摘要 提出了一种泵舱信号转化电路的规划，将船用泵的压力值经过压力传感器发送给操控芯片LPC2294。再经对数据的打包封装，经过以太网操控芯片将数据发送至以太网。此外还给出了转化电路的硬、软件规划流程，并经过测验试验证明其的有用性。该规划关于船用泵压力反常状况具有杰出的预警效果，完结了船员的长途监控要求。
近年来，我国帆海作业快速开展，船只安全也日益成为倍受重视的问题。据统计，自上世纪80年代以来，爆燃和火灾形成的海难事端比重均匀每年递加1%，在我国每年的海难事端近千起，其间因船只起火和爆破形成的丢失约占10%，形成了严重经济丢失和人员伤亡。
作为船只的重要组成部分，泵舱内的各类船用泵的状况直接影响着船只的正常运作，而船用泵的压力值则是各项船用泵状况参数中最具代表性的一种。借助于现代传感器技能的遍及运用，其能替代轮机员正确地完结对机舱中的主辅机等设备和各体系的巡视办理和操控。
本文提出一种依据LC2294处理器的泵舱信号转化电路，完结了对3路4～20 mA电流信号的收集处理，并将4～20 mA电流信号转化为0～1.6 MPa压力信号，当压力信号超越设定门限后进行压力超限光报警，转化差错≤0.01 MPa，一起将压力数据经过10/100 Mbit·s-1自习惯双冗余以太网上传到上位机，数据发送频率≥5次/s。
1 信号转化电路规划
图1所示为本转化电路规划与完结的全体计划框图，其间LPC2294作为信号转化电路的主操控器，扩展了两个10/100 Mbit·s-1自习惯网卡接口，以μC/OS-II实时操作体系作为操控渠道。对TCP/IP协议栈进行裁剪与完结，并经过软件规划完结了对压力传感器的数据接纳转化以及经过以太网进行数据发送。
硬件电路规划首要有6部分：主操控电路、压力信号接纳电路、模数转化电路、存储电路、以太网接口电路和辅佐电路。
1.1 体系主操控器
本规划选用LPC2294处理器作为操控芯片。挑选该芯片是因LPC2294具有超强功用、低功耗以及丰厚的片上资源，并带有先进的检验滤波器，供给了体系的集成度和杂乱度，确保了体系的安稳性。为确保体系关于仓库和数据的存储，还外接了1 MB的16位SRAM存储器IS61WV1024 16BLL。SRAM存储器IS61LV102416BLL选用高功用CMOS技能，其具有低功耗，拜访速度快，支撑主动改写和自改写功用。
1.2 压力信号接纳电路
为习惯不同类型的压力传感器输出，本规划对每个传感器接口设置了两种接纳电路并以跳线办法进行挑选。压力传感器信号首要进入接纳电路，将相应的电流信号转化为电压信号。在压力信号进行模数转化前，为了避免信号的彼此搅扰，确保测验设备和被测验设备的安全，需和谐其之间的电位差，以进步共模抑制比，信号先经ISO124阻隔运算放大器芯片，可将其他杂波搅扰滤除，避免其在随后的模数转化进程中形成丈量数据与实践真值的误差。经ISO124的阻隔净化，信号送入AD7888模数转化芯片将得到的模仿量转化为数字量。
1.3 模数转化电路
本规划中选用规范5 V电源对AD7888进行供电，并将已转化为电压办法的模仿压力信号别离送入模仿信号1～3引脚。因为LPC2294芯片的电平为3.3 V，而AD7888的电平为5 V。因而，LPC2294对AD7888的操控信号需求进行电平转化，这才干安稳的对AD7888进行操控。
规划中运用74LVC245进行电平转化，将来自LPC2294芯片的片选信号、时钟信号以及数据输入信号送入74LVC245，经电平转化后别离输入给AD7888。因LPC2294可承受5 V电压，所以将模数转化后的输出数据直接送入LPC2294的P0.28引脚。其详细电路如图2所示。
1.4 以太网接口电路规划
