轮机工程毕业论文浅析基于数据采集卡的船舶机舱监控系统设计.docx
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轮机工程毕业论文浅析基于数据采集卡的船舶机舱监控系统设计
浅析基于数据采集卡的船舶机舱监控系统设计
船舶机舱监控系统是船舶自动化系统的重要组成部分。
船舶机舱的自动化程度在某种程度上就代表了整个船舶自动化系统的先进程度。
船舶机舱监控系统主要用于辅佐操作人员监控各项机组运行参数的变化情况，一旦发生异常，立即向操作人员发出警报，以便操作人员在第一时间检查警报信号发生处，并迅速做出处理，以减少非正常情况对船舶动力乃至整个船舶自动化系统造成的损害，从而大大降低船舶的损耗。
一直以来，船舶成本低、高效益、无事故是机舱监控的目的。
因此，研究船舶机舱监控系统有很大的必要性和实用性。
LabVIEW作为编程语言，编程灵活高效且面对对象，其强大的图形编辑能力及可视化编程环境更是快捷简便；数据采集卡作为普遍使用的一种实现数据采集功能的计算机扩展卡，可以通过以太网、USB、火线（1394）等多种型号的总线接入计算机，使用方便。
本文主要介绍了基于LabVIEW和数据采集卡的船舶机舱监控系统，该系统主要包括了用户登录、模拟量采集和开关量采集三部分，其中模拟量部分采集了温度、压力、电压等信号。
系统监控了船舶运行时主柴油机、辅柴油机、电站、主锅炉和辅锅炉的多个相关量。
关键词：
LabVIEW；监控系统；船舶；机舱监控；数据采集。
目录
第一章绪论8
1.1.课题研究目的及意义8
1.2.机舱监控系统国内外研究现状8
1.3.论文的主要内容9
第二章LabVIEW软件介绍10
2.1LabVIEW简介10
2.1.1LabVIEW概述10
2.1.2LabVIEW的优势10
2.2LabVIEW编程环境11
2.2.1启动界面11
2.2.2控件选板12
2.2.3函数选板13
2.2.4工具栏15
2.2.5工具选板16
2.3LabVIEW和数据采集18
第三章机舱监控系统软件设计21
3.1系统组成21
3.2设计步骤21
3.2.1用户登录21
3.2.2模拟量采集23
3.2.3开关量采集29
第四章程序仿真31
4.1用户登录仿真31
4.2模拟量采集部分仿真32
4.3开关量采集部分仿真32
结论33
致谢33
参考文献34
第一章绪论
课题研究目的及意义
船舶机舱监控系统是船舶自动化系统的重要组成部分，船舶机舱监控系统主要用于辅佐操作人员监控各项机组运行参数的变化情况，一旦发生异常，立即向操作人员发出警报，以便操作人员在第一时间检查警报信号发生处，并迅速做出处理，以减少非正常情况对船舶动力乃至整个船舶自动化系统造成的损害，从而大大降低船舶的损耗[1]。
该系统工作的可靠性直接影响到船舶的安全航行。
因此，船舶机舱的自动化程度在某种程度上就代表了整个船舶自动化系统的先进程度。
最初的机舱自动化报警系统主要由继电器和报道提逻辑电路组成，现在已经不适合机舱自动化的发展要求了[2]。
一直以来，船舶成本低、高效益、无事故是机舱监控的目的，因此，研究更先进船舶机舱监控系统有很大的必要性和实用性。
LabVIEW是一个工业标准的图形化开发环境，它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性，以及专为测试测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能，能为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供必要地开发工具[3]。
数据采集卡作为普遍使用的一种实现数据采集功能的计算机扩展卡，可以通过以太网、USB、火线（1394）等多种型号的总线接入计算机，使用方便。
因此把LabVIEW和数据采集卡相结合应用到船舶机舱监测系统具有很好的应用价值。
机舱监控系统国内外研究现状
机舱监控系统是随着控制理论和电子技术的发展而发展起来的,到目前为止其发展历程大致经历了以下四个阶段:
