0 引言

    船舶、橋梁等的鋼質(zhì)材料與海水接觸，極易受海水強(qiáng)烈的化學(xué)腐蝕以及海洋生物附著的污損，降低了使用壽命，增加了維護(hù)、維修的費(fèi)用，并有可能造成嚴(yán)重危害［1］ 。陰極保護(hù)技術(shù)的原理就是給被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)物表面提供大量電子，被保護(hù)結(jié)構(gòu)物成為陰極，抑制金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移，避免或減弱腐蝕的發(fā)生［2－3］ 。

    陰極保護(hù)通常有兩種方法：犧牲陽極和外加電流兩種［3］ 。犧牲陽極方法由于簡單、經(jīng)濟(jì)，被廣泛采用，但效果欠佳，焊在船體外表面的鋅塊也會(huì)增加船體阻力。使用永久性外加電流的陰極保護(hù)裝置是目前控制鋼質(zhì)船體在海水中腐蝕的最有效方法［4－5］ 。本文采用的即為外加電流陰極保護(hù)的方法。

    陰極保護(hù)技術(shù)在 70 年代開始被美國、日本等各國船體保護(hù)中應(yīng)用并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益［4－6］ 。在 20 世紀(jì) 70－80年代，我國陰極保護(hù)技術(shù)的引進(jìn)、消化和二次開發(fā)才取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，也就是在這個(gè)時(shí)期，研制了一批陰極保護(hù)的材料和設(shè)備，打下了陰極保護(hù)在行業(yè)市場(chǎng)供需鏈的基礎(chǔ)。近年來，該技術(shù)在多個(gè)場(chǎng)合如碼頭工程鋼管樁［7］ 、埋地管道 ［8］ 、海洋平臺(tái)［9］ 等也有應(yīng)用。

    李言濤等在《中國海洋腐蝕科研選題與發(fā)展戰(zhàn)略》［10］ 中指出，隨著計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展 ，陰極保護(hù)電位的監(jiān)測(cè)逐步從以前定期人工檢測(cè)發(fā)展到通過對(duì)電位的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換和邏輯運(yùn)算。電位監(jiān)測(cè)由原來的對(duì)單一點(diǎn)、線的監(jiān)測(cè)，逐漸實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)綜合的監(jiān)控。通過應(yīng)用于局域網(wǎng)的 Intranet 技術(shù)和應(yīng)用于廣域網(wǎng)的 Internet 技術(shù)或電信通信線路 ，可以在整個(gè)作業(yè)海域或企業(yè)內(nèi)甚至于全國各地乃至全球的相關(guān)機(jī)構(gòu)方便地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息共享 、系統(tǒng)評(píng)價(jià)控制和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。本項(xiàng)目中對(duì)多個(gè)（四個(gè)）艦載陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以認(rèn)為是對(duì)該預(yù)測(cè)方向的小規(guī)模嘗試。

    目前陰極保護(hù)項(xiàng)目的計(jì)算機(jī)監(jiān)控研究項(xiàng)目已經(jīng)在開展，然而關(guān)于在線監(jiān)測(cè)的相關(guān)報(bào)道較少。孫虎元對(duì)長江二橋的陰極保護(hù)電路項(xiàng)目論述了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［11］ 。該項(xiàng)目屬于國家依托類項(xiàng)目，對(duì)于小型陰極保護(hù)項(xiàng)目的監(jiān)控設(shè)計(jì)來說并不實(shí)用。

    本文依托某公司的艦體外加電流陰極保護(hù)監(jiān)控設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及人機(jī)交互。其核心是通過陰極保護(hù)系統(tǒng)主控板 AＲM 嵌入式處理器和觸摸屏進(jìn)行傳感器信號(hào)和輸入控制信號(hào)的傳遞。

    下文首先介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了系統(tǒng)主控板和硬件總體設(shè)計(jì)方案。之后重點(diǎn)闡述了然后介紹了主控板 AＲM 芯片的通訊過程和人機(jī)界面觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)。文末對(duì)本文的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行總結(jié)，并給出了下一步的設(shè)計(jì)思路。

