面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端及方法

本发明属于网络通信领域，具体涉及一种面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端的架构设计及实现方法。

背景技术：

1、随着科技技术的不断发展，采用燃气轮机或柴油机作为原动机的发电机组的电力推进系统作为目前应用最为广泛的船舶动力系统，而船舶能量管理系统正是根据综合电力系统船舶的实际需求而出现的对船舶电能消耗进行控制与管理的系统，船舶能量管理系统的初期是以陆用电网能量管理系统为基础发展而来，但随着船舶动力系统不断向电气化、自动化深入发展，船舶能量管理系统相对传统陆用电力系统而言其具有动态负荷多、负载容量占发电机总容量的比重大、监测设备数量以及种类多、监测数据实时性与可靠性要求更高的特点。现有的陆用电网能量管理系统无法满足船舶能量管理系统的需求，因此远程数据采集监控终端为核心的船舶能量管理系统正是基于上述特点发展而来。

2、远程数据采集监控终端其具有强大的运算处理能力、大容量的存储、支持运行实时多任务操作系统等优点，在面对船舶能量管理系统运行过程中产生的大量监控数据时仍可保证数据传输的实时性与准确性，因此近些年来在船舶能量管理系统中得到广泛的应用。目前传统的远程数据采集监控终端多数以arm架构的处理器为核心，虽然可以在其上运行嵌入式实时操作系统以保证数据处理的实时性，但在面对呈几何级倍涨的数据量时，其因处理大量数据而增加的处理延时，仍对数据的实时性有较大影响。而近些年来蓬勃发展的fpga(现场可编程逻辑器件)技术可以快速处理大量复杂数据，但相比与arm架构处理器，其执行复杂控制的能力相对较弱，因此本发明设计一种以arm+fpga异构片上系统为核心处理单元的远程数据采集监控终端，将针对大量监测采集数据的操作处理放置在以fpga为核心的可编程逻辑器件端进行，从而保证数据处理的实时性与准确性，同时将针对远程数据采集终端复杂控制指令的处理放置在以arm架构为核心的处理系统端，从而通过借助处理系统端上运行的实时操作系统降低复杂控制开发实现的难度。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的是提供一种面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端的架构设计及实现方法，主要用于设计并实现一种远程数据采集监控终端，使其可以在保证数据处理传输的实时性与可靠性的同时，精准响应并执行复杂的船舶能量管理系统控制指令。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案：面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端，包括：

3、时钟管理模块，用于获取卫星信号中的时间信息，并根据时间信息调整本地时钟；

4、数据采集控制模块，用于对接收到的船舶能量管理系统控制指令进行解析，并控制数据采集板卡按照解析后的控制指令进行数据采集；

5、采集数据处理模块，用于对数据采集板卡采集到的数据添加时间戳，并将带有时间戳的采集数据分别传输到冗余网络传输模块和数据存储模块；

6、冗余网络传输模块，用于将带有时间戳的采集数据构建成两个数据包内容完全一致的冗余数据帧，并分别将两帧冗余数据帧传输到船舶能量管理系统的两个冗余通讯网络中；

7、数据存储模块，用于存储采集数据处理模块处理后的采集数据。

8、运行在以arm+fpga异构片上系统作为核心处理单元的硬件平台上；其中，数据采集控制模块和数据存储模块运行在以arm架构为核心的处理系统端，时钟管理模块、采集数据处理模块、冗余网络传输模块运行在可编程逻辑端。

9、所述时钟管理模块用于根据卫星接收机接收的卫星信号获取时间信息，通过调节电路调整晶振的运行频率，并修改内部时钟寄存器存储的时间信息，使其与卫星信号中的时间信息保持一致。

10、所述数据采集控制模块，通过spi总线控制数据采集板卡执行操作。

11、所述采集数据处理模块，用于将时钟管理模块输出的时钟信息以时间戳的形式添加在数据采集板卡采集到的数据。

12、所述冗余网络传输模块，用于依据prp冗余协议将采集数据处理模块处理后的采集数据构建成两帧冗余数据帧，然后通过千兆以太网接口分别传输到两个船舶能量管理系统冗余通讯网络中。

13、所述数据存储模块将采集数据处理模块处理后的数据通过spi总线存储在外部sd卡存储器中。

14、面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控方法，包括以下步骤；

15、时间同步：获取卫星信号，时钟管理模块解析并提取出卫星信号中的时间信息，并通过调整电路调节本地晶振以及内部时钟寄存器，使远程数据采集监控终端的时钟信息与卫星完全同步；

