西安电子科技大学研究生学位论文模板(2015年修订版)(8)

错误！未找到引用源。港口溢油监测系统硬件平台的设计与实现

第三章 3.1 引言

港口溢油监测系统硬件平台的设计与实现

本章首先分析港口溢油监测系统的功能需求，根据系统功能需求给出系统总体的功能模块划分设计，并针对各功能模块的作用和技术功能要求进行阐述。接着就各模块具体的电路实现进行分析与设计，对所用主要元器件的性能和选取原则等进行详细介绍。系统的硬件电路模块主要有激发与探测模块、控制与信号采集处理模块、无线通信模块、声光报警模块、摄像模块和电源模块。

3.2 系统硬件总体设计

通常港口码头的油轮和其他船舶的进出航道、停泊区域都是提前设计好的，而且港口中储油库和输油管道等位置相对集中和固定，所以要实现港口码头等海域全天候监测只需要在海域内重点区域安装监测设备实现监测即可。重点区域的选择要根据港口航路、停泊点以及储油设施的分布和港口区域水流的特点来决定，然后设置控制中心接收多个监测设备监测数据实现整个港口码头海域的监控。

图3.1 分布式溢油监测系统示意图

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由于监测点具有安装固定性和分布分散性，因此该系统采用定点监测模式，各监测前端采集到的数据需要通过无线数据或电缆的传输模式发送汇总到控制中心进行统筹管理。分布式的溢油监测系统示意图如图3.1所示。

3.2.1 港口溢油监测系统技术指标需求分析

该溢油监测系统总体分为监测前端和控制中心两部分。各个监测前端主要负责对海面溢油情况进行实时监测，采集海面信息并进行相应数据处理。一旦发现溢油，开启报警设备，通知相关人员和部门及时采取行动。控制中心主要负责接收、存储和显示各监测前端发送的海面信息，方便监管部门对海面历史溢油信息进行统计和查询等，同时还负责监测系统各部分以及现场情况的统筹协调安排。而本文研究中心是前端监测系统的设计与调试工作。

针对港口码头等水域的环境特点以及“水面溢油监测系统设计”的项目要求，溢油监测系统应该满足下面的设计指标要求： 1) 探测距离10m；

2) 采用紫外光源照射油污、检测荧光强度告警并采集荧光图像取证； 3) 设置调试串口，用来设定监测前端设备ID和报警阈值门限等参数； 4) 报警持续时间可调，保证监测人员到达现场处置； 5) 输出监测电压范围0-10V； 6) 工作环境温度范围-20℃~50℃。

3.2.2 港口溢油监测系统各功能模块介绍

基于以上指标要求，单个监测前端主要由激发与探测模块、控制与信号采集处理模块、无线传输模块、摄像模块、声光报警模块和电源模块组成。系统具体模块组成框图如图3.2所示。各功能模块作用和工作流程介绍如下： 1) 激发与探测模块

该模块通过荧光光谱法获取海面的荧光情况，主要由荧光激发器件、荧光探测设备及外围电路构成。首先激发器件发射紫外光照射目标区域激发荧光，然后探测设备接收目标区域荧光信号并将其转换成模拟电信号，方便后续电路处理。 2) 控制与信号采集处理模块

该模块负责控制协调整个系统的正常工作，主要由FPGA、A/D芯片及其外围电路构成。其中信息采集部分负责将前面激发与探测模块获得的模拟电信号转换成数字信号，并传输给信号处理部分，对数据做相应处理。

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电源模块控制与信号采集处理模块摄像模块无线传输模块报警模块激发光源探测模块监测海面

图3.2 溢油监测系统功能模块示意图

3) 无线传输模块

该模块主要负责多个监测前端和控制中心之间的信息传输，把前端收集的海面荧光信息以及其他信息传输给后端控制中心和相关工作人员。 4) 声光报警模块

当系统监测前端发现海面溢油时，该模块负责通知报警，发出声光报警，通知相关部门和人员采取应急措施。 5) 摄像模块

该模块负责拍摄港口现场海面图像发送给控制中心，方便工作人员了解现场情况。重要的是在发现溢油时，通过图像工作人员能够直观的了解溢油情况，还能在一定程度上减少系统虚警可能。 6) 电源模块

该模块主要负责给系统各模块提供电源。因为不同模块对电源的需求不尽相同，该模块设计需考虑系统功耗以及是否能够满足各模块电源驱动等问题。

3.3 系统各部分硬件设计与实现

针对上述系统功能需求以及模块组成，接下来就监测系统前端主要器件的选择原则以及功能设计进行分析讨论，同时对系统所需外围电路进行设计。系统总体实现电路如图3.3所示，主要由激发探测、控制与信号采集处理和相应的外围电路三部分组

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成。其中激发探测部分主要包括激发光源和光电倍增管。控制与信号采集处理部分主要由FPGA芯片、A/D转换、FIFO芯片、调理电路、差分电路以及串口电路组成。而外围电路则主要包括无线通信模块、摄像模块和光电报警模块。下面将针对各部分具体电路进行分析与设计。

电压信号紫外光源光电倍增管调理电路串口电路摄像模块时钟紫外荧光紫外线差分电路FPGA报警模块JTAG海面激发探测部分A/D电路FIFO无线模块外围电路电源控制与信号采集处理

图3.3 系统总体实现电路示意图

3.3.1 激发光源

激发探测部分是溢油监测系统设计中最为关键的部分，其好坏直接影响着整个系统后续各部分的运行效果。下面就对激发光源及其相关器件的选取进行分析。

可用作目标系统紫外激发光源的器件种类繁多，常用的有紫外激光器、气体放电光源以及紫外LED发光二极管等。 1) 紫外激光器

紫外激光器是指能够发射紫外波段激光的光源设备。虽然激光器具有方向性好、相干性好和亮度高等优点，但是激光器正常工作需要非常高的功率，要求能量集中，同时激光器的体积一般都很庞大，制造成本也很高。作为溢油监测系统的激发光源，激光器寿命不长的缺点使其不能满足港口环境中24小时不间断工作的要求。因此，紫外激光器并不适合作为目标系统的激发光源。 2) 气体放电光源

气体放电光源是采用气体放电发光的机理制作而成，是迄今为止紫外辐射源最主要的形式，其发光光谱范围较宽，覆盖整个紫外区域。气体放电光源主要包括有高压汞灯、氙灯、紫外氘灯等。作为传统的紫外光源，其特点是技术相对成熟，但是想要作为溢油监测系统的光源，需要其发射较强的激发光。因此需给气体放电光源（比如脉冲氙灯）提供大约700-1000V左右的工作电压，这种高电压会给后续的接收电路带

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