    1 外加電流 陰極保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)總體構(gòu)造

    陰極保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)為船載檢測(cè)系統(tǒng)，由多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。

    其中圖 1 左邊的 Marimpress 框代表的是多個(gè)艦載外加電流陰極保護(hù)裝置。圖 1 右側(cè)的虛線框內(nèi)是遠(yuǎn)程監(jiān)控單元。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控單元可實(shí)現(xiàn)多個(gè)艦載陰極電流保護(hù)裝置的電流電壓監(jiān)控。

    單個(gè)外加電流陰極保護(hù)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示，其中最主要的部分有輔助陽極，參比電極，直流大電流發(fā)生器，高電壓變壓裝置以及控制電路板。設(shè)計(jì)思路和注意事項(xiàng)可參見文獻(xiàn)［5］，［7］。本文將重點(diǎn)闡述遠(yuǎn)程測(cè)控單元設(shè)計(jì)。

    2 中央監(jiān)控單元設(shè)計(jì)  

    中央監(jiān)控器是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控中心，具備針對(duì)下級(jí)各個(gè)ICCP 設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)保存等各項(xiàng)功能。但I(xiàn)CCP 設(shè)備的工作并不依賴于中央監(jiān)控器，無論 ICCP 設(shè)備是否與中央監(jiān)控器連接，ICCP 設(shè)備都具備獨(dú)立工作的能力。當(dāng)ICCP 設(shè)備連接到中央監(jiān)控器時(shí)，ICCP 設(shè)備總是執(zhí)行最后一個(gè)輸入的操作指令，而無論該指令是來源于 ICCP 設(shè)備本身的操作面板還是來源于中央監(jiān)控器。若中央監(jiān)控器的操作和ICCP 設(shè)備操作面板上的操作同時(shí)發(fā)生時(shí)，ICCP 設(shè)備將只執(zhí)行本身操作面板的的操作指令，即本地操作指令將優(yōu)先于遠(yuǎn)程操作指令得到響應(yīng)和執(zhí)行。

    2. 1 中央監(jiān)控器工作原理

    中央監(jiān)控器總體機(jī)構(gòu)如圖 3 所示。Arm 芯片 LPC2138 因其性能高、體積小、功耗低、成本低、代碼密度緊湊和供應(yīng)源多等顯著優(yōu)點(diǎn)，是監(jiān)控板采用的處理芯片。它負(fù)責(zé)完成控制所需所有數(shù)據(jù)處理以及通信和控制任務(wù)。其它電路模塊有些則是將外部信號(hào)轉(zhuǎn)換成芯片能夠接收的信號(hào)，有些是提高芯片控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，還有一些則負(fù)責(zé)芯片與其它器件之間的通信，承擔(dān)電壓電流設(shè)定和調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集、外部存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示等功能。通信接口采用 485 總線與 Modbus 協(xié)議。外部存儲(chǔ)設(shè)計(jì)了 SD 和 USB 兩個(gè)接口：前者用于運(yùn)行中保存數(shù)據(jù)使用，后者用于復(fù)制 SD 內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中除了正常工作電源外，增設(shè)短時(shí)后備電源，用于監(jiān)控器掉電時(shí)，保存數(shù)據(jù)之用。

    2. 2 MODBUS 通信

    Modbus 協(xié)議是一種已廣泛應(yīng)用于當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域的通用通訊協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間、或控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）可以和其它設(shè)備之間進(jìn)行通信。Modbus 協(xié)議使用的是主從通訊技術(shù)，即由主設(shè)備主動(dòng)查詢和操作從設(shè)備。一般將主控設(shè)備方所使用的協(xié)議稱為 Modbus Master，從設(shè)備方使用的協(xié)議稱為 Modbus Slave。Modbus 通訊物理接口可以選用串口（包括 ＲS232 和 ＲS485），也可以選擇以太網(wǎng)口。

