基于嵌入式系統(tǒng)的船用柴油機(jī)信號模擬器

袁云飛 郭 霆 王玉寶 唐 明

(江蘇科技大學(xué)能源與動力學(xué)院1,江蘇 鎮(zhèn)江 212003;滬東重機(jī)有限公司2,上海 200129)

基于嵌入式系統(tǒng)的船用柴油機(jī)信號模擬器

袁云飛1郭 霆1王玉寶2唐 明1

(江蘇科技大學(xué)能源與動力學(xué)院1,江蘇 鎮(zhèn)江 212003;滬東重機(jī)有限公司2,上海 200129)

為方便船用柴油機(jī)監(jiān)控和故障診斷等系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物仿真，開發(fā)了一套信號模擬器。硬件方面，信號模擬器基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，分立的組件間通過RS- 485總線通信。模擬器提供如液晶顯示和旋鈕輸入等人機(jī)接口，并可靈活配置輸出多種模擬信號。軟件方面，底層軟件采用中斷模式，上位機(jī)軟件提供界面來實(shí)施動態(tài)性能測試。試驗(yàn)測試結(jié)果表明，該船用信號模擬器能夠較方便地模擬出常見的船用柴油機(jī)信號，且其精度高、實(shí)用性強(qiáng)，為船用柴油機(jī)相關(guān)系統(tǒng)的測試提供了良好的輔助工具。

信號模擬器 嵌入式系統(tǒng) 船用柴油機(jī) 半實(shí)物仿真 動態(tài)性能測試

0 引言

船用柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中通常需對曲軸轉(zhuǎn)速、燃油溫度、燃油壓力、冷卻水溫度、主機(jī)振動等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并依據(jù)這些參數(shù)信號進(jìn)行故障診斷和報(bào)警[1-3]。以往的柴油機(jī)故障診斷等系統(tǒng)在進(jìn)行半實(shí)物仿真時(shí)，所需的傳感器信號如頻率、電流、脈沖、電阻等是采用一些分立的組件來產(chǎn)生。分立組件如信號發(fā)生器或簡單電路提供信號源的功能也比較單一，且很難實(shí)施動態(tài)特性，所以調(diào)試起來非常不方便[3]。目前，雖然像dSPACE公司為代表開發(fā)的硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)能夠較好地滿足動態(tài)測試性能，實(shí)時(shí)性好，但價(jià)格過于昂貴[4]。本文綜合成本和實(shí)用性等方面的考慮，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的船用柴油機(jī)信號模擬器。該系統(tǒng)集多種信號源于一體，能夠模擬頻率信號、電阻信號、電壓信號和電流等信號。為方便調(diào)試，該模擬器提供完善的人機(jī)接口。此外，系統(tǒng)留有上位機(jī)接口，通過上位機(jī)軟件可以對模擬器進(jìn)行監(jiān)控和標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)動態(tài)特性。該船用柴油機(jī)信號模擬器目前已經(jīng)量產(chǎn)化，其給柴油機(jī)監(jiān)測、報(bào)警和故障診斷等系統(tǒng)的調(diào)試工作帶來極大的方便，且實(shí)用性強(qiáng)，縮短了開發(fā)周期，提高了工作效率。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

綜合信號模擬器的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 模擬器系統(tǒng)框圖

模擬器可為常見的如柴油機(jī)故障診斷等系統(tǒng)提供相關(guān)的輸入信號。為方便后期拓展，模擬器有自動設(shè)置和手動設(shè)置兩種模式，切換方式可通過上位機(jī)軟件設(shè)定。此系統(tǒng)中集成了常見的船用柴油機(jī)外圍信號，提供2路頻率信號、10路Pt100電阻信號、2路K型熱電偶毫伏電壓信號和2路4～20 mA電流信號。為方便調(diào)試，模擬器提供良好的人機(jī)交互接口。其中，前面板上共配備有8塊液晶顯示屏和8組旋鈕輸入。所有的輸出信號的信息均展示在液晶屏上，輸出參數(shù)的設(shè)定在手動模式下可通過旋鈕方便調(diào)整。后面板為輸出端子接口，其中模擬的Pt100電阻信號有兩線制和三線制兩種接線方式，頻率信號和4～20 mA電流信號均附加電源，使模擬器適應(yīng)不同場合的應(yīng)用需求。此外，模擬器前面板上還留有RS- 485接口。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件整體設(shè)計(jì)

