0 引言

    船舶、橋梁等的鋼質材料與海水接觸，極易受海水強烈的化學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、維修的費用，并有可能造成嚴重危害［1］ 。陰極保護技術的原理就是給被腐蝕金屬結構物表面提供大量電子，被保護結構物成為陰極，抑制金屬腐蝕發生的電子遷移，避免或減弱腐蝕的發生［2－3］ 。

    陰極保護通常有兩種方法：犧牲陽極和外加電流兩種［3］ 。犧牲陽極方法由于簡單、經濟，被廣泛采用，但效果欠佳，焊在船體外表面的鋅塊也會增加船體阻力。使用永久性外加電流的陰極保護裝置是目前控制鋼質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的方法。

    陰極保護技術在 70 年代開始被美國、日本等各國船體保護中應用并取得了很好的經濟效益［4－6］ 。在 20 世紀 70－80年代，我國陰極保護技術的引進、消化和二次開發才取得了實質性的進展，也就是在這個時期，研制了一批陰極保護的材料和設備，打下了陰極保護在行業市場供需鏈的基礎。近年來，該技術在多個場合如碼頭工程鋼管樁［7］ 、埋地管道 ［8］ 、海洋平臺［9］ 等也有應用。

    李言濤等在《中國海洋腐蝕科研選題與發展戰略》［10］ 中指出，隨著計算機與自動化技術的發展 ，陰極保護電位的監測逐步從以前定期人工檢測發展到通過對電位的模/ 數轉換和邏輯運算。電位監測由原來的對單一點、線的監測，逐漸實現對整個系統綜合的監控。通過應用于局域網的 Intranet 技術和應用于廣域網的 Internet 技術或電信通信線路 ，可以在整個作業海域或企業內甚至于全國各地乃至全球的相關機構方便地實現監測信息共享 、系統評價控制和遠程實時監控。本項目中對多個（四個）艦載陰極保護系統進行遠程實時監控，可以認為是對該預測方向的小規模嘗試。

    目前陰極保護項目的計算機監控研究項目已經在開展，然而關于在線監測的相關報道較少。孫虎元對長江二橋的陰極保護電路項目論述了監控系統的設計［11］ 。該項目屬于國家依托類項目，對于小型陰極保護項目的監控設計來說并不實用。

    本文依托某公司的艦體外加電流陰極保護監控設計，實現對陰極保護系統的實時監控及人機交互。其核心是通過陰極保護系統主控板 AＲM 嵌入式處理器和觸摸屏進行傳感器信號和輸入控制信號的傳遞。

    下文首先介紹了系統結構和工作原理，給出了系統主控板和硬件總體設計方案。之后重點闡述了然后介紹了主控板 AＲM 芯片的通訊過程和人機界面觸摸屏的軟件設計。文末對本文的設計過程進行總結，并給出了下一步的設計思路。

    1 外加電流 陰極保護測控系統總體構造

    陰極保護測控系統為船載檢測系統，由多個系統構成。總體結構示意圖如圖 1 所示。

    其中圖 1 左邊的 Marimpress 框代表的是多個艦載外加電流陰極保護裝置。圖 1 右側的虛線框內是遠程監控單元。系統總體設計通過遠程監控單元可實現多個艦載陰極電流保護裝置的電流電壓監控。

    單個外加電流陰極保護保護裝置結構圖如圖 2 所示，其中最主要的部分有輔助陽極，參比電極，直流大電流發生器，高電壓變壓裝置以及控制電路板。設計思路和注意事項可參見文獻［5］，［7］。本文將重點闡述遠程測控單元設計。

    2 中央監控單元設計  

    中央監控器是整個系統的監控中心，具備針對下級各個ICCP 設備的實時監控、遠程控制、數據保存等各項功能。但ICCP 設備的工作并不依賴于中央監控器，無論 ICCP 設備是否與中央監控器連接，ICCP 設備都具備獨立工作的能力。當ICCP 設備連接到中央監控器時，ICCP 設備總是執行最后一個輸入的操作指令，而無論該指令是來源于 ICCP 設備本身的操作面板還是來源于中央監控器。若中央監控器的操作和ICCP 設備操作面板上的操作同時發生時，ICCP 設備將只執行本身操作面板的的操作指令，即本地操作指令將優先于遠程操作指令得到響應和執行。

