基于VxWorks的燃气轮机数据记录仪的设计与研究

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摘 要：燃气轮机正在向自动化、智能化的方向发展，附加设备增多，运行时采集的参数量也不断增加，对数据监测与记录设备提出了更高的要求，针对燃气轮机在运行时长期、可靠存储数据的需求，对PC/104模块与VxWorks操作系统进行了研究，并设计了一款船用燃气轮机数据记录仪，在试验和试航中取得了良好的效果。

关键词：数据记录仪；PC/104；VxWorks；燃气轮机

引言

燃气轮机以其优良的动态性能，在舰船动力系统中占有重要的地位。随着舰船事业向自动化、智能化的不断进步和发展，监测的数据量也不断增加，而且工作环境比较恶劣，因此对船用燃气轮机数据监测与记录设备提出了更高的要求。船用数据记录仪是用来记录其各种信息的存储设备，一旦船舶发生事故，这个存储设备能抵制住各种恶劣的环境并保存下来，以便记录的数据能被取回分析。船用燃气轮机数据记录仪则是主要针对舰船动力主设备燃气轮机运行时各个参数的采集与数据记录，一旦发生燃气轮机故障，能立刻对已记录的运行数据进行分析，找出故障原因，恢复燃机的正常运行，因此，为了满足燃气轮机在运行时长期、可靠存储数据的需求，用来记录燃气轮机运行参数的数据记录仪扮演着至关重要的角色，在故障分析、经验总结及责任判明等方面提供了有力的依据。

以往的数据记录仪多采用Windows或者DOS操作系统，或多或少存在着死机、数据丢包等故障现象。文章设计了一种基于PC/104模块与VxWorks操作系统的船用燃气轮机数据记录仪，这种数据记录仪采用了专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，各模块之间连接紧固、不易松动，适用于强烈振动的恶劣环境，同时凭借高性能的微内核wind，保证了系统资源的合理分配，提高了系统的可靠性，充分发挥了体积小，抗冲击，抗振动，实时可靠的优点，为现场数据的实时性、真实性提供了保障，是一款新型的船用数据记录仪，该船用数据记录仪已通过试验验证，并正式投入使用。

1 工作原理

文章设计的燃气轮机数据记录仪主要实现了将燃气轮机运行时的各个参数进行了采集、分类、压缩、存储、删除等功能。为了完成以上各功能，采用了PC104总线嵌入式工控机作为硬件核心，VxWorks操作系统作为软件设计平台的模式进行。

燃机控制系统不断将燃机控制系统采集的模拟信号和数字信号通过RS422送往PC/104模块，PC/104在VxWorks操作系统中通过Tornado软件设置计算缓存大小并将数据分类、压缩存储在DOM盘中，在存储过程中，若发现数据超限，将自动删除最早日期的文件以保证新数据的记录。

2 硬件电路设计

数据采集的应用在当今工业化、信息化相对发达的时代极为广泛，并且作用日益明显，而PC104总线规范结构更是为了满足当今的工业控制领域的需要应运而生[1]，因此该船用燃气轮机数据记录仪使用PC104总线嵌入式工控机作为核心，由以下几部分组成：主控制板、最终存储器、电源、扩展口模块及报警模块等，同时还可以根据测试或检验的需要通过处理器主板上的接口外接鼠标键盘和显示器。

主控制板采用PC/104作为主控制器，包含：PC/AT母板、CPU、可编程计数/定时器、DMA通道、中断通道、内存、串行借口、固态盘等。PC/104模块功耗较低，且结构紧凑，集成度高，安装方便，模块化结构能够满足多种应用的要求。

电源由主电源和备用电源组成，主电源由燃机控制系统提供，备用电源由电池提供，当燃机控制系统供电出现异常时自动切换到备用电源供电，并立刻将当前数据进行保存。

数据记录仪与燃机控制系统通过标准RS422串行总线进行通讯，接收燃机控制系统采集到的数据，存储在军用DOM盘中。

3 软件设计

VxWorks操作系统是一种具有微内核、高性能、可伸缩的嵌入式实时操作系统（RTOS），该操作系统具有良好的有效性、兼容性、可裁减性以及互操作性，广泛应用在通信、军事、航空等高精尖技术及实时性要求极高的领域中[2]，同时因为软硬件的紧密结合，作为能完成一种或多种特定功能的计算机系统，特别适用于要求实时的和多任务的应用体系。因此，文章设计的燃气轮机数据记录仪在VxWorks平台上配合Tornado集成开发环境使用C语言编写了系统控制程序，实时接收燃机控制系统通过RS422串口发送来的燃机运行数据，并将数据进行分类处理、压缩、存储以及删除等功能。为了使各个环节正常工作互不影响，使用了多线程的编程思想，各部分的程序同时运行，从而保证记录仪能够长期稳定可靠的运行，软件结构设计如下：

（1）程序初始化子程序：该部分主要包括RTC时钟的初始化，根据配置文件对相应的串口进行初始化等。

（2）串口读取子程序：该部分采用select机制读取燃机控制系统装置发来的数据，并将接收到的数据交给数据解析模块进行处理。

（3）串口写入子程序：该部分向燃机电子监控装置发送数据包，请求对方发送燃机运行数据。

（4）数据协议解析子程序：该部分根据协议规则，对串口收到的数据进行解析，并对模拟量和开关量进行处理分类。

（5）数据记录子程序：该部分以1Hz的频率将运行数据实时记录到文件中。

（6）数据压缩子程序：该部分负责将前一天的数据文件进行压缩，以节省CF卡的空间，同时标注好正确的存储路径、文件名、时间等相关信息，便于文件的扫描和查询。

（7）文件扫描删除子程序：定时器定期扫描磁盘的剩余空间，删除沉旧文件，保证足够可用的磁盘空间，同时保持着当前系统的最新的数据记录。

数据记录仪多线程编程的系统结构图如图2所示。

周期性检查磁盘剩余空间的程序如下：

Void periodic_delete（）{

struct statfs st；

unsigned long long blocksize，totalsize，freesize；

int fd=open（"/"，O_RDONLY，0）；

FOREVER{

if（fstatfs（fd，&st）==OK）{

blocksize=st.f_bsize；

freesize=（blocksize*st.f_bfree）>>20；

if（debug）{

cout<<"free size："<

}

if（freesize

delete_file（）；

}

}

else{

cout<<"fstatfs error＼n"<

}

taskDelay（sysClkRateGet（）*DELETE_PERIOD）；

}

Close（fd）；

4 结束语

PC/104嵌入式计算机模块为系统设计者们提供了整套低成本、高可行性、能迅速配置成产品的结构化模块。[3]VxWorks实时操作系统则提供了良好的可靠性和卓越的实时性。[4]船用数据记录仪融合了PC/104和VxWorks嵌入式的优点，监控稳定性好、精度高，为舰船动力装置的正常运行提供了保障，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]胡长碧，张冰，胡煜.基于PC/104的数据记录仪的设计与应用[J].航海工程，2008.

[2]陈蜀 ，李鹤鸣，余瑞锋.船舶数据记录仪的主程序设计[J].船海工程，2006.

[3]张广莹，徐丽娜，邓正隆.PC/104嵌入式计算机的应用[J].自动化技术与应用，2000（19）.

[4]高磊，郝成，闫尚敏.基于VxWorks的数据采集存储系统设计[J].数字技术与应用，2011.

作者简介：孙倩（1986-），女，工程师，研究方向：硬件电路研发，数据采集。

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