基于ARM的船舶双轴系扭振测量仪设计

付世伟,张　艳

(1.西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安　710121;2.西安邮电大学 通信与信息工程学院,陕西 西安　710121)

基于ARM的船舶双轴系扭振测量仪设计

付世伟1,张艳2

(1.西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安710121;2.西安邮电大学 通信与信息工程学院,陕西 西安710121)

摘要为了对船舶轴系双通道扭振进行测量,提出了一种基于ARM和RTX操作系统的扭振测量仪的设计。该设计以高性能ARM处理器LPC1788为核心,利用TT10K扭矩遥测系统,A/D转换器,信号前端处理模块实现振动信号的高速精确采集。将采集到振动信号的时域图形显示在LCD上。在ARM上加上RTX操作系统,可有效实现对上位机下达任务和板载资源的管理。

关键词船舶轴系;扭转振动;应变片;测量仪

振动测量是将振动物理信号量转换为与其成比例的电学信号量,便于观察、测量和处理[1]。船舶轴系是船舶动力设备中的重要组成部分,船舶航行中轴系将船舶主机的功率传递给螺旋桨,而螺旋桨的旋转产生的轴向推力传递给船体,以推动船舶运动[2]。扭矩在不同位置有不同的角位移,即轴上产生扭振应力,使顺利运行的机器受到破坏,造成轴系异常振动[3]。因此,研发一套综合性的轴系振动测量仪,为舰船动力轴系振动装置研制高精度、多功能同步测试分析系统尤为重要。

目前,一些学者在该领域已有了一些卓有成效的贡献。文献[4]以一片单片机为核心,用便携机键盘控制设计的一种轴系双通道的扭振或回旋振动同步测量仪,测量仪体积庞大,同时键盘控制在实船应用中携带不便。文献[5]中采用了应变式测量扭矩原理,设计扭矩信号调理电路,实现了A/D转换、数据传输和LPC2129控制电路的PCB电路设计。本文主要研究一种基于ARM 的轴系振动状态监测系统,该系统能实时采集轴系振动状态数据,并对振动状态数据结果显示在ARM开发板LCD上。

1系统总体设计

如图1所示,给出了该系统的总体设计方案,主要包括数据采集与预处理,数据分析等两部分。在数据采集与预处理部分,通过数据采集电路将从传感器获取的机械振动信号转换为ARM芯片能识别处理的电信号,并经滤波、放大等预处理及模数转换后输入到ARM 开发板中。在数据分析部分,ARM 开发板一方面负责将振动信号时域图形结果显示在LCD屏上,另一方面负责将振动信号存储在自带的数据库中,并定期上传到上位机中。上位机则利用其强大的计算能力对收集的海量数据进行复杂的数据分析。

图1　系统总体方案设计

2系统硬件模块选型与实现

轴系振动状态监测系统的硬件模块主要包括信号采集和信号处理。

2.1前端采集模块

振动信号采集模块主要由振动传感器、信号滤波放大处理、A/D转换模块。

2.1.1振动传感器

扭矩测量方法主要有传递法、吸收法和平衡力法3种方法[6],所谓传递法就是通过测量传动轴的变形、应变或者应力等物理参数而求得扭矩的方法[7];吸收法就是通过某种装置给轴的制动力矩,而此制动力矩与主机的输出功相当的制动功以热的形式散发,此时测量的制动力矩就是主机的输出力矩[8];平衡力法则是通过测量反扭矩进而求得扭矩的方法。实际测量装置条件下,由于吸收法只能反映出稳定工况下的平均扭矩而不能反映出扭矩的变化情况,平衡法的测量范围要限定在匀速的状态下,动态扭矩测量无法完成,所以一般采用传递法测量扭矩,具体的有钢弦式,应变式,光电式等。本系统采用的便是应变式测量法。

