ARM+DSP的船舶動力裝置軸系監(jiān)測儀設計

上海海事大學商船學院 黃志堅 陳巨濤 余立立

1.引言

現代船舶推進軸系日趨復雜，其產生的扭轉、縱向及橫向振動會對軸系本身造成危害，嚴重的甚至造成軸段斷裂與船毀人亡。因此預防軸系故障的產生尤為重要，但傳統(tǒng)的定時檢修與事后維修方法已不能滿足要求，需采用特定的監(jiān)測方法。因此本文開發(fā)船舶軸系監(jiān)測裝置，為其安全運行提供保障。該監(jiān)測裝置能在線對軸系扭應力、扭轉振動、回旋振動與縱向振動進行實時監(jiān)測與報警，同時還監(jiān)測軸系轉速，實時功率與扭矩，以判斷軸系工作狀態(tài)。

2.組成與測量原理

軸系監(jiān)測儀為模塊化設計，可根據用戶要求進行配置，由扭轉、回旋、縱向振動監(jiān)測模塊、軸功率監(jiān)測模塊與機旁監(jiān)測終端等組成，見圖1。

(1)扭轉振動：扭轉振動采用應力直接測量法。利用粘貼在軸上的電阻應變計，測得旋轉軸表面扭應力的大小，扭應力隨時間的動態(tài)變化就反應了軸系的扭振。選用德國KMT公司的MT32型350Ω全橋應變片，具有溫度自補償功能(圖2左)。同時設計機械裝置，保證應變計粘貼得與軸線方向一致(圖2中)。在對應變計涂層防護后，設計硬質非金屬材料卡環(huán)保護罩封裝應變計與無線編碼模塊，并牢牢固定在軸上隨軸旋轉；感應拾取模塊緊靠其安裝而不接觸(圖2右)。

由于旋轉軸上接觸式信號的傳輸不穩(wěn)定，工作壽命短，不適合長期在線監(jiān)測，所以摒棄了滑環(huán)與電刷的接觸式傳輸方式，采用脈 沖編碼調制(PCM)方式無線傳輸扭振信號，發(fā)射主頻為433.3～434.5MHz，采用數字信號，信噪比高不易受干擾；并且軸上信號編碼與發(fā)射模塊均采用低功耗設計，可靠感應方式供電，能長期穩(wěn)定地工作，從而解決了旋轉軸上模塊的供電問題。

所以完整的扭振傳感器由應變計、無線數字編碼模塊、天線、無線接收模塊與解碼模塊組 成，并得到圖3中的扭矩信號輸入至監(jiān)測儀。

(2)回旋與縱向振動：回旋與縱向振動均采用接觸式測量法。利用安裝在軸上的ICP加速度傳感器獲取回旋振動與縱向位移信號，也采用PCM無線發(fā)射。該模塊由一對互相垂直的ICP加速度傳感器(回旋振動)/一只ICP加速度傳感器(縱向振動)、ICP調理模塊、無線數字編碼模塊、天線、無線接收模塊與解碼模塊組成(其無線發(fā)射部分與扭振測量模塊共用)，得到兩路回旋與一路縱向振動信號輸入至監(jiān)測儀，見圖1。

(3)軸功率：軸功率監(jiān)測需扭矩與轉速信號計算后求得。扭矩信號的測取同上，轉速信號是由軸系飛輪上的磁電式轉速傳感器測取的，計算得到軸功率信號輸入至監(jiān)測儀，見圖1。

3.機旁監(jiān)測終端硬件設計

機旁監(jiān)測終端是監(jiān)測儀的核心，它處理多路傳感器信號，同時實現顯示、報警、存儲等功能，有連接LCD、以太網、SD卡及CAN總線預留等要求，并考慮到工作環(huán)境及穩(wěn)定性的要求，需采用一款具有上述各種接口并能用于工業(yè)環(huán)境的ARM處理器。同時，機旁監(jiān)測終端需處理大量計算，對數字信號處理能力也有較高要求，最好選用快速的DSP處理器。綜合上述因素，并考慮到系統(tǒng)今后的擴展性，決定采用ARM+DSP雙處理器架構來設計。

ARM選用NXP公司ARM7內核、32位精簡指令集的LPC2378處理器。該處理器片上集成512KB FLASH和58KB SRAM存儲器，有總線外擴接口、UART、USB、10/100M以太網接口、SD卡接口、以及兩路CAN總線接口等，單一3.3V供電方便與其它3.3V器件的供電相匹配[1]。DSP選用TI公司C5000內核的TMS320VC5409A處理器，該DSP包含32K片內高速SRAM，有總線外擴接口，便于擴展片外SRAM和FLASH存儲器，以實現應用系統(tǒng)[2]。

