负责八通道的数据采集与信号处理工作，可自由灵活配置DSP的数目，最大支持32通道的模拟量采集；其核心在于装置基于一主多从的控制核心构架，ARM接收最大4块DSP传来的数据，这种结构将数据采集、频谱分析、特征值提取、以太网传输、外设控制协调任务合理的分配到多块处理器中，系统可并行执行数据采集、以太网传输和频谱计算的任务；信号调制模块依据本装置的监测对象特性进行设计，主要完成温度、压力、电压、电流输出信号的调制工作，将传感器输出的电信号调制为AD芯片能进行最佳采集的幅值范围；信号调制模块，包含过流过压保护电路、隔离电路、程控可变增益放大电路、滤波电路；其中过流过压保护电路对超出量程信号进行越限保护；利用隔离运算放大器ISO124P，并利用A1212S提供隔离的±12V电源；程控可变增益放大电路与滤波电路可对测量信号进行灵活放大并滤波，使得幅值能保持在所允许的范围内；ARM采用STM32F407芯片，TMS320F28335芯片通过SPI串行外设接口总线与STM32F407芯片互联，实现一主多从的多核心间数据的双向传输；另外，使用外设读写接口和数据总线实现AD芯片的正常工作，包括AD转换信号PWM的产生、AD多通道循环工作的控制，并对信号调制模块中的程控可变增益放大模块进行控制；通过变分模态分解得到舰船在深海环境中的有效范围内的可视目标的[x,y,z,V,CNo],基于舰船有效运动范围内的可视目标的[x,y,z,θ,V,CNo]，按照不同子帧的[x,y,z,θ,V,CNo]执行不同子帧维度上的角度聚类得到不同时间k下的可视目标的来向[θi,Vi]，其中i为可视目标种类；其次基于不同来向θi分别执行基于θi-2,θi,θi+2不同来向上的速度聚类，通过选取较大类别的可视目标种类，可以将相同来向θi下的不同速度的可视目标执行分类，得到相同来向θi下的可视目标的Vθi，并按照不同来向θi执行存储，基于上述步骤可以得到舰船在深海环境中的有效活动范围内的不同来向上的可视目标的种类i以及不同种类的运动速度v，基于可视目标的种类设置预警门限，在可视目标种类较多并且可视目标的运动速度较大的条件下进行船舶预警；ARM通过自带的SPI总线接口与DSP相连，接收采集和预处理后的数据；通过DP83848C网络模块接入以太网，方便与终端机相连，进行采样数据和控制信息的传输；通过片上通用IO采样键相信号和开关量信号，并通过串口控制人机接口模块，包括触摸屏、安装在装置前面板的按键模块和状态指示灯，用来显示、响应面板按键操作和对装置分析处理的数据进行实时报警；由于ARM控制模块包含网络协议栈，所以按层划分：分驱动层、协议层、应用层，应用层又包含多个任务，包括网络通信、SD卡存储、触摸屏显示；通过基于DSP得到的不同可视目标的种类和运动速度通过自定义协议在触摸屏中执行输出，为用户提供可视化服务，并在存储器中执行存储，用于后期数据查询；接口电路模块是指挂在ARM上的外设模块，包括以太网接口电路、RS485通信接口电路、触摸显示电平转换电路、SD卡接口电路、按键与指示灯；以太网通信方面，网络传输模块采用DP83848C以太网控制芯片与所述的ARM构成10～100M自适应以太网；利用工业电源，采取直接或间接的方式给系统中各个模块供电；输入220V交流电源，经过工业电源转换，提供5V，±12V，±24V的电压输出；5V电压通过稳压芯片转换成1.9V或3.3V给DSP、ARM及相关外围芯片供电。

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