常规仪表监测阶段；电、气动及中小规模集成电子模块组合逻辑监控阶段；以微机为基础的集散型监控阶段；基于现场总线技术的机舱监控系统与全船自动化系统联网监控阶段。
虽然现在船舶机舱监控系统已发展到了即现场总线式全分布式系统（简称FCS），其中有较强实力和影响的有：
FoudationFieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等,它们具有各自的特色,并在不同应用领域形成了自己的优势，但至今尚未形成完整统一的国际标准。
所以就目前来说集散型监控技术已发展得相当成熟,值得为当前绝大多数船舶监控系统所采用[4]。
目前，先进船舶上的机舱自动监控系统大多采用的是多微机分层监控系统，这种监控系统的结构属于典型的集散式监控系统（DCS），一般采用三层结构:
下层有若干个分站构成，中间层作为数据通信站和显示报警处理单元，上层由信息管理单元和数据分析单元等组成。
这种网络化监控系统功能齐全，能实现监控、显示、报警、历史数据存储等日常全部操作的要求，其分散控制，集中监视、操作和管理的系统结构，使监控系统的可靠性和安全性得到了提高，代表着船舶自动监控系统的发展方向。
国外主机监测报警正向更高层次的数字化、网络化、信息化、智能化方向发展。
形成以智能化为核心，具有状态监测、故障诊断、趋势预报等功能的统一管理、集中监测、智能决策和分散控制的新一代综合主机监控管理系统。
相关产品如挪威Kongsberg公司的主机遥控系统提供整套的控制系统和解决方案，能够满足无人机舱的监控要求。
该系统基于标准化的硬件和软件，为客户提供标准化的接口和直观的用户界面；德国Siemens公司的SIMOSIMAC55是一个全开放的模块化分布式网络型监视、控制和报警系统，其系统的构建均采用了工业际准组件，各个功能模块通过网线与设在不同位置的操作站一起形成一个船舶计算机网络；挪威ABB公司的舰船IntegrateAutomationSystem采用了三层网络结构，其信息层采用以太网，控制层和设备层则采用开放式网络控制系统；加拿大CAE公司的工PMS采用了两层网络的结构，分别是控制设备与操作设备之间的管理网以及现场设备与控制设备之间的控制网。
管理网一般采用TCP/IP协议和以太网;控制网则是各种现场总线网络。
控制层面的各种控制器通过现场总线接口与现场总线的智能设备相连，通过以太网接口与信息层进行数据交互。
这些产品的智能化、标准化程度高，水平先进[5]。
论文的主要内容
本文主要研究基于LabVIEW和数据采集卡的船舶机舱监控系统，该系统主要包括了用户登录、开关量采集和模拟量采集三部分，其中模拟量采集部分有包括了温度采集、压力采集、电压采集等几部分。
系统监控了船舶运行时主柴油机、辅柴油机、电站、主锅炉和辅锅炉的数个相关量。
第二章LabVIEW软件介绍
2.1LabVIEW简介
2.1.1LabVIEW概述
LabVIEW是（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种用图表代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。
传统的文本编程语言（如visualbasic、visualC++、Delphi等）根据语句和指令的先后顺序决定程序的执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。
它用图标表示函数，用连线表示数据流向。
LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波表、万用表）类似的控件可用来方便地创建用户界面。
用户界面在LabVIEW中被称为前面板。
使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。
这就是图形化源代码，又称G（Graphics）代码。
LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于数据流流程图，因此又被称为程序框图代码。
前面板上的每一个控件对应于程序框图中的一个对象，当数据“流向”该控件时，控件就会根据自己的特性以一定的方式显示数据，例如开关、数字或图形。
LabVIEW程序被称为VI（VirtualInstrument），即虚拟仪器，这是因为它的很多界面控件与操作都模拟了显示世界中的仪器，例如示波器与万用表等。
LabVIEW的核心概念是“软件即是仪器”，即虚拟仪器上网概念。
LabVIEW中包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等。
这些工具都是向导式的工具，用户只需要一步步按照提示就可以实现仪器的连接和参数的设置[6]。
2.1.2LabVIEW的优势
作为基于图形化编程语言的开发环境，LabVIEW自然、直观、简洁的程序开发方式大大降低了学习难度。
开发者可以通过各种交互式控件、对话框、菜单及函数模块进行编程。
所需做的只是将这些VI模块拖拉到程序框图中，并定义它在应用程序中的功能。
最后将这些控件或VI模块连接起来即可完成仪器设计。
选择LabVIEW开发测试和测量应用程序的一大决定性因素是其开发速度。
通常，使用LabVIEW开发应用系统的速度和比使用其他编程语言快4-10倍。
LabVIEW的主要优势体现在如下几个方面：
（1）提供了丰富的图形控件，并采用图形化的编程方法，彻底把开发人员从复杂苦涩的文本编辑中解放出来。
（2）内建的编辑器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。
因此用户在编写程序的过程中如果有语法错误，它会被立即显示出来。
（3）由于采用数据流模型，它实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器尤其是多处理器的处理能力。
（4）通过DLL、CIN节点、ActiveX、.NET或MATLAB脚本节点等技术，可以轻松实现LabVIEW与其他编程语言混合编程。
（5）通过应用程序生成器可以轻松地发布EXE、动态链接库或安装包。
（6）LabVIEW提供了大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接。
（7）LabVIEW内建了600多个分析函数，用于数据分析和信号处理。
（8）NI同时提供了丰富的附加模块，用于扩展LabVIEW在不同领域中的应用，例如实时模块、PDA模块、FPGA模块、数据记录与监控（DSC）模块、机器视觉模块与触摸屏模块等[6]。
2.2LabVIEW编程环境
2.2.1启动界面
成功安装LabVIEW8.5之后，双击桌面图标或单击开始菜单的对应项，即可启动LabVIEW8.5，其启动界面如图2-1所示。
图2-1LabVIEW8.5中文版启动界面
启动界面左侧的“文件”向导框内列出了最常用的命令，如新建VI、新建项目、新建基于模板的VI等以及最近打开过的项目和VI程序，以便用户使用。
右侧的资源向导框内列出了常用资源（如系统帮助、范例、网络资源）以及对LabVIEW新特性的介绍，这些都是学习和使用LabVIEW的绝佳帮手，特别是其中的“查找范例...”项，提供了丰富的编程实例，几乎所有的常用功能都可以从中找到例子。
单击启动界面上的“新建”下的“VI”项或单击快捷键Ctrl+N，创建一个新VI，会弹出如图2-2所示的前面板和框图编辑窗口。
图2-2前面板和框图编辑窗口
2.2.2控件选板
在前面板进行编程的时候，用鼠标右键单击前面板的空白区域，所弹出的控件选板如图2-3所示，本系统所用的各个子选板及其用途如下。
图2-3控件选板
（1）整体布局
v新式：
提供新式风格的各种控件
v系统：
提供与所在操作系统风格统一的各种控件
v经典：
提供经典风格的各种控件
vExpress（特快通道）：
包含了最常用的几类控件
v.NET与ActiveX：