以太网接口电路首要由DM9000E以太网操控器及HR601860网卡变压器组成。DM9000E是由Davicom公司规划的一款低功耗、高集成、高速以太网操控芯片，其可与CPU直接相连，并支撑10/100 Mbit·s-1以太网衔接，且接口支撑8位、16为32位不同的处理器。体系规划为两个网口，一个主网口，另一个为冗余网口。体系中LPC2294与DM9000E选用16位总线办法进行操控衔接，并将其设定在100 MHz全双工办法下。经过对LPC2294的CS2、CS3引脚进行操控以完结输出片选信号对两个网口进行挑选。电路规划方面将CS2、CS3与74HC245的引脚A2、A1进行衔接，并将74HC245B1、B2引脚别离与冗余网卡芯片及主网卡芯片的ANE引脚相连。再将两个DM9000E芯片的CMD引脚与LPC2294的A2相连。可将主网卡芯片和冗余网卡芯片的数据端口地址与索引端口地址别离装备成为0x83800000、0x83800004和0x83400000、0x83400004。DM9000E的物理层发送和接纳端口TXO+、TXO-、RXI+、RXI-别离与HR601680的TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-相连。如图3所示。
2 软件规划
体系在软件规划中首要进行了操作体系移植、TCP/IP的嵌入式开发环境完结及网络设备驱动程序开发等内容。因为传感器数据是一种少数实时数据，完好的TCP/IP在本体系中并不适用，所以对其进行裁剪来节约资源进步实时性。本部分首要对TCP/IP嵌入式开发环境完结与网络设备驱动程序开发进行扼要阐明，并对全体程序规划加以介绍。
2.1 体系相关数据报文结构
因为本体系首要是完结对泵组进行压力信息收集并经过以太网向上位机进行发送的进程，所以需处理的数据量较小，因而本泵舱信号转化体系选用自界说的UDP数据报文封装办法对所需传输的数据进行封装，并经过设定操控字来对不同功用的报文加以区别。
图4为自界说UDP报文的详细封装，其间前4字节为固定帧头信息，用以表明本体系内的数据报信息。除此之外，前20 bit还包含两边IP地址、序列号等基本信息，余下20 bit后的内容才是监测数据信息。自界说UDP数据报文的数据域首要是由多个信息单元组成的，详细信息单元结构如图5所示。
信息内容长度为8 bit，其间头6 bit别离以2 bit一组标识3组泵组压力的相关信息，每组信息包含泵组作业状况、通道作业状况以及泵组的实时压力数据，其他2 bit为保存字节。曾经2 bit的信息结构为例，如图6所示。
字节0的0～1位表明4种泵组作业状况：泵组未发动(00)、泵组发动(10)、通道未运用实时压力信息置0(10)、通道自检毛病实时压力信息置0(11)。
字节0的2～3位表明4种通道作业状况：自检正常(00)、自检状况毛病(01)、收集信息超限报警(10)、通道处于检修状况(11)。
其他12位信息表明泵组实时压力，其他3组泵组信息结构与其相同。
2.2 TCP/IP协议栈的裁剪与完结
TCP/IP是现在运用最广泛的网络传输协议，虽该协议并不契合世界规范化安排的拟定规范，但其无疑是世界上用户最多的计算机网络协议。TCP/IP是一个4层的协议体系，每个层次均具有不同的协议，完结不同的通讯功用。在嵌入式运用环境下，TCP/IP仍保持着该结构，只是在详细协议的完结进程中，依据功用需求进行了相应的调整，能够满意规划需求即可。嵌入式运用环境下的TCP/IP协议结构及各协议间的联系如图7所示。
2.3 DM9000E驱动程序规划
作为以太网的操控器，以太网操控芯片DM9000E的作业便是对报文办法的封装和传输。详细的DM9000E驱动程序规划包含设备的初始化、发送程序规划和接纳程序规划。作为以太网的操控器，DM9000E的作业便是担任上面介绍的报文办法的封装和传输。
关于DM9000E的初始化进程，首要调用预设的硬件初始化宏界说来完结各网口的硬复位，然后履行软复位的相关操作，如设置I/O办法、PHY寄存器及操控器作业状况等内容，并最终将MAC地址写入MAC寄存器并激活网卡，初始化进程完结。详细的软件规划流程如图8所示。