16、数据采集：数据采集控制模块接收到控制指令后，解析出含有数据采集板卡采集通道以及采集频率的控制信息，并通过spi总线控制数据采集板卡按照控制信息进行数据采集；然后采集数据处理模块对采集到的数据添加时间戳信息；

17、数据传输：冗余网络传输模块将添加时间戳的采集数据依据prp冗余协议构建成两帧冗余数据帧，并通过千兆以太网接口分别传输到两个船舶能量管理系统冗余通讯网络中；

18、数据存储：将采集的数据通过spi总线存储至外部存储器中。

19、本发明是一种面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端的架构设计及实现方法。它具有如下优点：

20、1.数据处理速度快。本发明方法采用以arm+fpga异构片上系统为核心处理单元的架构进行设计，其中核心处理单元的主频可以达到上ghz，并且以fpga为核心的可编程逻辑器件端采用哈弗架构可以对大量数据进行并行处理，在面对mb级别的数据量，处理响应时间仍可维持在10ns级别；在以arm架构为核心的处理系统端上运行嵌入式实时操作系统，在该端对船舶能量管理系统发送的控制指令，其执行响应速度亦可达到ms级别。

21、2.采集数据的时间精度高。首先本发明方法中远程数据采集终端添加在采集数据中的时间戳信息来自于gps/北斗卫星信号，其时间源精度高。其次对采集数据的处理全部在以fpga为核心的可编程逻辑器件端进行，从获取采集数据到采集数据处理完毕之间的延时小，上述两点保证了远程数据采集终端采集的监控数据的时间精度。

22、3.支持采集数据存储。在本发明中处理完毕的采集数据在传输到船舶能量管理系统冗余通讯网络的同时，也会将数据传输到数据存储模块，并通过外部存储设备支持的总线协议存储在外部存储设备中，从而当远程数据采集终端发生故障后，可以通过提取远程数据采集终端的外部存储设备中存储的数据分析故障原因。

23、4.成本低、易于实现。本发明方法中采用的以arm+fpga异构片上系统为核心处理单元的硬件平台，该架构目前已经发展十分成熟，并且本远程数据采集终端的各部分外围模块皆选取成熟的模块电路，因此其整体硬件开发工作量相对较小，硬件成本也相对低廉；本发明中远程数据采集监控终端中运行的各个软件功能模块皆建立在成熟的冗余控制技术、数据处理技术以及嵌入式实时操作系统相关技术基础之上，其软件开发难度亦相对较低。

技术特征：

1.面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端，其特征在于：运行在以arm+fpga异构片上系统作为核心处理单元的硬件平台上；其中，数据采集控制模块和数据存储模块运行在以arm架构为核心的处理系统端，时钟管理模块、采集数据处理模块、冗余网络传输模块运行在可编程逻辑端。

3.根据权利要求1所述的面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端，其特征在于，所述时钟管理模块用于根据卫星接收机接收的卫星信号获取时间信息，通过调节电路调整晶振的运行频率，并修改内部时钟寄存器存储的时间信息，使其与卫星信号中的时间信息保持一致。

4.根据权利要求1所述的面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端，其特征在于，所述数据采集控制模块，通过spi总线控制数据采集板卡执行操作。

5.根据权利要求1所述的面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端，其特征在于，所述采集数据处理模块，用于将时钟管理模块输出的时钟信息以时间戳的形式添加在数据采集板卡采集到的数据。

6.根据权利要求1所述的面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端，其特征在于，所述冗余网络传输模块，用于依据prp冗余协议将采集数据处理模块处理后的采集数据构建成两帧冗余数据帧，然后通过千兆以太网接口分别传输到两个船舶能量管理系统冗余通讯网络中。

7.根据权利要求1所述的面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端，其特征在于，所述数据存储模块将采集数据处理模块处理后的数据通过spi总线存储在外部sd卡存储器中。

8.面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控方法，其特征在于，包括以下步骤；

技术总结
本发明涉及面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端及方法。以ARM+FPGA异构片上系统为核心处理单元实现面向船舶能量管理系统的远程数据采集监控终端，利用在核心处理单元处理系统端擅长执行复杂控制指令的特点实现远程数据采集监控终端的数据采集控制功能和数据存储功能，利用核心处理单元可编程逻辑端高速的数据处理速度，执行远程数据采集监控终端的时钟同步、采集数据处理以及冗余网络传输等时间敏感度要求较高的操作。本发明在数据采集控制技术、冗余通讯传输技术等成熟的技术基础上进行远程数据采集监控终端的架构设计和具体实现，具有成本低、产品化速度快、适用范围广等优点，在船舶能量管理系统领域有广泛的应用前景。

技术研发人员：冮明旭,刘明哲,闫炳均,王志平,胡波,张博
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15