    2. 1 中央監控器工作原理

    中央監控器總體機構如圖 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源多等顯著優點，是監控板采用的處理芯片。它負責完成控制所需所有數據處理以及通信和控制任務。其它電路模塊有些則是將外部信號轉換成芯片能夠接收的信號，有些是提高芯片控制信號的驅動能力，還有一些則負責芯片與其它器件之間的通信，承擔電壓電流設定和調節，數據通信、數據采集、外部存儲、實時顯示等功能。通信接口采用 485 總線與 Modbus 協議。外部存儲設計了 SD 和 USB 兩個接口：前者用于運行中保存數據使用，后者用于復制 SD 內存儲的數據。系統中除了正常工作電源外，增設短時后備電源，用于監控器掉電時，保存數據之用。

    2. 2 MODBUS 通信

    Modbus 協議是一種已廣泛應用于當今工業控制領域的通用通訊協議。通過此協議，控制器相互之間、或控制器經由網絡（如以太網）可以和其它設備之間進行通信。Modbus 協議使用的是主從通訊技術，即由主設備主動查詢和操作從設備。一般將主控設備方所使用的協議稱為 Modbus Master，從設備方使用的協議稱為 Modbus Slave。Modbus 通訊物理接口可以選用串口（包括 ＲS232 和 ＲS485），也可以選擇以太網口。

    本系統中，Modbus 命令幀的發送采用了 fifo（先入先出）循環隊列發送機制，而響應幀采用中斷方式接收。為確保整個系統通訊穩定，本系統在發送和接收過程中均進行保護：發送命令幀過程中加入了超時重發、強發；而在接收響應幀過程中，采用了嚴格的預判幀格式的方式，確保非法響應幀不影響整個系統的安全穩定，運行機制如圖 2 所示。

    2. 2. 1 循環隊列發送命令機制

    系統調用一次發送 Modbus 命令函數即將 Modbus 命令幀依次存入 fifo（二維數組）內，運行機制如下：

    （1）初始化時 head 指針與 tail 指針同時指向二維數組頭部；（2）命令幀存入 fifo 的地址永遠都在 tail 指針處，并且當命令幀進入 fifo 之后，tail 指針自增一次；（3）當真正準備發送命令幀時，必須從 fifo 的 head 指針處取命令幀，并且當命令幀被發送出去后，head 指針自增一次；

    當 head 指針與 tail 指針相等的時候，本系統則認為 fifo為空。如果是因為命令幀進入 fifo 過快而引起 tail 指針追上了 head 指針，本系統則拋棄原來 fifo 中的所有數據，依然認為fifo 為空。（實際上系統每一秒鐘才將十余條命令幀存入 fifo，系統有充足的時間將 fifo 中的命令發空）。

    2. 2. 2 發送過程保護

    系統每次調用發送 Modbus 的功能函數的時候其實最終都落實到 checkfifo 函數。系統用全局變量 count 在 checkfifo函數中記錄當前距離上次發送命令幀的時間，若 count 值過大則說明系統沒有接受到響應。當系統沒有接收到響應的時候，系統需要超時重發和強發命令幀。超時重發是指當 count為 N（N 為測試值）的整數倍的時候，重發上一次發送的命令幀，count 隨后清零；超時強發是指當 count 大于等于 N 的3 倍的時候則強制發送 fifo 中一下條命令，count 隨后清零。

    2. 2. 3 接受過程保護

    485 串口通信過程中，由于某些干擾從機會發送錯誤的響應幀。系統為了不被錯誤的響應幀擾亂甚至崩潰，所以在接收響應幀的時候做了非常嚴格的檢測機制。系統在發送命令幀時，已經將當前命令幀保存到了固定的內存地址中，所以系統在接收到響應的時候，會根據該內存中的命令幀迅速預判響應幀的格式以及每個字節的準確范圍。任何沒有通過該檢測機制的響應幀都將被系統拋棄而不做任何處理，確保系統安全穩定。

    3 串口觸摸屏界面開發目

    前便攜式觸摸屏設備的發展較快，該類設備具有非常良好的操作便捷性，大大降低了對于操作者的電腦操作要求，具有反應速度快、節省空間、可視化強等優點，以豐富的嵌入式系統的輸入方式，已逐漸代替鍵盤和鼠標成為嵌入式系統人機交互的首選輸入工具［12］ 。且該類設備攜帶型非常好，隨著無線通訊模塊的普及，及價格的降低，是艦體陰極保護人機界面的合適的選擇。

    市場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品。這款觸摸屏具有高解析度，高速傳輸反應，一次校正永不漂移，穩定性高。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、數據存儲單元、通信接口單元等。