本系统以船舶轴系为监测对象,综合考虑灵敏度、测量范围、价格等因素,选取美国Binsfeld公司的TT10K测扭仪。TT10K测扭仪通过测量被轴表面的微应变ε的变化大小来计算扭矩值,也就是应变测扭法。具体方法为:将作为测量元件的电阻应变片贴到轴上后,接入测量电路,轴在扭矩作用下产生扭转变形,应变片也将产生相应形变,从而使接入的测量电路的阻值发生变化,产生“应变效应”。此时测量阻值的变化量,再通过转换计算便可得出轴表面的微应变大小。测量电路产生的电压或电流输出或直接通过某型仪表进行测量计算,或通过A/D转换传输给计算机进行后续的计算处理。

TT10K扭矩测试仪在无需对轴做任何机械改变的情况下可测量大部分轴的真实扭矩。因为具有14位分辨率及500 Hz频率响应,TT10K扭矩测试仪能提供精密的数据集,从轴位置到接收天线的发射距离可为20英尺或更远。9 V供电的TX10K-S发射器902～925 MHz波段的16个通道中任何一个均可用来同时接收不同系统不同传感器的数据。在轴旋转之前,从 RM10K远程控制手操面板上操作按钮可改变10英尺外TX10K-S上的通道和增益设定值。RX10K接收器提供以下3种数据:模拟电压输出(±10 Vdc),数字输出串通过RS232串口连接,2行LCD显示器上的可视电压输出信号。测试扭矩变得更加容易。

2.1.2扭振前端处理电路

为保证TT10k输出的电压信号进行准确、完整、不失真的采集,需要在A/D采样及数字转换之前的信号处理部分全面合理地设计出一个超高性噪比、高精度的模拟前端放大电路。

本系统的模拟前端处理电路设计由图2中的3个部分组成。

图2　前端处理电路组成图

(1)输入缓冲级。匹配TT10k的输出阻抗;抑制信号传输线上串入的电磁干扰噪声,增加抗干扰能力,去除高频干扰;提升TT10k输出信号的负载能力;同时通过该级的保护电路的设计阻隔强电信号的破坏;

(2)电平反向级。对于前端传感器可能输出的双极性电压信号,需要根据本项目选取的ADC转换成单极性电压信号,因此需通过电平平移电路对双极性信号进行平移。这里平移参考电压的高精度、超低纹波以及高PSRR性能的设计是关键;

(3)增益控制级。考虑前端传感器可能存在多种量程幅度规格,因此需要在模拟前端处理电路中加入增益控制级电路,转换不同量程规格的传感器,确保经过该级的增益调整适配本项目的ADC量程范围。最大限度提升系统的测量动态范围、测量精度和信噪比(SNR)。

通道隔离设计:本项目由于是多通道同时采集测量,因此各通道的模拟前端处理电路彼此会存在信号串扰的问题,采用通道间的隔离设计,确保通道隔离度高于80 dB。

2.1.3A/D转换电路

A/D转换是信号采集模块的核心部分,其功能是使传感器采集的模拟信号转换成ARM能处理的数字信号。ARM 开发板LPC1788 自带的具有8路12位A/D转换器,参考电压为2.5 V,在12 MHz的A/D转换器时钟下,最大转换速率可达400 kHz。但12位分辨率并不能满足船舶轴系振动信号采集精度要求。而AD7683是美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的高性能模数转换器,内置转换时钟,最大转换速吞吐率为100 kSample·s-1,分辨率为16位,相比较而言,AD7683采集的振动信号转换后精度更高,因此设计采用AD7683作为本系统的A/D转换器。AD7683封装如图3所示。

图3　AD7683封装图

2.2信号处理模块

核心控制电路采用32位嵌入式ARM Cortex-M3内核芯片LPC1788和16×16位双端口USB接口与PC连接。LPC1788芯片资源丰富,工作频率可达120 MHz,适合高集成、低功耗的嵌入式应用[7]。系统核心控制系统一方面接收来自A/D模块中扭矩信号信息,并对其进行处理,将所得结果通过通信接口回送给上位机终端分析系统,由上位机进一步做出研究分析;另一方面下位机处理系统还接收上位机的指令,按照上位机的指令要求对硬件资源进行分配。系统在扭振测量中,由LPC1788内嵌实时时钟计数器对光电编码器输出的不均匀光脉冲间隔进行计数,然后实时地发送给PC,由A/D转换器获得扭矩数据后也实时发送给上位机。

