船舶艉軸測速單元的設(shè)計與實現(xiàn)

劉迪

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船舶艉軸測速單元的設(shè)計與實現(xiàn)

劉迪

(武漢船用電力推進裝置研究所, 武漢 430064)

船舶艉軸速度在中速主機船舶換向和船舶航行指示中必不可少.本文提出一種基于單片機的通用型船舶艉軸測速系統(tǒng).包括輸入信號調(diào)理單元，DA轉(zhuǎn)換單元，電子顯示，模擬輸出顯示，485通信單元等.為了更好的適應(yīng)發(fā)展與變化的需求，該方案在硬件和軟件設(shè)計上都做了通用性的設(shè)計.該測速裝置也可用于船舶主機的測速，系統(tǒng)最高頻率在50KHZ.測速電路板在高溫和電磁輻射下工作良好，達到了預(yù)期設(shè)計目的.

單片機 測速 D/A轉(zhuǎn)換 電磁輻射 艉軸

0 引言

艉軸轉(zhuǎn)速是船舶操縱中的重要參考值.據(jù)考察發(fā)現(xiàn)，船舶艉軸測速裝置以軸帶發(fā)電機或通過傳感器的脈沖頻率F/V轉(zhuǎn)換供給儀表模擬儀表顯示.他的缺點在于軸帶發(fā)電機產(chǎn)生的是交流信號，供給主機遙控很不方便；而F/V轉(zhuǎn)換雖能準(zhǔn)確的反應(yīng)轉(zhuǎn)速，但是不能實現(xiàn)通信功能，只能給控制單元模擬信號。傳統(tǒng)的測速裝置具有很大的局限性，不能在船舶上通用，一個裝置只能用于特定的艉軸齒數(shù)、輸出儀表量程、輸入信號模式。傳統(tǒng)的測速裝置不能與遙控系統(tǒng)通信直接送給遙控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號。

針對傳統(tǒng)測速裝置的某些不足，本文提出一種基于infineon八位單片機的船舶艉軸測速裝置。該設(shè)計對輸入信號做了前端整形，使得能夠兼容正玄波和方波的輸入；增加了撥碼開關(guān)用于對測速的齒數(shù)進行撥碼；使用了模擬和數(shù)字雙輸出顯示，增大了系統(tǒng)顯示需求的靈活性；使用了485通信輸出轉(zhuǎn)速信號的設(shè)計，使得對控制具有更好的兼容性；在軟件設(shè)計上，也采用了撥碼選擇的方式用來改變單片機的測速方式，中斷計時方式和捕獲比較模式，增強了系統(tǒng)對速度的兼容性。

船舶工業(yè)發(fā)展十分迅速，并且船舶種類越來越紛繁復(fù)雜。因此，設(shè)計一款具有廣泛兼容性的測速裝置具有低成本，減少反復(fù)開發(fā)的現(xiàn)實意義。

1 設(shè)計思想

船舶艉軸測速設(shè)計電路基本功能框圖如下：

轉(zhuǎn)速傳感器信號，正玄或方波信號經(jīng)過信號調(diào)理（包括整形放大，隔離，電平轉(zhuǎn)換）后，一路送給D觸發(fā)器作為方向判別信號，從而控制繼電器切換輸出；另一路送給單片機的捕獲比較單元，捕獲兩個上升沿或下降沿的時間間隔后據(jù)此可計算出轉(zhuǎn)速值。然后送給DA轉(zhuǎn)換芯片經(jīng)后續(xù)放大跟隨后輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)速的模擬量。單片機接收到脈沖信號計算得到轉(zhuǎn)速后經(jīng)過串口送給外部數(shù)字顯示。當(dāng)單片機接收到外部轉(zhuǎn)速需求信號后，通過485通信送給外部請求單元轉(zhuǎn)速信號。

2 功能塊硬件設(shè)計

2.1電源模塊

1) 5V電源原理圖

電源模塊選用了LM5576（圖2）芯片.LM5576具有輸入電壓寬泛，輸出電流大，輸出精密電壓和輸出可調(diào)性和抗電磁干擾等優(yōu)點。它的輸入電壓在6～75 V，輸出電流max=3 A，輸出電壓可調(diào)V=1.225* (+1).該電源工作性能穩(wěn)定，滿足設(shè)計中DA轉(zhuǎn)換參考誤差容許值和單片機的供電要求。

轉(zhuǎn)速表的輸出設(shè)計精度要求在5rad/min，轉(zhuǎn)換為DA轉(zhuǎn)換的輸出電壓偏差為：

其中，設(shè)計艉軸測量轉(zhuǎn)速0～300 rad/min，對應(yīng)電壓為0～6 V，DA轉(zhuǎn)換輸出為0～5 V，然后經(jīng)過1.2倍放大得到0～6 V）。LM5576電源芯片的誤差為1.5%，即輸出電壓差，故當(dāng)電壓漂浮時DA轉(zhuǎn)換輸出值為:

即可.對上式帶入數(shù)據(jù)得：

故電源芯片的設(shè)計精度滿足系統(tǒng)的要求。

DA轉(zhuǎn)換一般在0～5 V而電壓型轉(zhuǎn)速表的電壓往往高出5 V的范圍，這使得DA轉(zhuǎn)換后不僅要功率放大，還需要進行電壓放大，而放大器需要正負電源供電.本文采用了德州儀器的TL497A作為升壓，和電壓反向升壓芯片供給12 V的電源。在5～12 V的轉(zhuǎn)換條件下，設(shè)計的輸出電流達到200 mA，滿足設(shè)計需求。這樣設(shè)計，免除了對輸入正負雙電源的要求，適合船舶上通用供24V直流電的規(guī)范。

