華逸飛，李維波，方雄偉，許智豪，徐聰，員欽生

1武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070

2海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430033

3上海船用柴油機(jī)研究所，上海200090

0 引 言

傳統(tǒng)的艦船推進(jìn)方式采用原動(dòng)機(jī)進(jìn)行推進(jìn)，而目前的電力推進(jìn)艦船則是由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，然后通過(guò)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳進(jìn)行推進(jìn)。電力推進(jìn)由于具有諸多明顯的優(yōu)勢(shì)已成為21世紀(jì)艦船動(dòng)力發(fā)展的主要方向，而能量管理系統(tǒng)則是電力推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分［1-2］。

能量管理系統(tǒng)可對(duì)艦船電能進(jìn)行集中調(diào)度、管理和控制，是綜合電力系統(tǒng)艦船的核心控制部分之一。能量管理系統(tǒng)能夠綜合考慮并實(shí)現(xiàn)發(fā)電自動(dòng)化、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)警、輸配電監(jiān)控保護(hù)及用電設(shè)備的監(jiān)控管理，能綜合優(yōu)化船舶電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及安全穩(wěn)定性，為現(xiàn)代大型船舶提供穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)的電力能源［3-4］。

能量管理系統(tǒng)通常采用“二層網(wǎng)絡(luò)、三級(jí)設(shè)備”的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，頂層一般采用冗余的工業(yè)以太網(wǎng)連接各種設(shè)備控制器，下層一般為CAN總線組成現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，與底層設(shè)備進(jìn)行連接［5-7］。

艦船能量管理系統(tǒng)中的可視化系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)接口單元，負(fù)責(zé)整個(gè)能量系統(tǒng)中參數(shù)的顯示、管理以及故障的實(shí)時(shí)報(bào)警，同時(shí)能夠?qū)Φ讓釉O(shè)備下達(dá)控制指令，是艦船能量管理系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障。

傳統(tǒng)的嵌入式圖形可視化開發(fā)一般使用Microsoft Visual C++（VC），QT等軟件，這些軟件雖然能夠達(dá)到理想的人機(jī)界面，但是存在開發(fā)周期長(zhǎng)、上手難度大等缺點(diǎn)，為此，本文采用Tilcon軟件進(jìn)行可視化應(yīng)用研究。目前，Tilcon軟件作為VxWorks操作系統(tǒng)下的圖形可視化開發(fā)工具，具有大量的成熟控件，無(wú)需像傳統(tǒng)的可視化開發(fā)軟件那樣，通過(guò)調(diào)用函數(shù)去畫線填充以及美化圖形，把用戶從大量編碼的圖形可視化開發(fā)方式中解放出來(lái)，簡(jiǎn)化了嵌入式圖形的可視化開發(fā)過(guò)程［8-9］。

為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，本文采用VxWorks操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)是由美國(guó)Wind River公司針對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。由于其高性能、高可靠性、可剪裁性以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍用和民用的高科技領(lǐng)域［10］。

本文將以某艦船的能量管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，針對(duì)該船的實(shí)際情況，給出艦船能量管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析UDP通信并提出設(shè)計(jì)方案，研究網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的可視化關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法，確保艦船能量管理系統(tǒng)能夠健康、安全和可靠運(yùn)行。

1 艦船能量管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

某艦船能量管理系統(tǒng)由1個(gè)可視化系統(tǒng)、1臺(tái)能量管理系統(tǒng)中心控制器以及下層的供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、推進(jìn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障錄播系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)的主干控制網(wǎng)采用雙冗余CAN網(wǎng)，顯示用數(shù)據(jù)網(wǎng)采用雙冗余以太網(wǎng)。能量管理系統(tǒng)中心控制器為整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)的處理、調(diào)度以及控制指令的下發(fā)，并通過(guò)雙冗余以太網(wǎng)與可視化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。而供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、推進(jìn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障錄播系統(tǒng)則負(fù)責(zé)與底層控制器之間的交互，將來(lái)自底層設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)換為CAN信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)至雙冗余CAN網(wǎng)中，同時(shí)能夠接收來(lái)自雙冗余CAN網(wǎng)的指令操作底層設(shè)備。整個(gè)能量管理系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本文研究的重點(diǎn)為可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)顯示艦船能量管理系統(tǒng)中所有的測(cè)點(diǎn)信息，并且能夠?qū)收闲畔⑦M(jìn)行報(bào)警，是整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保證。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的UDP設(shè)計(jì)

