基于加速传感器的船舶振动检测系统的设计

宗 赤

(武汉航海职业技术学院,湖北武汉 430062)

船舶振动是船舶与海洋结构物设计中面临的关键问题之一,船舶本身的振动相对复杂,而窗体周围的水体对船体的振动也会产生种种影响,更增加了问题的复杂性。船舶剧烈振动除造成结构损坏外,还使船上仪表、设备破损或失灵,破坏舰艇稳定性,影响船上人员的工作效率以及生活舒适性。船舶振动的研究离不开对船舶振动的数据采集和检测,本文设计的系统通过电子传感器的运用来实现对船舶振动的有效检测[1],采用先进的加速度传感器,融合嵌入式系统设计思路,改变以往机械式振动检测系统的方式,使产品具有低功耗、便于携带、精度高、速度快的特点。

1 硬件部分设计

船舶振动检测系统的工作原理是,系统通过操作系统来调度任务,当有检测任务时,系统初始化检测传感器,并根据检测方式配置参数,采集数据后进行存储和计算,并可存储测试数据和实时显示测试结果,本系统硬件实现框图如图1所示。

图1 硬件系统框图

系统核心硬件部分为ARM控制器、加速度传感器、flash存储器、键盘、液晶显示和USB接口等。其中加速度传感器部分采用飞思卡尔公司的MMA7455L来实现,其具有信号调理,低通滤波,温度补偿,自测,以及可配置到检测0g或脉冲检测快速运动等功能,传感器部分电路图如图2示,MMA7455L的相关pin脚信号说明如表1所示[2]。

表1 MMA7455L相关信号说明

图2 MMA7455L典型电路

MMA7455L提供I2C和 SPI数字接口,但MMA7455L都应作从设备,当CS拉高时为I2C接口,当CS用作从选择时为SPI接口。在此系统中采用I2C接口,其从地址是0x1D,支持多字节读写。AVDD典型值为2.8V;DCC_IO典型值为1.8V,考虑到电路与外部接口情况,视CPU的I2C接口电平来选择DVDD_IO电压,若采用开关电源供电需注意开关频率必须大于250H z,以防干扰芯片内部ASIC。

MMA7455L测量模式下可连续测量三轴加速度,并根据g-select配置情况对外提供测量结果。当测量转换完成后,DRDY输出高电平,表明“测量数据已OK”,DRDY状态也可在状态寄存器(0x09)的DRDY位来监测,DRDY引脚一直保持高电平直到三个测量值的其中一个被读出,因此可能会产生数据被下一个测量值覆盖的问题,若下一个测量值在前一个数据读出前就写入的话,状态寄存器的 DOVR位会被置位。在MMA7455L中,g-select由模式控制寄存器(0x16)的2个GLVL位确定,见表2,内部增益控制器根据所选g来提供不同的测量灵敏度以适应不同的应用需求,船舶的振动检测在MMA7455L中选择8g范围即可,见表2。

表2 g范围和8位精度

系统其他电路部分设计为:微处理器采用三星的S3C44B0X处理器,存储器为AMD公司的32M bit(4M×8 Bit)Flash存储器AM29LV033C,图形液晶显示模块为含控制器T6963C的240×128点阵的SMG240128L,USB的接口电路使用芯片NUF2221Ws1T2,其它部分电路由于篇幅有限,这里不作详述。

2 软件部分设计

本系统由三大模块组成,如图3所示,从底层到上层分别是:数据采集驱动模块,数据处理模块,GU I人机交互模块。

图3 系统软件功能框图

软件系统实现的功能有两个:一个是数据检测采集,主要负责传感器的数据检测、采集和控制;另一个为采集数据的处理及人机显示,包括信号处理算法实现和数据存储,人机界面负责LCD驱动和文字图形的显示。操作系统首先通过设备驱动模型对传感器进行初始化,为传感器设置合适的配置参数,以使设备能在采集过程中正确工作;上层图形系统采用嵌入式GUI来实现人机交互界面,包括图形控制面板建立、波形显示、参考值显示等。系统的软件流程图如图4所示。

图4 系统软件程序流程图

数据采集及处理部分的程序流程如图5所示。其中检测初始化包括检测模块上电,I/O控制端口初始化、加速度传感器的初始化;加速度传感器需要零点校准和自检测以满足精度要求。系统调用检测任务后,外部中断打开,等待加速度传感器的中断上报及检测数据采集。

图5 数据采集及处理程序流程

MMA7455L加速度传感器的驱动软件设计应注意IADDR0接到GND时其从地址为0x1D,接到DVDD_IO时其从地址为0x1E;MMA 7455L有三种工作模式(测量模式、水平检测模式、脉冲检测模式),在测量模式下DRDY引脚与INT1共用,数据读取就能将DRDY清除,但在其他2种模式下INT1和INT2都需要通过写寄存器来清除。

在检测数据采集时,把数据缓存到FIFO中,假如FIFO满了,有DMA控制将FIFO中的所有数据传输到内存当中进行处理,可完成数据信号显示和控制、存储和实时分析。

3 结 语

本系统利用了微处理器功耗低及电子传感器集成度高的特点,设计出了一种结构简单、性价比好的检测系统,该系统能够进行实时性的数据采集处理,具有功耗低、抗干扰、可靠性高的优点,可以实现传统机械式船舶振动测试仪的全部功能,并且在体积、重量、精度等方面都有明显优势。产品原型已经完成系统调试和模拟测试,结果满足船舶振动检测的要求,在船舶振动检测领域有广泛的应用前景。

1 姚熊亮,张阿漫.船体振动与噪声[M].北京:国防工业出版社,2010.

2 Freescale Semiconductor Technical Data[J].MMA 7455L Data Sheet,2007.245-256.