    本系統(tǒng)中，Modbus 命令幀的發(fā)送采用了 fifo（先入先出）循環(huán)隊(duì)列發(fā)送機(jī)制，而響應(yīng)幀采用中斷方式接收。為確保整個(gè)系統(tǒng)通訊穩(wěn)定，本系統(tǒng)在發(fā)送和接收過程中均進(jìn)行保護(hù)：發(fā)送命令幀過程中加入了超時(shí)重發(fā)、強(qiáng)發(fā)；而在接收響應(yīng)幀過程中，采用了嚴(yán)格的預(yù)判幀格式的方式，確保非法響應(yīng)幀不影響整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，運(yùn)行機(jī)制如圖 2 所示。

    2. 2. 1 循環(huán)隊(duì)列發(fā)送命令機(jī)制

    系統(tǒng)調(diào)用一次發(fā)送 Modbus 命令函數(shù)即將 Modbus 命令幀依次存入 fifo（二維數(shù)組）內(nèi)，運(yùn)行機(jī)制如下：

    （1）初始化時(shí) head 指針與 tail 指針同時(shí)指向二維數(shù)組頭部；（2）命令幀存入 fifo 的地址永遠(yuǎn)都在 tail 指針處，并且當(dāng)命令幀進(jìn)入 fifo 之后，tail 指針自增一次；（3）當(dāng)真正準(zhǔn)備發(fā)送命令幀時(shí)，必須從 fifo 的 head 指針處取命令幀，并且當(dāng)命令幀被發(fā)送出去后，head 指針自增一次；

    當(dāng) head 指針與 tail 指針相等的時(shí)候，本系統(tǒng)則認(rèn)為 fifo為空。如果是因?yàn)槊顜M(jìn)入 fifo 過快而引起 tail 指針追上了 head 指針，本系統(tǒng)則拋棄原來 fifo 中的所有數(shù)據(jù)，依然認(rèn)為fifo 為空。（實(shí)際上系統(tǒng)每一秒鐘才將十余條命令幀存入 fifo，系統(tǒng)有充足的時(shí)間將 fifo 中的命令發(fā)空）。

    2. 2. 2 發(fā)送過程保護(hù)

    系統(tǒng)每次調(diào)用發(fā)送 Modbus 的功能函數(shù)的時(shí)候其實(shí)最終都落實(shí)到 checkfifo 函數(shù)。系統(tǒng)用全局變量 count 在 checkfifo函數(shù)中記錄當(dāng)前距離上次發(fā)送命令幀的時(shí)間，若 count 值過大則說明系統(tǒng)沒有接受到響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)沒有接收到響應(yīng)的時(shí)候，系統(tǒng)需要超時(shí)重發(fā)和強(qiáng)發(fā)命令幀。超時(shí)重發(fā)是指當(dāng) count為 N（N 為測(cè)試值）的整數(shù)倍的時(shí)候，重發(fā)上一次發(fā)送的命令幀，count 隨后清零；超時(shí)強(qiáng)發(fā)是指當(dāng) count 大于等于 N 的3 倍的時(shí)候則強(qiáng)制發(fā)送 fifo 中一下條命令，count 隨后清零。

    2. 2. 3 接受過程保護(hù)

    485 串口通信過程中，由于某些干擾從機(jī)會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤的響應(yīng)幀。系統(tǒng)為了不被錯(cuò)誤的響應(yīng)幀擾亂甚至崩潰，所以在接收響應(yīng)幀的時(shí)候做了非常嚴(yán)格的檢測(cè)機(jī)制。系統(tǒng)在發(fā)送命令幀時(shí)，已經(jīng)將當(dāng)前命令幀保存到了固定的內(nèi)存地址中，所以系統(tǒng)在接收到響應(yīng)的時(shí)候，會(huì)根據(jù)該內(nèi)存中的命令幀迅速預(yù)判響應(yīng)幀的格式以及每個(gè)字節(jié)的準(zhǔn)確范圍。任何沒有通過該檢測(cè)機(jī)制的響應(yīng)幀都將被系統(tǒng)拋棄而不做任何處理，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