能量管理系統(tǒng)中心控制器，通過(guò)雙冗余以太網(wǎng)完成與可視化系統(tǒng)之間的通信。因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）無(wú)需建立連接，故通信效率高［11］。而可視化系統(tǒng)僅用于數(shù)據(jù)顯示和部分?jǐn)?shù)據(jù)下發(fā)，適合采用UDP通信。UDP發(fā)送端的通信流程如圖2所示，其運(yùn)行步驟簡(jiǎn)述如下：

1）通過(guò)調(diào)用socket（）函數(shù)建立數(shù)據(jù)報(bào)套接字并且返回套接字號(hào)；

2）通過(guò)調(diào)用bind（）函數(shù)將套接字與本地地址綁定；

3）調(diào)用sendto（）函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)；

4）調(diào)用close（）函數(shù)關(guān)閉套接字，服務(wù)結(jié)束。

UDP接收端的通信流程如圖3所示，其運(yùn)行步驟為：

1）通過(guò)調(diào)用socket（）函數(shù)建立數(shù)據(jù)報(bào)套接字并且返回套接字號(hào)；

2）通過(guò)調(diào)用bind（）函數(shù)將套接字與本地地址綁定；

3）接著通過(guò)調(diào)用recvfrom（）函數(shù)接收數(shù)據(jù)；

4）最后調(diào)用close（）函數(shù)關(guān)閉套接字，服務(wù)結(jié)束。

其中，VxWorks系統(tǒng)下的UDP網(wǎng)絡(luò)通信socket編程分為以下2種方式：

1）阻塞模式：調(diào)用結(jié)果返回之前，當(dāng)前任務(wù)會(huì)被掛起，函數(shù)只有在得到結(jié)果之后才會(huì)返回。

2）非阻塞模式：即使不能立刻得到結(jié)果，當(dāng)前任務(wù)也不會(huì)被掛起，而會(huì)立刻返回。

UDP通信初始化階段默認(rèn)接收（recvfrom）為阻塞模式，發(fā)送（send）為非阻塞模式，這就意味著在沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)的時(shí)候，程序?qū)⒉粫?huì)執(zhí)行讀取語(yǔ)句后續(xù)的程序，而發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候則不管對(duì)方是否能夠接收，直接把數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)中。

阻塞模式的響應(yīng)速度比非阻塞模式快，因?yàn)槿粲袛?shù)據(jù)可以讀取，將會(huì)立刻調(diào)用recvfrom函數(shù)讀取數(shù)據(jù)，但是非阻塞模式卻要順序執(zhí)行之后才能讀取數(shù)據(jù)。若采取阻塞模式，當(dāng)任務(wù)出現(xiàn)阻塞時(shí)，會(huì)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)解析處理造成影響。為了排除阻塞模式對(duì)數(shù)據(jù)解析的影響，可以創(chuàng)建2個(gè)任務(wù)，一個(gè)通信任務(wù)，一個(gè)數(shù)據(jù)解析處理任務(wù)，當(dāng)通信任務(wù)因?yàn)樽枞粧炱鸬臅r(shí)候，數(shù)據(jù)處理任務(wù)仍然可以正常執(zhí)行，但這樣可能會(huì)因任務(wù)時(shí)序造成數(shù)據(jù)出錯(cuò)，因此不建議采用。