DSP在系統(tǒng)中作為協處理器，需與ARM主處理器交換數據。DSP的HPI接口可用以與主處理器接口和交換數據[2]。其總體架構如圖4所示。

(1)前端信號調理：根據前端傳感器與調理器的工作屬性，調理后的各路信號屬性應如表1所示。

信號調理電路主要由運放組成，實現信號的濾波、縮放、零位偏置、及提高輸入阻抗等功能。為提高精度，運放選用高性能的集成儀表放大器，相關電阻采用0.1%精度的精密電阻。信號隔離采用安捷倫公司的反饋型線性光耦HCNR200，完成信號的1:1隔離放大。

(2)A/D轉換器：ADC采用16位Σ-Δ型ADS1174芯片，以實現高精度采樣。機旁監(jiān)測終端設計4個ADC，每個ADC集成4路采樣通道，可實現16路模擬量的同步采集。ADC的輸出為標準SPI接口，可與DSP的Mcbsp口無縫連接，實現ADC轉換數據的讀取以及ADC的配置與控制。ADC芯片有高速和節(jié)電模式，高速模式下每通道最高52kHz同步采樣率。

(3)人機接口：采用帶字符層與點陣層的雙層LCD實現字符顯示與繪圖功能。LCD連接到LPC2378的外部總線，并采用LPC2378的Intel接口時序。另設計4*4矩陣式鍵盤，共占用ARM 8個GPIO口，用于界面操作。

(4)以太網控制器：通過LPC2378片上的10/100M以太網控制器，外部再連接物理層芯片DM9161A、以太網變壓器HR601680與RJ-45接口即可實現以太網接口。LPC2378利用其片上UART實現RS-232接口，以通過上位機設置以太網參數及調試系統(tǒng)。

4.可靠性設計與測試結果

(1)可靠性設計：電磁兼容按參考文獻[3]的要求設計。連接導線均采用低噪聲屏蔽電纜，盡可能降低信號在傳輸過程中所受的干擾；所有導線接頭均采用LEMO結構，插拔自鎖，能在高振動強沖擊環(huán)境下使用。系統(tǒng)整體單點接地，模擬與數字地分開，再通過磁珠連接，防止數字部分的對模擬部分的高頻噪聲干擾。

系統(tǒng)電源總接入口采用隔離電源模塊，輸入電源首先通過磁珠以阻止高頻干擾，內部電源變換使用線性電源芯片，降低電源的紋波干擾。外部傳感器信號接入處均采用光耦隔離。

電路布線采用多層板，并鋪設獨立的電源層與地層，以降低阻抗、提高抗擾能力。布線遵循元件布置與走線規(guī)則，以提升整個電路板的電磁兼容性。高頻DSP系統(tǒng)設計有看門狗電路，在系統(tǒng)死機時自動復位。最后，整個系統(tǒng)安裝到金屬屏蔽盒內，從系統(tǒng)的角度實現電磁兼容。

表1 各路傳感器信號屬性表

表2 功率測量試驗結果

圖1 軸系監(jiān)測系統(tǒng)的組成

圖2 新型扭振傳感器實物及其在軸上的安裝與封裝

圖3 扭轉振動監(jiān)測模塊

圖4 機旁監(jiān)測終端總體架構圖

(2)測試結果：限于篇幅，并且由于功率測量需用到扭矩與轉速傳感器信號，因此可以功率測試為例。軸系試驗臺架的輸出軸后安裝有測功機，將監(jiān)測儀輸出的功率值與測功機的測量值進行比較（表2），試驗結果表明：測試誤差達到工程要求，監(jiān)測儀設計成功。

5.結束語

目前，該監(jiān)測儀已用于船舶軸系的監(jiān)測。由于ARM處理器能運行操作系統(tǒng)，便于管理復雜的程序任務，外設功能豐富，易于設計出智能化監(jiān)測裝置；而DSP處理器具有快速采樣與計算能力，所以兩者優(yōu)勢互補，完成設計目標。此外，該ARM+DSP方案也可以作為硬件設計的一個通用方案。而具有無線遙測與感應發(fā)電功能的新型傳感器的應用則大大提高了監(jiān)測儀的先進性與可靠性。

[1]周立功.ARM微控制器基礎與實戰(zhàn)(第二版)[M].北京航空航天大學出版社,2005.

[2]戴明楨.TMS320C54x DSP結構、原理及應用[M].北京航空航天大學出版社,2001.

[3]GJB151A-97,軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求.