提供.NET和ActiveX支持的相关控件
选择“选择控件...”项可以读取事先定制好的控件文件，用于添加用户自定义的控件。
（2）控件介绍
新式、系统、经典分别为不同风格的控件子选板，其包含的控件功能是相同的，以新式子选板为例，其下一级子选板及用途有：
v
数值：
数值型控件，如编辑框、滑动条、进度条、表盘等
v
布尔：
布尔型控件，如按钮、开关、LED等
v
字符串与路径：
字符串和路径控件
v
数组、矩阵与簇：
复合型控件，如数组、矩阵和簇
v
修饰：
各种修饰控件，如线条、箭头、形状、标签等，这类控件的特点只是作为前面板装饰用，无对应的框图子程序
2.2.3函数选板
鼠标右键单击框图的空白区域，弹出的函数选板如图2-4所示，本系统所用的各个子选板及其用途如下：
图2-4函数选板
（1）整体布局
v测量I/O：
提供与测量I/O相关的各种函数
v仪器I/O：
提供与仪器I/O相关的各种函数
v数学：
提供大量常用数学函数
v信号处理：
信号处理相关函数
v数据通信：
各种网络通信相关函数和进程同步函数
v互联接口：
各种与外部代码调用、.NET支持、ActiveX支持、注册表读写、版本控制、端口读写、输入设备控制等相关的接口函数
vExpress（特快通道）：
包含了一些最常用的函数和程序框架
选择“选择VI...”项可以从磁盘上读取一个子VI并添加到当前框图中。
（2）控件介绍
子选板中最为常用的是编程子选板，其下一级子选板及其用途如下：
v
结构：
各种结构，用于程序流程控制，如循环结构、选择结构、顺序结构、事件结构、公式节点、MathScript节点、局部变量和全局变量等
v
数组：
与数组操作相关的各种函数，如初始化、增删元素、查找、排序、分割、逆转、二维数组转置，以及数组与簇、数组与矩阵之间类型转换
v
簇、类与变体：
与簇、类和变体相关的各种函数，如簇的捆绑、解除捆绑，以及簇与变体和其他数据类型之间的类型转换
v
数值：
常用的数字计算、各种数值型数据间的相互转换、复数计算和常用数字常量等
v
布尔：
与、或、非、异或等各种逻辑运算和类型转换函数
v
字符串：
与字符串操作、类型转换和XML相关的函数
v
比较：
各种数据比较函数
v
定时：
各种定时、等待、时间类型转换函数
2.2.4工具栏
（1）前面板工具栏
在编辑前面板的时候，界面上方的工具栏可以提供一些便捷功能，尤为实用，如图2-5所示。
图2-5前面板工具栏
其中各个按钮的主要用途如下：
v
运行：
单击可运行当前VI，运行中该按钮变为
，如果该按钮变为
，表示当前VI中存在错误，无法运行，单击该按钮即可弹出对话框显示错误原因。
v
连续运行：
单击可重复连续运行当前VI
v
中止执行：
当VI运行时变亮为
，可单击终止当前VI运行
v
暂停：
单击可暂停当前VI运行，再次单击继续运行
v
文本设置：
对选中文本的字体、大小、颜色、风格、对齐方式等进行设置
v
对齐对象：
使用不同方式对选中的若干对象进行对齐
v
分布对象：
使用不同方式对选中的若干对象间隔进行调整
v
调整对象大小：
使用不同方式对选中的若干前面板的大小进行调整，也可精确指定某控件的尺寸
v
重新排序：
调整选中对象的上下叠放次序
v
显示/隐藏即时帮助窗口：
单击后可显示/隐藏一个小悬浮窗口，其中是关于鼠标所指定对象的帮助内容
（2）框图工具栏
框图界面上方的工具栏与前面板工具栏类似，如图2-6所示。
图2-6框图工具栏
框图工具栏中与前面板工具栏不同部分的按钮用途如下：
v
高亮显示执行过程：
单击该按钮，变为
后，VI运行时变慢，并可观察到数据流在框图中的流动过程，对初学者理解数据流运行方式尤为有用
v
保存连线值：
单击后变为
，可使VI运行后为各条连线上的数据保留值，可用探针直接观察数据值
v
单步进入：
调试时使程序单步进入循环或子VI
v
单步通过：
调试时程序单步执行完整个循环或子VI
v
单步退出：
单步进入某循环或者自VI后，单击此按钮可使程序执行完该循环或者子VI剩下的部分并跳出[7]
