基于ARM+FPGA+AI的船舶状态智能监测系统（二）软硬件设计，模拟量，温度等采集与分析

根据设备总体方案，本设计已确定硬件板卡由一块核心板和三块功能板卡
组成，对于核心板本设计采用外购，而三块功能板卡选择自研。本课题的核心
板主要包括 ZYNQ 主控芯片等，对此需进一步确定芯片型号，根据课题需求和
详细分析，对于核心板的选购，主要有以下需求：
（1）由于本设计包括多路振动信号、温度信号以及模拟电压量、电流量的
数据采集，还有多路各种通讯接口的设计，因此对于主控芯片的引脚等资源需
求较多，并且由于这些功能的实现是在 FPGA 方面实现，因此对于 FPGA 方面
的逻辑资源也需求较多。此外，采用固态硬盘进行数据存储，其主控芯片需要
具备高速接口资源。
（2）由于本课题实现功能较多，数据量大，对于数据缓存应尽量容量大。
此外由于还需管理以上大量的功能任务，根据合理分析，CPU 主频应不应低于
1GHz，并尽可能高。
经过调研，本课题发现 Xilinx 公司 ZYNQ 系列推出了新一代的 UltraScale
架构，此架构在 ZYNQ-7000 系列芯片的基础上进行了优化，相比前代系列提供
了更多的逻辑资源和更优良的运行速度。此系列包括ZYNQ UltraScale+ MPSoC、
ZYNQ UltraScale+ RFSoC 两种，后者适合于雷达方面的射频领域，与本项目研
究方向不同，会造成不必要的资源浪费。故本项目采用了 ZYNQ UltraScale+
MPSoC 芯片[41]，根据提出的技术指标，得出机舱监测设备需要强数据缓存能力
和数据处理能力，因此选用 CPU 主频更高、缓存速度快和容量大的 DDR 芯片
有利于设备长时间工作，也有利于后续产品的更新换代。综合考虑项目指标，
选择了某公司设计的符合工业级别标准的核心板卡，即 XCZU5EV 核心板，作
为监测设备的核心控制板卡。此核心板卡的实物图如图 3-1 所示。
3.3 模拟量板卡设计
模拟量信号采集板卡作为系统的功能板卡之一，负责实现振动信号、模拟
电压量、模拟电流量、温度信号采集的功能。
3.3.1 振动信号采集电路设计
3.3.1.1 振动传感器选型
在船舶振动监测中，选择合适的振动传感器至关重要。船舶振动是由船上
各种设备受力引起的，这些力会导致结构的形状和位置发生变化。为了表征这
种振动，可以使用位移、加速度和速度等参数。不同的参数具有不同的特点和
适用性。由于船舶设备的变化根本是由力的变化引起的，通过测量加速度可以
直接获取船舶设备的受力情况[42]，并且加速度可通过积分的形式得到速度和位
移的信息，因此本课题选用加速度传感器作为本次振动信号采集的参数。
加速度传感器包括多种类型，主要有电容式、压阻式和压电式等。经过调
研，本课题发现船舶各设备产生的振动频率主要为低频信号。在三种传感器类
型中，压电式传感器相较于其他两种更适合低频振动的测量。因此，本课题选
择了美国 IMI 公司的 603M170 工业 ICP/IEPE 加速度传感器。该传感器的频率
测量范围为 0.4~14KHz，具有高灵敏度和快速响应等特点，可以保障信号的精
度和实时性。此外，该传感器还具有良好的耐温性能和耐腐蚀性能，能够适应
船舶工作环境中可能存在的高温、湿度和腐蚀因素。该传感器如图 3-5 所示。