    3 串口觸摸屏界面開發(fā)目

    前便攜式觸摸屏設(shè)備的發(fā)展較快，該類設(shè)備具有非常良好的操作便捷性，大大降低了對(duì)于操作者的電腦操作要求，具有反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、可視化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，以豐富的嵌入式系統(tǒng)的輸入方式，已逐漸代替鍵盤和鼠標(biāo)成為嵌入式系統(tǒng)人機(jī)交互的首選輸入工具［12］ 。且該類設(shè)備攜帶型非常好，隨著無線通訊模塊的普及，及價(jià)格的降低，是艦體陰極保護(hù)人機(jī)界面的合適的選擇。

    市場(chǎng)上主流觸摸屏有四種，分為電阻、電容、表面聲波、紅外線掃描類型。本文選用的是四線電阻串口觸摸屏，為北京迪文科技有限公司產(chǎn)品。這款觸摸屏具有高解析度，高速傳輸反應(yīng)，一次校正永不漂移，穩(wěn)定性高。彩色觸摸屏采用 8 英寸迪文串口觸摸屏，屏幕分辨率為 800×600，工作電壓范圍DC3. 3－6. 0 V。

    液晶顯示單元和觸控輸入單元是人機(jī)界面的輸出界面與輸入界面。作為集成化的顯示器件，它包含中央處理單元、液晶顯示單元、觸控輸入單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、通信接口單元等。

    觸摸屏內(nèi)置的存儲(chǔ)單元包括 ＲAM 單元和 Flash 存儲(chǔ)單元，其中 ＲAM 作為處理器緩存。Flash 用于存儲(chǔ)顯示圖形文件及觸控配置文件。通信接口實(shí)現(xiàn)串口屏與儀器主控單元之間的信息交互，包括接收儀器主控單元發(fā)送過來的指令以及將觸摸屏所獲取的信息上傳給儀器主控單元。

    3. 1 觸控按鍵操作 

    串口觸摸屏本身為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，所需的硬件資源較少。通過串口，采用中斷接收以及查詢發(fā)送的方式實(shí)現(xiàn)與主控板 LPC2138 通信。

    串口屏支持自動(dòng)觸控按鍵響應(yīng)，只需通過調(diào)試助手事先對(duì)所有觸控按鍵設(shè)置雙字節(jié)十六進(jìn)制的指令代碼 （ 如0x0001）。并將串口寄存器配置為單字節(jié)觸發(fā)方式，串口模式為 8n1，即每幀數(shù)據(jù)格式為 1 個(gè)起始位，8 個(gè)數(shù)據(jù)位，1 個(gè)停止位，無校驗(yàn)位。串口接收及發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖如圖 3 所示。

    點(diǎn)擊觸摸屏按鍵（指令代碼有效區(qū)域），觸摸屏返回該鍵指令代碼（以 0x0001 為例）：AA 78 00 01 CC 33 C3 3C

    在串口接收中斷程序中，設(shè)置一個(gè)接收緩沖區(qū)，將觸摸屏返回的所有數(shù)據(jù)接收完畢，并提取所需鍵值 0x01 轉(zhuǎn)存給寄存器 key，通過判斷 key 執(zhí)行相應(yīng)的子程序片段。

    發(fā)送數(shù)據(jù)程序中，需要按照迪文屏的通信格式 AA CMD……CC 33 C3 3C。為了判斷某串指令是否發(fā)送完畢，在每個(gè)數(shù)據(jù)串后面加一個(gè)終止符 0xfe。

    3. 2 觸摸屏應(yīng)用舉例

    對(duì)觸摸屏的應(yīng)用不光是要對(duì)主控芯片進(jìn)行編程，還要自己制作觸控界面和設(shè)置按鍵鍵碼。將制作好的觸控界面圖片和按鍵鍵碼用專門的軟件按照順序上傳至觸摸屏內(nèi)存，這樣圖片就有了自己的頁面編號(hào)。到時(shí)候只需調(diào)用圖片的編號(hào)就可控制觸摸屏在不同頁面間的切換。