2.2.5工具选板
在前面板和程序框图中都可以看到工具选板。
工具选板上的每一个工具都对应于鼠标的一个操作模式。
光标对应于选板上所选择的工具图标。
可选择合适的工具对前面板和程序框图上的对象进行操作和修改。
如果自动工具选择已打开，当光标移动到前面板或程序框图的对象上时，LabVIEW将自动从工具选板上选择相应的工具。
请打开工具选板，选择查看工具选板。
LabVIEW将记住工具选板的位置和大小，因此当LabVIEW重启时选板的位置和大小保持不变。
LabVIEW8.5简体中文版的工具选板如图2-7所示。
利用工具选板可以创建、修改LabVIEW中的对象，并对程序进行调试。
工具选板是LabVIEW中对对象进行编辑的工具。
图2-7工具选板
工具选板中各种不同工具的图标及其相应的功能如下：
v
自动/手动选择切换，当按下自动选择按钮，鼠标经过前、后面板上的对象时，系统会自动选择工具选板中相应的工具，方便用户操作。
当用户选择手动时，需要手动选择工具选板中的相应工具
v
操作工具，用来操纵前面板中的控制量和指示器。
当用它指向数值或者字符量时，它会自动变成标签工具
v
位置、尺寸、选择工具，用来选取对象，改变对象的位置和大小
v
标签工具，用于输入标签文本或者创建标签
v
连线工具，用于在后面板中连接两个对象的数据端口，当用连线工具接近对象时，会显示出其数据端口以供连线之用。
如果打开了帮助窗口时，那么当用连线工具至于某连线上时，会在帮助窗口显示其数据类型
v
对象弹出菜单工具，当用该工具单击某对象时，会弹出该对象的快捷菜单
v
滚动窗口工具，使用该工具，无须滚动条就可以自由滚动整个图形
v
颜色设置工具，用来设置窗口对象的前景色和背景色[8]
2.3LabVIEW和数据采集
数据采集是指从系统外部采集数据并进行转换后传输到系统内部的过程，能够提供这一功能的完整系统被称为数据采集系统（DataAcquisitionSystem）。
一个通用DAQ测量系统其主要的测量任务实质上是由安装在计算机上的软件完成的，而DAQ硬件知识将输入信号转换成计算机所能操作的数字信号。
这意味着一个DAQ设备能执行多种测量任务，不同的测量任务仅仅是软件的不同。
[9]
对于基于计算机的数据采集系统来说，所采集的数据信号一般为电信号（如电压、电流等），所能处理的信号一般为数字信号，所以需要将外部的模拟物理量转换为以电信号表示的数字量后交分析程序处理，这一转换过程称为模拟输入；而有时系统需要向外部提供激励，所以有的数据采集系统也提供模拟输出功能，将内部的数字激励信号转换为模拟输出信号。
典型数据采集系统如图2-8所示。
[7]
图2-8典型的基于PC的DAQ系统
（1）传感器和变换器
数据采集系统的中的传感器和变换器的主要功能是将系统外部的各种类型的物理量转换为电信号，供数据采集系统进行采集和处理。
常见的信号类型有5类，其中模拟信号包括直流（DC）信号、时域信号和频域信号；数字信号包括通断和脉冲序列两种类型。
对同一个信号可以采用多种测量角度。
（2）信号调理
从传感器得到的信号可能会很微弱，或者包含大量噪声，或者是非线性等，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。
信号调理的方法主要包括放大、衰弱、隔离、多路复用、滤波、激励和数字信号调理等。
（3）数据采集设备
数据采集设备的功能是将数据转换为计算机课处理的数字信号，并传递到计算机中去。
通常情况下数据采集设备是一个数据采集卡，与计算机的连接可以采用多种方式。
NI的数据采集设备支持的总线类型包括PCI、PCIExpress、PXI、
PCMCIA、USB、CompactFlash、Ethernet以及火线等各种总线。
数据采集卡的功能包括模拟输入、模拟输出、数字I/O、触发采集和定时I/O。
1 模拟输入
模拟输入主要考虑的基本参数包括通道数、采样速率、分辨率和输入范围等。
通道数——对于采用单端和差分两种输入方式的设备，模拟输入通道数可以分为单端输入通道数和差分输入通道数。