如果對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求較低，可以把任務(wù)改為非阻塞模式，數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)解析在一個(gè)函數(shù)中執(zhí)行，這樣既可以減少任務(wù)開銷，也可以讓數(shù)據(jù)解析更加可靠。本文中的可視化系統(tǒng)僅用于數(shù)據(jù)的顯示和部分指令的下發(fā)，對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求不是很高，因此采用非阻塞的方式進(jìn)行接收，同時(shí)將數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)解析一同處理。

通過(guò)調(diào)用ioctl函數(shù)，可以設(shè)置socket為非阻塞模式，其核心代碼為：

3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的可視化關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

3.1 Tilcon可視化原理

基于Tilcon軟件的可視化圖形的開發(fā)過(guò)程包含如下3個(gè)部分：

1）嵌入式圖形開發(fā)工具：負(fù)責(zé)完成界面的繪制，能夠通過(guò)調(diào)用各種不同的控件構(gòu)建復(fù)雜的可視化圖形界面。除了成熟的控件外，Tilcon也支持自定義控件設(shè)定功能，控件選項(xiàng)中還包含回調(diào)函數(shù)和觸發(fā)器等配置，通過(guò)這些選項(xiàng)能夠完成控件之間的相互關(guān)聯(lián)，這些控件除了數(shù)據(jù)顯示以外與用戶的應(yīng)用程序完全分離開來(lái)，僅靠控件自身的ID與應(yīng)用程序進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最終生成被可視化界面引擎所調(diào)用的.twd圖形資源文件。

2）嵌入式圖形界面引擎：獨(dú)立于應(yīng)用程序之外的一個(gè)系統(tǒng)，除了能夠執(zhí)行API函數(shù)對(duì)界面上的控件進(jìn)行設(shè)置顯示之外，還可以對(duì)顯示控件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)，它是將VxWorks操作系統(tǒng)下界面顯示與.twd圖形資源文件進(jìn)行連接的橋梁。

3）應(yīng)用程序接口函數(shù)API：應(yīng)用接口程序函數(shù)API是將應(yīng)用程序和圖形界面連接起來(lái)的協(xié)議，通過(guò)調(diào)用這些API函數(shù)能夠完成對(duì)應(yīng)控件的初始化、數(shù)據(jù)顯示和其他功能操作。

圖4所示為基于Tilcon軟件由數(shù)據(jù)獲取到界面顯示的過(guò)程，其關(guān)鍵性運(yùn)行步驟為：

1）通過(guò)外部通信的方式獲取采集到的數(shù)據(jù)；

2）通過(guò)調(diào)用應(yīng)用接口程序API將顯示用的控件進(jìn)行初始化；

3）載入嵌入式圖形界面引擎；

4）完成圖形界面的顯示。

3.2 多頁(yè)面切換技術(shù)

對(duì)于需要顯示較多數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，通常需要通過(guò)不同的窗口分類顯示，Tilcon軟件下的多頁(yè)面切換一般有如下2種方法：

1）采用多張.twd圖形資源文件，每次需要切換頁(yè)面的時(shí)候?qū)?dāng)前頁(yè)面的.twd圖形資源文件刪除，接著載入另外一張.twd圖形資源文件并進(jìn)行顯示。優(yōu)點(diǎn)是每次只載入需要顯示的窗口控件，但是要耗用大量的內(nèi)存，每次切換界面都需要?jiǎng)h除并且載入.twd圖形資源文件，切換過(guò)程中屏幕閃爍嚴(yán)重，且可能造成死機(jī)的問(wèn)題。

2）采用panel控件方式，只采用一張.twd圖形作為界面底圖，設(shè)置多個(gè)panel控件，所有顯示用控件均放置在panel控件中，通過(guò)切換panel控件的方式來(lái)完成界面切換，程序初始化的時(shí)候僅載入主panel窗口，其余panel窗口通過(guò)TRT_SetValues函數(shù)將其TRT_ATT_HIDE參數(shù)設(shè)置為0進(jìn)行隱藏。優(yōu)點(diǎn)是只采用一張.twd圖，每次只需要顯示當(dāng)前頁(yè)面的panel控件，將其余panel控件進(jìn)行隱藏，雖然需要實(shí)時(shí)設(shè)置所有控件的數(shù)值，但是比起第1種方法，極大地減少了內(nèi)存的使用，同時(shí)也提高了切換速度。