    觸摸屏內置的存儲單元包括 ＲAM 單元和 Flash 存儲單元，其中 ＲAM 作為處理器緩存。Flash 用于存儲顯示圖形文件及觸控配置文件。通信接口實現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相對獨立的系統，所需的硬件資源較少。通過串口，采用中斷接收以及查詢發送的方式實現與主控板 LPC2138 通信。

    串口屏支持自動觸控按鍵響應，只需通過調試助手事先對所有觸控按鍵設置雙字節十六進制的指令代碼 （ 如0x0001）。并將串口寄存器配置為單字節觸發方式，串口模式為 8n1，即每幀數據格式為 1 個起始位，8 個數據位，1 個停止位，無校驗位。串口接收及發送數據流程圖如圖 3 所示。

    點擊觸摸屏按鍵（指令代碼有效區域），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，設置一個接收緩沖區，將觸摸屏返回的所有數據接收完畢，并提取所需鍵值 0x01 轉存給寄存器 key，通過判斷 key 執行相應的子程序片段。

    發送數據程序中，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送完畢，在每個數據串后面加一個終止符 0xfe。

    3. 2 觸摸屏應用舉例

    對觸摸屏的應用不光是要對主控芯片進行編程，還要自己制作觸控界面和設置按鍵鍵碼。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存，這樣圖片就有了自己的頁面編號。到時候只需調用圖片的編號就可控制觸摸屏在不同頁面間的切換。

    舉一個簡單的觸摸屏應用的例子，如圖 4 所示。

    圖 4 是本文在應用觸摸屏當中用到的一個密碼操作的例子。界面 1 是整個外加電流陰極保護系統的主菜單，它上面的每一種按鍵對應不同的功能，包括時鐘設定，密碼操作，SD卡和 USB 模塊操作等。

    當按下寫有 PASSWOＲD 字樣的按鍵之后，觸摸屏將該按鍵對應的鍵碼傳回到主控芯片上，芯片根據此時觸摸屏顯示的頁碼和收到的按鍵鍵碼作出響應，發送命令讓觸摸屏進入界面 2。

    該界面是密碼輸入界面，為了安全，在設置新的密碼之前必須要輸入老的密碼。接著芯片又發送一道輸入文本命令，在輸入密碼的位置建立一個文本框，用于顯示輸入了幾位密碼。圖中的數字鍵都被預先設定了相應的默認阿拉伯數字的鍵碼。在按下這些數字按鍵時，觸摸屏并不會回傳鍵碼，但會在文本框顯示星號，用來告訴工作人員已經輸入了幾位。只有當按下OK 鍵后，觸摸屏才會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，與原先設定的正確密碼作比對。如果密碼錯誤則跳轉到界面 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，芯片會發送命令讓觸摸屏跳轉到界面 4，開始新的密碼設置。

    界面 4 中要求對新的密碼設置兩遍，在完成兩次輸入后，芯片會對兩次輸入的密碼進行逐位匹配。如果兩次輸入的密碼不相同則會跳轉到界面 5，提醒操作人員密碼不匹配。如果相同，則新的密碼設置成功，LPC2138 芯片將記錄下新設置的密碼，并跳轉到界面 6。最后再由界面 6 返回到主菜單中。

    4 系統測試

    系統測試采用 TI 的 MSP430 模擬控制 4 臺艦載外加陰極保護系統，通過串口屏界面對系統的參數設置，并回讀設置參數以及實時數據，實時數據讀取頻率為 1s。當設定參數上下限值超出時，在串口屏上會出現相應提示，并能夠產生一條操作記錄數據至實時數據庫。實時數據庫記錄回讀的 ICCP 實時數據，記錄頻率可通過串口屏設置，設置范圍為3－10 分鐘。當實時數據超出上下限設定參數，產生警報信息。

    5 總結和展望

    本文文中重點介陰極保護系統的在線監測系統的軟件硬件設計，是實現多艦體監測，云檢測的一項基礎工作。詳細講述了 MODBUS 通信實現的通信過程，及串口屏的人機界面設計。通過調試及應用驗證，該設計是一種運行可靠、性能優良的通用型遠程監控系統，具有廣闊的應用前景，很好的應用價值和市場前瞻性。

    目前控制系統雖然能夠發出報警信號，但是不能確定具體的故障位置?？稍黾雨P鍵部位數據采集，報告出具體的故障地點，進一步增強系統的實用性。

    參 考 文 獻

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