在单端输入中，输入信号均以共同的地线为基准。
对于差分输入，每一个输入信号都有自有的基准地线；由于共模噪声可以被导线所消除，从而减小了噪声误差。
采样速率——这一参数决定了每秒钟进行模数转换的次数。
一个高采样速率可以在给定时间下采集更多数据，因此能更好地反映原始信号。
分辨率——模数转换器用来表示模拟信号的位数即是分辨率。
分辨率越高，信号范围被分割成的区间数目越多，因此，能探测到的电压变量就越小。
在恰当地设计模拟输入电路其他部分的情况下，可以对模拟信号进行非常准确的数字化。
输入范围——输入范围是ADC可以量化的最小和最大电压。
NI公司的多功能数据采集设备对量程范围进行选择，可以在不同输入电压下进行配置。
2 模拟输出
模拟输出用来为数据采集系统提供激励源。
数模转换器（DAC）的一些技术指标决定了所产生输出信号的质量：
稳定时间、转换速率和输出分辨率。
稳定时间——稳定时间是指输出达到规定精度时所需要的时间。
稳定时间通常由电压上的满量程变化来规定。
转换速率——转换速率是指数模转换器所产生的输出信号的最大变化速率。
稳定时间和转换速率一起决定模数转换器改变输出信号值的最大变化速率。
输出分辨率——输出分辨率与输入分辨率相似，它是产生模拟输出的数字码的位数。
较大的位数可以缩小输出电压增量的量值，因此可以产生更平滑的变化信号。
对于要求动态范围宽、增量小的模拟输出应用，需要有高分辨率的电压输出。
3 触发采集
许多数据采集的应用过程需要基于一个外部事件启动或停止一个数据采集的工作。
数字触发使用外部数字脉冲来同步采集与电压生成。
模拟触发主要用于模拟输入操作，当用一个输入信号达到一个指定模拟电压值时，根据相应的变化方向来启动或停止数据采集的操作。
NI公司为数据采集产品开发了RTSI总线。
该总线使用一种定制的门阵列和一条带形电缆，能在一块数据采集卡上的多个功能之间或者两块甚至多块数据采集卡之间发送定时和触发信号。
通过该总线，可以同步模数转换、数模转换、数字输入、数字输出和计数器/计时器的操作。
4 数字I/O（DIO）
DIO接口经常被用来控制过程、产生测试波形、与外围设备进行通信。
在每一种情况下，最重要的参数有可应用的数字线的数目、在这些通路上能接收和提供数字数据的速率、通路的驱动能力。
一个常见的DIO应用时传送计算机和设备之间的数据，这些设备包括数据记录器、数据处理器及打印机。
5 定时I/O
计数器/定时器在许多应用中具有很重要的作用，包括对数字时间产生次数的技术、数字脉冲计时以及产生方波和脉冲。
应用一个计数器/计时器最重要的指标是分辨率和时钟频率。
分辨率是计数器所应用的位数。
越高的分辨率以为着计数器可以计数的位数越高。
始时钟频率越高，计数器递增得也越快，因此对于输入可探测的信号频率越高，对于输出则可以产生更高频率的脉冲和方波形。
（4）PC与软件
软件使PC机和数据采集硬件形成一个完整的数据采集、分析和显示系统。
软件层中的驱动软件可以直接对数据采集硬件的寄存器编程，管理数据采集硬件的操作并把它和处理器中断，DMA和内存这样的计算机资源合在一起。
驱动软件隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提供容易理解的接口[6]。
第三章机舱监控系统软件设计
3.1系统组成
本机舱监控系统基于LabVIEW8.5设计，系统对船舶主柴油机、辅柴油机、电站、主锅炉、辅锅炉、齿轮箱等部分进行监控。
系统主要由用户登录、数据采集两大部分组成，其中数据采集部分分为开关量和模拟量采集两部分。
模拟量采集部分采集了压力、温度、电压等信号。
3.2设计步骤
3.2.1用户登录
用户登录界面用于系统管理员和操作员等的登录，登录成功才可以进入系统进行一系列相关的数据采集操作。
用户登录界面前面板和框图如下图3-3至3-6所示[6]。
图3-4用户登录框图—登录成功
图3
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