3.3.1.2 模拟信号调理电路设计
本课题的模拟信号调理电路主要承担着与 ICP/IEPE 传感器协同工作的任
务，旨在实现振动信号的高精度采集。由于本设计选用的加速度传感器输出信
号幅值不在 ADC 的采样范围内，同时在传输过程中该信号很容易受到来自各种
外界信号的干扰[43]。因此在此振动信号采集电路中，设计信号调理电路来调整
对振动信号的检测范围和抗干扰能力。模拟信号调理电路的框图如图 3-6 所示，
包括传感器供电电路、信号隔直电路、抗混叠滤波电路以及单端转差分电路。
3.3.2 模拟电压/电流量采集电路设计
根据课题确定的技术指标，模拟电压量、电流量采集功能需设计 8 路电压
信号和 8 路电流信号采集电路，其中 8 路电压信号的量程要大于 10V，另外 8
路电流信号的量程应包括 4~20mA。本课题以满足数据采集的精度要求、采样率
达到技术指标为前提，对 ADC 分辨率定为 16 位，同时考虑到板卡体积的限制，
采用多路复用方式。在满足这些条件下，对 ADC 芯片进行选型，通过分析，采
用了 ADI 公司适合此多路复用设计的模数转换芯片 AD7915。总体设计的原理
框图如图 3-18 所示。
设备功能测试与验证
在前几阶段，本文已经成功完成了船舶监测设备的硬件和软件设计，然而，
项目的关键部分在于验证这一平台的性能和功能是否能够满足用户的技术要求。
因此，本章将重点介绍如何对这一船舶监测设备进行功能与性能验证。首先详
细介绍测试的具体内容，然后将对测试环境和所用的测试仪器进行概述，随后，
依次根据技术指标对设备的功能进行测试，最终，将给出船舶监测设备的测试
和性能验证的详细分析结果。
5.1 设备测试内容
本课题研制的船舶机舱监测设备功能模块众多，从模拟硬件电路到 FPGA
数字硬件逻辑，再到 ARM 端软件的控制，共同完成了各模块的功能实现。对于
测试应保持先硬件核软件的测试方法，由于本课题需测试的硬件电路太多，选
取了直接测试监测设备各模块功能来呈现效果。首先对供电进行测试，然后对
振动信号采集功能，模拟电压/电流量采集功能，RS232/485 通信功能，CAN 模
块通信功能，双网口通信功能等依次完成测试。
5.2 测试环境
5.2.1 设备实物图
本课题研制的船舶机舱监测设备，除了机箱等，目前完成的电路板实物及
个人实验室测试环境图如图 5-2 所示。

结构上采用了三层叠层结构，对应硬件设计中的三大单元模块。制作过程
中，严格选取了工业级及军品级的元器件、功能组件和模块，并全部实现了三
防工艺处理。其三块电路板卡如图 5-3、5-4 所示，由于模拟量采集板卡空间不
足原因，温度采集电路设计到数字量板卡中。

5.4 振动信号采集功能测试
振动信号在船舶机舱监测中具有重要作用，因为其可以提供有关发动机等
设备运行状态和船体状况的重要信息。因此，本部分旨在测试自研船舶机舱监
测设备的振动信号采集和处理功能。
对于信号测量，在测试中，使用信号发生器来模拟信号，并使用示波器作为
对比来验证信号的指标。各个设备的测试连接示意图如图 5-5 所示。
首先通过对此功能所用 AD7768 芯片的 FPGA 驱动逻辑模块添加 ILA（逻
辑分析仪）探针进行测试，上电后烧入比特流，进入调试界面。AD7768 驱动模
块测试波形图如图 5-6 所示。
5.5 模拟电压/电流量采集功能测试
模拟电压量和模拟电流量测试旨在验证船舶监测系统的模拟信号采集模块
的性能，确保其能够准确、稳定地采集模拟电压量（0 到 10V）和模拟电流量（4
到 20mA）信号，满足指标要求。
在测试中，使用直流电源用来产生测试信号，高精度万用表来验证信号的
指标。设备连接图如图 5-10 所示。
5.6 温度采集功能测试
温度测试与电压采集类似，首先对其温度采集驱动逻辑添加逻辑分析仪进
行测试，MAX31865 逻辑测试图如图 5-12 所示。
由图可知，驱动逻辑可正常工作，接下来测试温度采集的精度性能，将连接
PT100 的监测设备放置实验箱（可设置温度）中测试，测试结果如表 5-5 所示。
由表可知，每组不同温度测试的最大误差均小于 0.2
°
℃，满足基本系统指标
要求，后续可通过数据处理及校准进一步提高精度。
本章主要对船舶机舱监测设备的整体功能和性能进行检测。首先概述了设
备的测试内容，其次对船舶机舱监测设备的各大功能模块进行了测试，并采用
了图表的形式展示各功能模块的测试结果，以清晰、直观的方式呈现了设备在
各个方面的性能表现。通过对所有测试结果的整体分析，验证了本文研制的船
舶机舱监测设备验证了设备功能满足设计要求。