經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，采用panel控件切換界面的方式節(jié)約了系統(tǒng)內(nèi)存，降低了系統(tǒng)任務(wù)級(jí)的開銷，提高了切換速度，相對(duì)于采用.twd圖形文件切換的方式優(yōu)勢(shì)明顯。

本文采用panel控件的方式進(jìn)行界面切換，解決了Tilcon下多頁(yè)面切換中屏幕閃爍嚴(yán)重和內(nèi)存占用過(guò)大的問(wèn)題，避免了因?yàn)閮?nèi)存不足而造成頻繁死機(jī)的難題。

3.3 界面啟動(dòng)與刷新技術(shù)

可視化系統(tǒng)上電之后，自動(dòng)載入.out文件，入口函數(shù)為main，接著執(zhí)行如圖5所示的流程，進(jìn)行啟動(dòng)與刷新，其關(guān)鍵步驟為：

1）通過(guò)TRT_Start函數(shù)啟動(dòng)界面引擎，將VxWorks系統(tǒng)和Tilcon的插件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)之后才可以調(diào)用API函數(shù)對(duì)界面中的控件進(jìn)行設(shè)置操作；

2）調(diào)用TRT_WindowLoad函數(shù)，從界面路徑之中獲取.twd文件，并載入系統(tǒng)內(nèi)存之中；

3）調(diào)用TRT_WindowDisplay函數(shù)將.twd文件加載至窗口進(jìn)行顯示，至此界面啟動(dòng)完畢；

4）進(jìn)入應(yīng)用程序主循環(huán)，應(yīng)用程序可以通過(guò)TRT_GetInput函數(shù)，獲取外部鼠標(biāo)或者鍵盤按鍵輸入；

5）調(diào)用TRT_SetValues函數(shù)，將通過(guò)以太網(wǎng)通信獲取的數(shù)據(jù)用于設(shè)置對(duì)應(yīng)控件的數(shù)值，以刷新界面的顯示內(nèi)容。

3.4 故障報(bào)警和記錄技術(shù)

VxWorks軟件支持文件系統(tǒng)，為防斷電之后數(shù)據(jù)丟失，可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至文本文件之中。當(dāng)報(bào)警信息由0變?yōu)?（即上升沿觸發(fā)）時(shí)判定報(bào)警發(fā)生，將報(bào)警信息及其當(dāng)前時(shí)標(biāo)等參數(shù)寫入文本文檔中，在以下2種情況下需要進(jìn)行報(bào)警文本的讀寫：

1）每次開機(jī)初始化調(diào)用read（）函數(shù)，將報(bào)警記錄文本文檔中的內(nèi)容拷貝至結(jié)構(gòu)體數(shù)組之中；

2）每次觸發(fā)報(bào)警之后，調(diào)用Write（）函數(shù)將結(jié)構(gòu)體數(shù)組寫入報(bào)警記錄文本文檔中。

基于VxWorks系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)文本的寫入操作步驟為：

4 工程化驗(yàn)證

為了驗(yàn)證應(yīng)用于艦船能量管理系統(tǒng)中的VxWorks可視化技術(shù)的有效性，將上述可視化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行工程化驗(yàn)證。工程樣機(jī)的配置為：

1）圖形可視化開發(fā)軟件為Tilcon5.8；

2）軟件開發(fā)平臺(tái)為Work Bench3.2；

3）操作系統(tǒng)為VxWorks6.8。

本文以能量管理系統(tǒng)中供電部分的可視化設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明，該可視化設(shè)計(jì)由1#機(jī)組參數(shù)欄（又稱主窗口）、2#機(jī)組參數(shù)欄、3#機(jī)組參數(shù)欄、4#機(jī)組參數(shù)欄、1#柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)欄、2#柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)欄以及報(bào)警記錄欄7個(gè)窗口組成。其設(shè)置情況為：