信號模擬器的整體設(shè)計(jì)如圖2所示，主要由STMS103核心板、驅(qū)動板和RS- 485總線三大部分組成。

模擬器整體采用的是分立組件式結(jié)構(gòu)，共包含8塊CPU核心主板和8塊信號驅(qū)動板。每塊核心主板采用SPI總線，通過高速光耦以光電隔離的方式驅(qū)動單塊驅(qū)動板，同時(shí)輸出兩路模擬的信號。本設(shè)計(jì)中，8塊驅(qū)動板由5塊Pt100電阻模擬信號、1塊4～20 mA、1塊K型熱電偶和1塊頻率輸出板組成。核心板之間采用RS- 485總線互連，應(yīng)用中上位機(jī)作為通信主機(jī)，核心板均為從機(jī)。

圖2 硬件整體框圖

2.2 核心板設(shè)計(jì)

光電隔離電路如圖3所示。

圖3 光電隔離電路

核心板中CPU采用的是8位低成本、高性能的STM8S103，主頻最高可達(dá)16 MHz，擁有8 kB容量Flash和1 kB容量RAM以及SPI、UART等外設(shè)接口。設(shè)計(jì)時(shí),芯片內(nèi)部啟用EEPROM模塊來存儲參數(shù)化配置信息?？撮T狗芯片可監(jiān)測單片機(jī)內(nèi)部的程序，以防程序因外部電磁干擾等引起的程序跑飛。核心板上配有LCD液晶顯示屏、輸入旋鈕和通信等接口。其中，LCD為1 602字符液晶，可顯示16×2字符，同時(shí)顯示兩路信號的參數(shù)信息；輸入旋鈕為編碼式旋鈕，旋鈕在手動模式下可靈活配置所屬通道。當(dāng)需要改變輸出值時(shí)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)面板旋鈕，會減小輸出值;當(dāng)旋轉(zhuǎn)到最小值時(shí),再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一次，則會變?yōu)樽畲笾怠Ｍ瑯幽鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)面板按鈕，會增大輸出值，當(dāng)旋鈕旋轉(zhuǎn)到最大值時(shí)，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一次，則會變?yōu)樽钚≈?；?dāng)按下旋鈕時(shí)，會切換通道。核心板與驅(qū)動板間驅(qū)動接口均采用同樣的8針JTAG接口，其中主要包含電源和SPI驅(qū)動部分，兩者間是采用高速光耦來隔離，可保證良好的電氣兼容性。

2.3 驅(qū)動板設(shè)計(jì)

驅(qū)動板的主要目的是輸出模擬器定制的測試信號。Pt100電阻信號驅(qū)動板是通過純阻性的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，其中包括運(yùn)算放大電路、D/A驅(qū)動電路、電壓跟隨器和標(biāo)準(zhǔn)電阻。pt100模擬電路框圖如圖4所示。

圖4 Pt100模擬電路框圖

模擬器需要輸出的電阻信號是根據(jù)輸入溫度和Pt100溫度電阻表得到的，通過阻抗網(wǎng)絡(luò)可得到D/A輸出的控制值K。本設(shè)計(jì)中采用16位分辨率的D/A芯片DAC8812來實(shí)現(xiàn)。圖4所示的電路為純阻性，輸出電阻為：

R=Rs/(1-βK)

(1)

式中：Rs為參考電阻，設(shè)計(jì)中Rs=250Ω，精度為0.1%；β為放大器放大倍數(shù)，β=1.5；k為D/A控制量，k=D/65 535,D為D/A控制數(shù)字量，范圍為0～65 535。通過調(diào)整D/A的控制量，即可調(diào)整電路的輸出電阻，實(shí)現(xiàn)Pt100電阻信號的模擬。

