基于PIC單片機(jī)的船用測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 陽(yáng)，余佳佳

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

艦船在航行過(guò)程中，艉軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向和主機(jī)轉(zhuǎn)速等重要航行數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)反饋給駕駛操作人員。因此，需要對(duì)主機(jī)和艉軸狀態(tài)參數(shù)實(shí)施準(zhǔn)確監(jiān)控，以確保艦船在安全、可靠的狀態(tài)運(yùn)行。

轉(zhuǎn)速的測(cè)量按傳感器安裝方式可分為：接觸式和非接觸式。在接觸式測(cè)量方式中，傳感器通過(guò)彈性聯(lián)軸器與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接，安裝復(fù)雜。非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量又可分為光電測(cè)量和磁性測(cè)量。光電測(cè)量雖然精度較高，但體積大、成本高。磁性測(cè)量則尺寸小，便于安裝，外圍電路簡(jiǎn)單，觸發(fā)方式多樣，使用壽命長(zhǎng)。本文采用PIC單片機(jī)作微處理器，設(shè)計(jì)了一種基于磁性測(cè)量的船用測(cè)速系統(tǒng)。

1 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)測(cè)速傳感器兩路輸出脈沖的相位差來(lái)判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，通過(guò)其中一路脈沖輸出就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。艉軸運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)速處于低速狀態(tài)；主機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)速處于高速狀態(tài)。本系統(tǒng)通過(guò)功能選擇撥碼可以在線進(jìn)行艉軸與主機(jī)測(cè)速切換。由于艉軸與主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不同，為了保證測(cè)量的精度，本系統(tǒng)選擇了兩種測(cè)速方法。

1.1 T法測(cè)速

測(cè)量相鄰兩個(gè)旋轉(zhuǎn)脈沖之間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式為

式中：N為轉(zhuǎn)速，r／min；n為旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)（通常指測(cè)速碼盤(pán)的齒數(shù)）；T1為定時(shí)器周期；M1為定時(shí)器周期的計(jì)數(shù)值。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，定時(shí)器周期的計(jì)數(shù)值分布均勻，用T法計(jì)算出來(lái)的轉(zhuǎn)速精度高，適合艉軸測(cè)速。

圖1 兩種測(cè)速方法原理圖

1.2 M法測(cè)速

運(yùn)用規(guī)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式為

式中：T2為規(guī)定的時(shí)間周期；M2為檢測(cè)脈沖數(shù)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，由于定時(shí)器周期的計(jì)數(shù)值分布集中，T法計(jì)算出來(lái)的轉(zhuǎn)速誤差大，而規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù)分布均勻，M法計(jì)算出來(lái)的轉(zhuǎn)速精度高，適合主機(jī)測(cè)速。

2 測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下圖為測(cè)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，本系統(tǒng)有兩組信號(hào)輸入端，分別接左右雙艉軸測(cè)速傳感器或左右雙主機(jī)測(cè)速傳感器，兩個(gè)傳感器均采用W18LD型傳感器。其中輸入為兩個(gè)雙路測(cè)速傳感器的四路脈沖信號(hào)，高電平約24V，低電平小于0.5V。W18LD型傳感器為雙向測(cè)速傳感器，具有0～10kHz寬響應(yīng)頻率，輸出兩路有相位差的幅度穩(wěn)定的方波信號(hào)。觸發(fā)形式包括：鋼鐵齒輪、齒條、凹槽、孔洞、軟磁和硬磁材料。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)讀入4路脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出雙艉軸或者雙主機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。如果計(jì)算出的轉(zhuǎn)速大于設(shè)定的超速臨界值，輸出開(kāi)關(guān)量報(bào)警信號(hào)。測(cè)速裝置通過(guò)接口將計(jì)算出的轉(zhuǎn)速通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換后直接連接到模擬轉(zhuǎn)速表顯示，同時(shí)通過(guò)RS485和CAN接口將處理后得到的艉軸或者主機(jī)的信息送至數(shù)字顯示裝置上顯示。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 信號(hào)采集與調(diào)理電路 圖3為一路脈沖信號(hào)輸入電路，本系統(tǒng)采用的傳感器為外包有屏蔽層的四芯電纜，屏蔽層接地后具有非常良好的去除電磁干擾效果。在變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，光耦6N137原邊的脈沖波形比較理想，副邊經(jīng)過(guò)電容濾波處理，進(jìn)入單片機(jī)引腳的脈沖波形質(zhì)量良好。另外3路脈沖輸入電路與此電路相同。