1）1#機(jī)組參數(shù)欄（主窗口）：負(fù)責(zé)顯示1號(hào)機(jī)組機(jī)柜溫度、機(jī)組狀態(tài)、三相電壓、三相電流、有功功率、無(wú)功功率以及頻率等參數(shù)，采用了指示燈、文本框、條形圖以及數(shù)字儀表等多種控件，增加了可視化效果，并且添加了時(shí)間顯示。

2）2#機(jī)組參數(shù)欄、3#機(jī)組顯示欄和4#機(jī)組顯示欄：分別顯示了2#機(jī)組、3#機(jī)組以及4#機(jī)組的相關(guān)參數(shù)，它們的顯示內(nèi)容與1#機(jī)組參數(shù)欄（主窗口）類似。

3）1#柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)欄和2#柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)欄：用于監(jiān)測(cè)2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，顯示柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓、輸出電流、頻率、機(jī)油壓力和冷卻系統(tǒng)溫度等參數(shù)，同時(shí)能夠?qū)^(guò)壓、過(guò)流、超頻等故障進(jìn)行報(bào)警顯示。

4）報(bào)警記錄欄窗口：負(fù)責(zé)記錄4臺(tái)機(jī)組以及2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的故障信息，將報(bào)警信號(hào)按照級(jí)別進(jìn)行分類，不同的報(bào)警信號(hào)用不同的顏色顯示，同時(shí)顯示報(bào)警時(shí)間，保證了重要信息的存儲(chǔ)。

由于篇幅有限，本文僅給出了1#機(jī)組參數(shù)欄和報(bào)警記錄欄工程樣機(jī)設(shè)置界面圖。其中，圖6顯示的是1#機(jī)組參數(shù)欄的界面，它負(fù)責(zé)顯示1#機(jī)組的運(yùn)行、準(zhǔn)備以及遙控狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)測(cè)1#機(jī)組機(jī)柜的進(jìn)出風(fēng)溫度的越限報(bào)警等狀態(tài)參數(shù)，其中模擬量參數(shù)以3種形式分別顯示：

1）以文本框的形式顯示1#機(jī)組的電壓功率等模擬量參數(shù)；

2）以柱狀圖的形式顯示當(dāng)前1#機(jī)組的帶載情況；

3）以儀表盤的形式顯示1#機(jī)組的轉(zhuǎn)速以及滑油壓力等參數(shù)。

圖7所示為報(bào)警記錄欄的界面，它采用表格的方式顯示報(bào)警信息，顯示了4臺(tái)機(jī)組以及2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的一類故障或二類故障等報(bào)警信號(hào)，并且區(qū)分了報(bào)警級(jí)別，記錄了報(bào)警時(shí)間。

經(jīng)工程驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于艦船能量管理系統(tǒng)中的VxWorks可視化技術(shù)、多頁(yè)面切換技術(shù)、界面啟動(dòng)與刷新技術(shù)，同時(shí)解決了頁(yè)面切換過(guò)程中屏幕閃爍、內(nèi)存不足而造成頻繁死機(jī)以及重要信息遺失等問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了應(yīng)用于艦船能量管理系統(tǒng)中的VxWorks可視化設(shè)計(jì)技術(shù)，以UDP通信為核心，采用實(shí)時(shí)性高的VxWorks操作系統(tǒng)以及具有較高可維護(hù)性和可靠性的Tilcon軟件進(jìn)行圖形可視化開發(fā)，著重分析了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中Tilcon可視化原理、多頁(yè)面切換技術(shù)、界面啟動(dòng)與刷新技術(shù)以及故障報(bào)警和記錄技術(shù)，解決了界面啟動(dòng)刷新顯示、多頁(yè)面切換由于內(nèi)存不足而導(dǎo)致經(jīng)常死機(jī)以及重要信息遺漏丟失等問(wèn)題。工程樣機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該方法能夠成功應(yīng)用于艦船能量管理的可視化系統(tǒng)，且具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)潔、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)，是比較理想的圖形界面解決方案，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。