4～20mA電流信號通過16位分辨率的電流環(huán)路芯片AD421來產(chǎn)生，其驅(qū)動電路如圖5所示。AD421輸出電流非線性誤差控制在±0.01%，能較精確地輸出電流信號。

圖5 4～20 mA驅(qū)動電路

K型熱電偶的輸出為毫伏電壓信號，設(shè)計(jì)中通過DAC8812加電壓跟隨器的方式產(chǎn)生，參考電壓為5 V，則控制回路的輸出電壓為：

U=5D/65 535

(2)

頻率信號直接使用高精度DDS芯片AD9851產(chǎn)生。AD9851內(nèi)部DDS模塊有32位頻率控制字、180 MHz時(shí)鐘、0.04 Hz精度，能精確輸出頻率信號。AD9851芯片產(chǎn)生的頻率信號后經(jīng)緩沖放大電路后輸出，提高帶負(fù)載的能力。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為下位機(jī)和上位機(jī)軟件兩個(gè)部分，如圖6所示。

下位機(jī)主要負(fù)責(zé)硬件輸入輸出等方面的控制，而上位機(jī)完成相關(guān)測試數(shù)據(jù)的監(jiān)測、標(biāo)定等工作。上下位機(jī)之間采用RS- 485接口物理連接，軟件上采用Modbus-RTU協(xié)議。

圖6 軟件整體框圖

3.2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括旋鈕輸入信號檢測、定時(shí)器、通信接口驅(qū)動、LCD液晶屏刷新、EEPROM的管理以及SPI驅(qū)動等部分。下位機(jī)的核心思想是通過中斷的方式響應(yīng)外部的輸入和接收通信數(shù)據(jù)，這樣的設(shè)計(jì)可使主程序減輕負(fù)擔(dān)。具體實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖7所示。

圖7 下位機(jī)工作流程圖

旋鈕輸入的中斷服務(wù)程序如下所示。當(dāng)旋鈕輸入改變時(shí)，中斷程序會判斷旋鈕輸入的方式，如向下旋轉(zhuǎn)、向上旋轉(zhuǎn)或旋鈕按下，并根據(jù)相應(yīng)的操作調(diào)整電流的輸出值，同時(shí)在液晶上刷新顯示。

#pragma vector = 7

//旋鈕輸入中斷，4～20 mA服務(wù)函數(shù)

__interrupt void EXTI_PORTC_IRQHandler(void)

{ unsigned char temp;

temp = PC_IDR & 0x0E;

if(temp==0x08) {

//向下旋轉(zhuǎn)

if(which_way==0) {

//第一路信號

……

}

else{

//第二路信號

}}

if(temp==0x0C) {

//向上旋轉(zhuǎn)

if(which_way==0) {

//第一路信號

……

}

else{

//第二路信號

……

}}

if(temp==0x06) {

//旋鈕按下,在兩路之間轉(zhuǎn)換

if(which_way==0)

//通道變量調(diào)整

which_way=1;

else which_way=0;

}

Data_updata();

//液晶刷新輸出

//通道1的電流更新

AD421_SPI(OUT1_data_DA,0);

//通道2的電流更新

AD421_SPI(OUT2_data_DA,1);

}

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件基于.Net4.0組件，采用Visual Studio 2010開發(fā)，在設(shè)計(jì)時(shí)被定義為表示層、業(yè)務(wù)層、接口層和數(shù)據(jù)層，這樣的設(shè)計(jì)理念使系統(tǒng)具有拓展性和可維護(hù)性。

表示層提供應(yīng)用程序的用戶界面，包括圖形、響應(yīng)用戶的操作以及獲取業(yè)務(wù)層的功能支持。表示層和數(shù)據(jù)層的隔離保障了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。本系統(tǒng)中表示層主要是展示模擬器的輸入輸出參數(shù)和功能配置，主要包括綜合設(shè)置和輸出的四組信號的設(shè)置。