    舉一個(gè)簡單的觸摸屏應(yīng)用的例子，如圖 4 所示。

    圖 4 是本文在應(yīng)用觸摸屏當(dāng)中用到的一個(gè)密碼操作的例子。界面 1 是整個(gè)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的主菜單，它上面的每一種按鍵對(duì)應(yīng)不同的功能，包括時(shí)鐘設(shè)定，密碼操作，SD卡和 USB 模塊操作等。

    當(dāng)按下寫有 PASSWOＲD 字樣的按鍵之后，觸摸屏將該按鍵對(duì)應(yīng)的鍵碼傳回到主控芯片上，芯片根據(jù)此時(shí)觸摸屏顯示的頁碼和收到的按鍵鍵碼作出響應(yīng)，發(fā)送命令讓觸摸屏進(jìn)入界面 2。

    該界面是密碼輸入界面，為了安全，在設(shè)置新的密碼之前必須要輸入老的密碼。接著芯片又發(fā)送一道輸入文本命令，在輸入密碼的位置建立一個(gè)文本框，用于顯示輸入了幾位密碼。圖中的數(shù)字鍵都被預(yù)先設(shè)定了相應(yīng)的默認(rèn)阿拉伯?dāng)?shù)字的鍵碼。在按下這些數(shù)字按鍵時(shí)，觸摸屏并不會(huì)回傳鍵碼，但會(huì)在文本框顯示星號(hào)，用來告訴工作人員已經(jīng)輸入了幾位。只有當(dāng)按下OK 鍵后，觸摸屏才會(huì)將之前輸入的密碼信息一并回傳至芯片。芯片收到了操作員輸入的密碼后，與原先設(shè)定的正確密碼作比對(duì)。如果密碼錯(cuò)誤則跳轉(zhuǎn)到界面 3。按下界面 3 中的 OK 按鍵，則又返回界面 2，重新輸入密碼。如果密碼正確，芯片會(huì)發(fā)送命令讓觸摸屏跳轉(zhuǎn)到界面 4，開始新的密碼設(shè)置。

    界面 4 中要求對(duì)新的密碼設(shè)置兩遍，在完成兩次輸入后，芯片會(huì)對(duì)兩次輸入的密碼進(jìn)行逐位匹配。如果兩次輸入的密碼不相同則會(huì)跳轉(zhuǎn)到界面 5，提醒操作人員密碼不匹配。如果相同，則新的密碼設(shè)置成功，LPC2138 芯片將記錄下新設(shè)置的密碼，并跳轉(zhuǎn)到界面 6。最后再由界面 6 返回到主菜單中。

    4 系統(tǒng)測(cè)試

    系統(tǒng)測(cè)試采用 TI 的 MSP430 模擬控制 4 臺(tái)艦載外加陰極保護(hù)系統(tǒng)，通過串口屏界面對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，并回讀設(shè)置參數(shù)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取頻率為 1s。當(dāng)設(shè)定參數(shù)上下限值超出時(shí)，在串口屏上會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)提示，并能夠產(chǎn)生一條操作記錄數(shù)據(jù)至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫記錄回讀的 ICCP 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，記錄頻率可通過串口屏設(shè)置，設(shè)置范圍為3－10 分鐘。當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超出上下限設(shè)定參數(shù)，產(chǎn)生警報(bào)信息。

    5 總結(jié)和展望

    本文文中重點(diǎn)介陰極保護(hù)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件硬件設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)多艦體監(jiān)測(cè)，云檢測(cè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。詳細(xì)講述了 MODBUS 通信實(shí)現(xiàn)的通信過程，及串口屏的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。通過調(diào)試及應(yīng)用驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)是一種運(yùn)行可靠、性能優(yōu)良的通用型遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景，很好的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前瞻性。

    目前控制系統(tǒng)雖然能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)，但是不能確定具體的故障位置。可增加關(guān)鍵部位數(shù)據(jù)采集，報(bào)告出具體的故障地點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性。

    參 考 文 獻(xiàn)

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