圖3 傳感器脈沖輸入電路

2.2.2 模擬量輸出調(diào)節(jié)電路 測(cè)速裝置外接模擬轉(zhuǎn)速表，模擬轉(zhuǎn)速表一般為0－±10V電壓表。艉軸正車(chē)時(shí)，需要輸出0～＋10V電壓值；艉軸倒車(chē)時(shí)，需要輸出0～－10V電壓值。而所選用的D／A轉(zhuǎn)換芯片只能輸出0～＋5V電壓值，故需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖4所示，選用高精度運(yùn)放OP07，雙電源供電，取R6／R5＝R8／R7＝4，得V0＝4（DA1－2.5）V。此電路完成了將0至5V電壓值轉(zhuǎn)換為－10V～＋10V電壓值。

圖4 模擬量輸出電路

2.2.3 RS485和CAN接口電路 測(cè)速裝置內(nèi)單片機(jī)串口經(jīng)光耦隔離后與MAX485芯片相連（圖5），數(shù)據(jù)按通訊協(xié)議所規(guī)定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送。同樣，數(shù)字顯示裝置的RS485接收電路與圖5相同。

圖5 RS485通訊電路

圖6 CAN通訊電路

所選PIC單片機(jī)內(nèi)部集成了CAN模塊（圖6），支持CAN1.2，CAN2.0A 和 CAN2.0B協(xié)議，CAN收發(fā)器選用的是NXP公司的TJA1051。測(cè)速裝置和數(shù)字顯示裝置的CAN通訊電路均見(jiàn)圖6。CAN網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)均可接收需要的數(shù)據(jù)信息，易于系統(tǒng)集成和擴(kuò)展。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的軟件部分主要包括測(cè)速裝置主程序、定時(shí)器0中斷服務(wù)程序、外部中斷INT0和INT1中斷服務(wù)程序和數(shù)字顯示裝置主程序、串口接收中斷服務(wù)程序以及CAN模塊接收中斷服務(wù)程序。測(cè)速裝置中定時(shí)器0中斷主要用于提供周期T1（1ms）和周期T2（1s）；外部中斷INT0和INT1設(shè)置為下降沿觸發(fā)，用于計(jì)算轉(zhuǎn)速。數(shù)字顯示裝置中串口接收和CAN接收用于接收測(cè)速裝置通訊過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)速信息。圖7～圖9分別為測(cè)速裝置主程序、定時(shí)器0中斷和INT0中斷的程序流程圖。

圖7 測(cè)速裝置主程序流程圖

圖8 定時(shí)器0中斷流程圖

圖9 INT0中斷流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證測(cè)量的準(zhǔn)確性，做了對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。其中實(shí)際轉(zhuǎn)速值N0由高精度測(cè)速儀測(cè)得。測(cè)量值N 為數(shù)字顯示裝置的顯示值。測(cè)量誤差

表1 艉軸測(cè)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 主機(jī)測(cè)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

誤差分析表明，T法測(cè)量艉軸轉(zhuǎn)速時(shí)，測(cè)量誤差在1%以?xún)?nèi)；M法測(cè)量主機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，測(cè)量誤差在0.2%以?xún)?nèi)，該測(cè)速系統(tǒng)具有良好的性能。

4 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了一種基于PIC單片機(jī)和磁性測(cè)速傳感器的船用測(cè)速系統(tǒng)。運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有實(shí)用價(jià)值。該設(shè)計(jì)思想可推廣到其他工程應(yīng)用領(lǐng)域，尤其在測(cè)量空間有限或傳感器不便安裝的條件下，該測(cè)速系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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