基于MBD的海上船舶浮沉运动监测系统的设计及验证

摘要

海洋运输业以其成本低、装载量大等优势在当今运输行业中的地位日益重要，船舶的安全营运问题日趋突出，船舶以及一些浮式海洋工程结构在海上的运动状态越来越受人们的关注，相关的监测产品也成为当前的研发热点。DSP信号处理器以体积小、成本低、处理速度快等优点被广泛应用于各类监测系统中，但传统的DSP代码开发过程周期长、效率低，对开发人员能力要求较高，严重影响了产品的开发成本和研发难度。MathWorks公司提出了基于模型的设计方法（MBD，model-based design），可以编译生成相应的目标处理器代码，自动调用DSP集成开发环境CCS在目标处理器上进行算法验证。因此，利用MBD方法开发一种基于DSP处理器的船舶海上浮沉运动监测系统，不仅开发周期快速便捷，而且系统在实际工程中具有重要的实用价值。
　　首先，论文在分析信号的采集方案、位移数据提取流程等船舶浮沉运动监测系统的基本工作原理基础上，完成了船舶浮沉运动监测系统的总体设计方案，并重点阐述了基于模型设计方法的系统开发流程及实现技术。
　　其次，给出了系统的硬件设计。系统由信号采集模块、A/D转换模块、信号处理模块、串口通信模块及上位机显示模块组成。信号采集模块的传感器采用ADI公司的一款完整薄型三轴加速度计ADXL335，并在电路设计时包含了信号放大、干扰抑制等调制电路。A/D转换器选用TI公司的一款24位精度∑-△型高性能模数转换器ADS1256。通过DSP微处理器来完成位移数据的计算和传输工作。上位机将通过串行通讯接口收到的位移数据进行实时显示和深入处理。
　　再次，基于MBD方法设计并初步验证了船舶浮沉运动监测系统的嵌入式软件，并介绍了上位机软件监测平台的实现。
　　最后，本文将系统的软硬件部分进行集成，形成了一套可独立运行的DSP嵌入式船舶浮沉运动监测系统，进行了实验验证。实验结果表明，该系统测量精度为5cm，最大量程1000cm，系统误差10cm，满足设计需求;基于MBD方法可实现系统的快速高效开发，以DSP微处理器进行运算和控制、配合MEMS传感器进行数据采集的船舶浮沉运动监测系统具有结构紧凑、成本低、大量程、高分辨率、小型化、集成化、实时性等特点，具有广泛的应用前景。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 船舶浮沉运动监测实现技术的分类

1．3 船舶浮沉运动监测研究现状

1．4 论文结构及本文主要内容

1．4．1 研究内容及主要工作

1．4．2 论文主要内容

2 船舶浮沉运动监测系统的总体设计

2．1 监测系统的需求分析

2．1．1 信号采集方案

2．1．2 信号处理过程

2．1．3 船舶浮沉运动监测系统上位机管理系统

2．2 监测系统硬件及软件实现技术

2．2．1 DSP嵌入式实时处理系统

2．2．2 基于模型的设计方法

2．2．3 MFC程序开发

2．3 基于模型的设计方法在船舶浮沉运动监测中的应用

2．4 本章小结

3 船舶浮沉运动监测系统的硬件设计

3．1 船舶浮沉运动监测系统的原理设计

3．2 船舶浮沉运动监测系统的硬件电路设计

3．2．1 加速度信号采集模块设计

3．2．2 A／D转换模块设计

3．2．3 位移信号提取模块设计

3．2．4 信号传输模块设计

3．2．5 电源模块设计

3．2．6 PCB电路设计

3．3 本章小结

4 基于MBD的船舶浮沉运动监测算法设计及嵌入式软件实现

4．1 信号处理流程

4．2 位移提取算法设计

4．2．1 去直流模块

4．2．2 数字滤波模块

4．2．3 数字积分模块

4．2．4 去趋势项模块

4．2．5 信号传输模块

4．3 仿真结果及分析

4．3．1 模型仿真

4．3．2 软件在环测试

4．3．3 处理器在环测试

4．4 算法性能验证

4．5 AD转换模块

4．5．1 加速度提取程序

4．5．2 AD驱动程序

4．5．3 集成自定义代码和Matlab生成代码

4．6 本章小结

5 上位机软件设计

5．1 上位机系统软件监测平台

5．2 数据分析模块

5．2．1 实时数据显示

5．2．2 历史波形回放

5．2．3 数据导出

5．3 用户管理模块

5．3．1 用户登录

5．3．2 修改密码

5．3．3 用户管理

5．4 本章小结

6 测试结果及分析

6．1 加速度测试实验

6．1．1 加速度测试实验方案设计

6．1．2 试验结果分析

6．2 模拟相对浮沉测试试验

6．2．1 模拟相对浮沉测试实验方案设计

6．2．2 试验数据分析

6．3 系统性能参数

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