3系统软件开发

系统软件设计通过USB或者Ethernet通信接口实现与上位机的实时通信和测量数据上传的功能。嵌入式程序在Keil μVision 集成开发环境下,采用C语言实现了通信、数据采集以及控制功能。Keil μVision自带元器件库,可在软件中选择要用的外围设备及各种驱动,如图4所示。

图4　软件配置图

嵌入式程序软件设计的主要目的是对TT10K接收装置采集过来的模拟信号进行模数转换,并将转换后的数据通过上位机与下位机规定的通信协议进行数据传送。流程如图5所示。

图5　通信流程图

系统上电后,对LPC1788的各个外设像定时器、USB、LCD等,进行初始化,然后系统进入等待状态,一旦以太网模块或USB模块接收到上位机发送过来的指令,先对指令进行判断,是否为正确的指令帧,若正确则进行解析,根据解析出来的指令码,分配给不同的函数执行。

4系统实现

基于LPC1788为内核的嵌入式平台,采用Keil μVision5自带的操作系统RTX和emWin,实现了基于ARM的对船舶轴系的测量工作,在LCD屏幕上可实时的显示出来。系统实现如图6所示,主要包括系统主界面,系统设置界面,测量参数界面和离线测量界面。

图6　系统实现

5结束语

传统的轮船发动机轴系检测通常是轮船发动机的轴功率检测和轮船发动机的扭振应力检测分开独立检测,分别采用两种不同的测量仪器对轮船轴功率和轮船扭振应力进行实时测量。对于双轴系轮船发动机测量来说,采用传统的测量方法需要使用轮船轴功率测试仪分别对双轴系轮船的两个轴进行实时测量。同理,采用传统的扭振应力测量方法需使用轮船扭振应力测试仪,同样需要分别对双轴系轮船的两个轴分别进行实时测量,这样使用传统的测量方法就需要双轴系轮船出海测试4次,需已知轮船轴系的轴功率和扭振应力测试均需要满足规格和要求,才能符合国家规定的船舶出海标准。本项目开发了一套能同时对两个轴进行测量分析的测量系统,由此既避免了时间精力物力上的浪费,又使人能对船体运行有一个整体统一的感知,满足对船舶轴系的监控要求。

参考文献

[1]张庆丰.船用柴油机轴系扭转振动的分析研究[D].大连:大连海事大学,2011.

[2]施裕斌.船舶动力装置[M].北京:人民交通出版社,2011.

[3]朱军超.大型船舶轴承支撑状态对轴系振动的影响研究[D].武汉:武汉理工大学,2012.

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[5]张禄禄,杨农林,龙文学.基于CPLD的船舶轴系振动测量分析仪的研究[J].数字技术与应用,2010(11):47.

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[7]张敬国.轮机工程测试技术[M].武汉:华中科技大学出版社,1999.

[8]肖华.船舶动力装置轴功率测量方法研究[D].武汉:武汉理工大学,2009.

Design of Ship Shafting Vibration Measuring Instrument Based on ARM

FU Shiwei1,ZHANG Yan2

(1.School of Electronic Engineering,Xi’an University of Post and Telecommunications,Xi’an 710121,China;2.School of Communication and Information Engineering,Xi’an University of Post and Telecommunications,Xi’an 710121,China)

AbstractA design of torsional vibration measuring instrument based on ARM and RTX operating system is proposed for dual ship shafting torsional vibration measurement.The high-performance ARM processor LPC1788 is used as the core,and the TT10K torque telemetry system,an A/D converter,and a signal processing module front-end are employed for high-speed precision vibration signal acquisition.The time domain graphics of the collected vibration signals are displayed on an LCD.The addition of RTX operating system to ARM offers effective task assignment to the host computer and management of onboard resources.

Keywordsship shafting;torsion vibration;strain gauges;measuring instrument

收稿日期:2015-10-09

作者简介:付世伟(1992—),男,硕士研究生。研究方向:电路与系统。张艳(1988—),女,硕士研究生。研究方向:现代通信网。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.046

中图分类号U664.21

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-160-04