業(yè)務(wù)層負(fù)責(zé)應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)功能邏輯，主要任務(wù)是響應(yīng)來自表示層的功能請求，并根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯從數(shù)據(jù)層中獲取數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理，最后將操作結(jié)果傳送給表示層。

接口層用于業(yè)務(wù)層與數(shù)據(jù)層的連接以及相關(guān)工具類的組合，本系統(tǒng)中接口層定義Modbus協(xié)議驅(qū)動和xml數(shù)據(jù)庫讀寫類。

數(shù)據(jù)庫采用輕量級的xml數(shù)據(jù)庫，在本設(shè)計(jì)主要存儲用戶定義的測試用例數(shù)據(jù)以及如Pt100溫度阻值表、K型熱電偶溫度電壓表等數(shù)據(jù)。

4 性能測試

PCB電路板被固定在機(jī)箱的內(nèi)部，核心板與驅(qū)動板之間通過排線連接。整機(jī)的尺寸控制在50 cm×30 cm×30 cm之內(nèi)，質(zhì)量為8 kg，外殼防護(hù)等級到IP54。供電采用200 V交流電，整機(jī)功耗控制在20 W左右。由于模擬器采用了嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)，達(dá)到了便攜式的使用效果。

在16VPA6船舶柴油機(jī)系統(tǒng)中，冷卻水、曲柄銷油溫等采用Pt100電阻傳感器測量，范圍一般為0～100 ℃；進(jìn)出口燃油壓力、滑油壓力等采用標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA變送；排氣溫度采用K型熱電偶傳感器測量，范圍一般為0～600 ℃；空冷器低溫水等的流量以及曲軸轉(zhuǎn)速信號一般都在0～2 000 Hz范圍內(nèi)。按照應(yīng)用的需求，信號模擬器的輸出范圍被設(shè)置在傳感器的變送范圍內(nèi)。為評估模擬器的輸出精度，我們利用PC主機(jī)和工業(yè)采集板卡采集模擬器的輸出，并計(jì)算輸出精度，如表1所示。通過表1可知，模擬器輸出四種信號的精度均高于現(xiàn)場使用的傳感器，且響應(yīng)速度快，可以有效地模擬現(xiàn)場的傳感器信號。

表1 模擬器性能測試表

5 結(jié)束語

針對柴油機(jī)監(jiān)控、故障診斷調(diào)試所需的信號源問題，設(shè)計(jì)出基于嵌入式系統(tǒng)的船用柴油機(jī)模擬器，可比較真實(shí)地模擬出柴油機(jī)常見的外圍信號類型。本系統(tǒng)為船用柴油機(jī)監(jiān)控和故障診斷等系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物仿真提供了良好的輔助工具，操作方便，有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 楊建國,王曉武.船舶柴油機(jī)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國航海,1999(2):41-48.

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Signal Simulator Based on Embedded System for Marine Diesel Engine

In order to carry out semi-physical simulation for marine diesel engine monitoring and fault diagnosis system, the signal simulator has been developed. For the hardware, the signal simulator is developed based on embedded system; the discrete components are communicating via RS- 485 bus. LCD display and knob inputs are provided as the man machine interface; and multiple kinds of analog signal outputs can be flexibly configured. For the software, the underlying software is using interrupt mode, the software in host computer provides interface to implement dynamic performance test. The result of experimental tests shows that the simulator proposed can easily emulate common marine diesel engine signals with high precision, and features strong practicability, it provides excellent auxiliary tool for testing relevant system of the marine diesel engines.

Signal simulator Embedded system Marine diesel engine Semi-physical simulation Dynamic performance test

袁云飛(1991-),女,現(xiàn)為江蘇科技大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事柴油機(jī)在線監(jiān)測和故障診斷專家系統(tǒng)的研究。

TP274+.2

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505020

修改稿收到日期：2014-11-07。