当运用程序需经过网络传递数据时，DM9000E装备相关寄存器的信息，并调用函数进行发送。规划时，设定DM9000E关于每包数据发送的最大测验次数为6，当超越该值时就将该数据报丢掉。且DM9000E还支撑双缓冲区发送，能有用进步网络传输数据率。别的，为了进步发送数据的实时性，可运用中止办法发动发送函数，由上层协议来调度。
DM9000E的数据包接纳驱动程序相关于发送较为杂乱，在规划进程中将代码放在临界段，以避免在接纳数据时程序意外中止而产生数据包过错等成果。而完结临界段代码的一个重要手法便是使命锁，当使命上锁之后该进程不允许中止，直至代码运转完毕后解锁。若DM9000E顺畅接纳到数据包，需判别数据的位办法，以进行不同的处理后写入内部缓冲区，若数据长度及状况均契合要求，经过调用以太网收包函数进行下一步处理。
2.4 程序规划
信号转化电路的首要功用是将压力传感器的数据接纳并封装经网卡芯片发送至以太网。体系运用μC/OS-II实时操作体系作为体系渠道，经过裁剪、移植使其在LPC2294操控器上顺畅运转。此外，体系中移植了TCP/IP协议的中心功用函数，并首要编写了5个使命函数，使其完结整个体系的中心功用，并经过μC/OS—II体系的使命调度办理机制来进行体系资源的分配。
程序流程如图9所示。体系首要树立设备初始化使命TaskA()，该使命首要完结上电自检、网口断线自检、本机IP及两路网口等网关参数的初始化等。在完结上述作业后，创立4个子使命，按优先级由高到低顺次为TaskB()、TaskC()、TaskD()、TaskE()。其间4个子使命的详细功用如下：
TaskB、TaskC：别离接纳来自上位机的以太网报文，其间TaskB承受UDP报文，TaskC接纳TCP报文，并完结上位机对本模块的参数设置，如IP地址，端口号报文发送办法(UDP或TCP)等。
TaskD：完结接纳3路压力传感器数据，并依照规则的传输办法，将数据封装并发送到以太网。
TaskE：首要功用是守时发送特别报文，如心跳报文、时统报文、作业状况恳求报文及设备确诊信息报文等。
3 试验测验
针对本泵舱信号转化电路的验证，选用模块调试的办法。首要进行硬件电路板的调试，然后进行软件部分不同模块的驱动开发和体系调试。关于A/D模块调试，选用给A/D采样信道一个电压值，用ADS1.2软件仿真的办法检查转化成果是否与理论值相符。测验时给输入通道0输入3 V参阅电压，理论满量程为0x03FF，仿真成果为0x000003FA，其与理论值契合度较高。而关于以太网通讯的调试，调试东西选用Tcp Udp测验东西软件以及网络协议剖析器EtherPeek NX东西对数据报进行捕捉剖析。首要需对相关参数进行设置，设定体系端口号为9211，上位机端口号为9210。体系选用C类IP地址，一致子网掩码255.255.255.0，网关地址设置为192.1.103.1。本体系的IP地址为192.1.10 3.67，上位机的IP地址为192.1.103.66。经过对上位机发送的模仿数据进行数据报捕捉，如图10所示，数据信息经由自界说UDP报头、UDP协议、IP协议及以太网协议顺次封装进行传送，详细的压力信息数据在信息单元后8 bit显示出来，并经过对数据的解析可知晓3组泵处于发动状况并自检正常。经过测验，验证了以太网通讯的杰出功用。
4 完毕语
在对船只安全重视度日益进步的前提下，本文提出一种船只泵舱信号转化电路规划，该规划便利对船用泵的作业状况进行实时监测，以到达对反常状况的提早预警。规划以ARM7系列LPC2294为中心操控器，合作其他芯片完结了将压力传感器输出的压力数据经过网卡传送至以太网的通讯功用。并经过试验验证了信号转化体系的可靠性。此外，针对主动化收集技能的误判问题，下一步的研讨方向可将收集到的数据进行有用地数据交融，用以进步数据准确性，并削减误判的产生。