2.2 RS485通信設(shè)計模塊

本文設(shè)計485通信是基于與遙控系統(tǒng)通信，按照遙控系統(tǒng)的請求送給遙控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號.485通信的優(yōu)點是通信距離長，抗干擾能力強.且通信相對簡便，作為船用系統(tǒng)通信485是一個較好的選擇。

2.3轉(zhuǎn)速信號電平轉(zhuǎn)換圖

為了實現(xiàn)24 V的正弦或方波信號到5 V的轉(zhuǎn)換，本文采用了PC817光格作為隔離轉(zhuǎn)換單元.因為該設(shè)計測速方式是捕獲相鄰兩個齒之間的時間間隔從而計算轉(zhuǎn)速，所以將正弦波轉(zhuǎn)換為方波的截取點可以隨意的選取，這樣就可以將正弦信號直接加在方波信號上轉(zhuǎn)換為方波信號。這樣的做法通過了實驗測試，實驗證明是可行的.對于光格的24～5 V信號轉(zhuǎn)換，試用了6N137，PC817等，6N137會產(chǎn)生很大的干擾信號，PC817轉(zhuǎn)換信號十分成功。

2.4通信與顯示模塊

RS232通信是設(shè)計用來輸出數(shù)字顯示轉(zhuǎn)速信號的。通過串口通信輸出轉(zhuǎn)速信號并通過74HC595實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換并鎖存，在單片機的控制下實現(xiàn)動態(tài)掃描輸出。

顯示模塊是常見的LED數(shù)碼管，采用動態(tài)掃描顯示。數(shù)碼管采用共陽極，以降低單片機的負載.基于其常見性這里不做過多介紹。

2.5 Infineon單片機最小系統(tǒng)原理圖

XC866是infinoen公司推出的XC800系列之一，它具有較高的安全性和強大的控制功能且廣泛應(yīng)用于汽車電子及電機控制等方面.其在51內(nèi)核的基礎(chǔ)上內(nèi)嵌了8路10位A/D轉(zhuǎn)換，捕獲比較單元（CCU6）等.基于其穩(wěn)定性和集成性，本文采用XC866的捕獲比較功能換，串口，高速同步通信等，控制輸出DA量和數(shù)字顯示，實現(xiàn)485功能通信。

2.6程序下載單元

JTAG引腳定義： TCK—測試時鐘輸入； TDI—測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JTAG口； TDO—測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO從JTAG口輸出； TMS—測試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG口處于某種特定的測試模式。JTAG是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，用來連接PC與單片機，PC機通過它對單片機進行測試、操作和下載程序。

2.7電路設(shè)計綜述

本文采用了LM5576作為5 V電源芯片，TL497A作為12 V電源芯片，MAX485作為485通信芯片，max232作為串口通信芯片，AD5322作為DA轉(zhuǎn)換芯片（通信速度達180-30MHZ），XC886作為系統(tǒng)的主控芯片.輸出放大選擇了NE5532，信號處理、電平轉(zhuǎn)換采用了光格PC817。

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計中還充分考慮了通用性和抗干擾問題.硬件電路已經(jīng)經(jīng)過調(diào)試，工作穩(wěn)定可靠。在高溫下通過了測試，工作正常.測試了在變頻電動機（約8 MHZ空間電磁波干擾）旁工作正常，但是通過示波器檢測到了系統(tǒng)電路板內(nèi)出現(xiàn)了周期性的高頻電磁干擾.而改變示波器的測量方式（交換接頭）測量結(jié)果有明顯變化，對于該干擾的處理在進一步的探究之中。

3 軟件實現(xiàn)

本文的用戶程序制作主要分為以下部分：

1）捕獲比較模塊采用單通道捕獲比較模式，捕獲脈沖間隔時間。2）顯示模塊溫度顯示LED采用動態(tài)掃描輸出.對于共陰極數(shù)碼管，在程序設(shè)計時選擇某一位（給該位的共陰極低電平，其余的給高電平）再向陽極送入該位的數(shù)字代碼信號，然后選擇另一陰極送入代碼以此循環(huán)達到顯示目的。3）485通信模塊接收到轉(zhuǎn)速請求后發(fā)出轉(zhuǎn)速信號。4） IV.DA模塊。測量到轉(zhuǎn)速信號并滿足輸出條件時，啟動高速同步通信控制DA轉(zhuǎn)換芯片按單片機送給的數(shù)據(jù)信號輸出電壓值。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于單片機的，通用性能十分廣泛的船舶艉軸測速裝置。實驗表明，該設(shè)計的溫度性能和抗電磁特性較為理想，能夠滿足船舶控制的要求。本文的各項引入誤差都在誤差容許的范圍之內(nèi)，并通過測試證明。長時間運行能夠保證其穩(wěn)定與精確性。現(xiàn)代船舶的測速裝置都呈現(xiàn)了智能化、通用性等特點。本文的設(shè)計產(chǎn)品將能夠適應(yīng)船舶工業(yè)發(fā)展的要求，實現(xiàn)優(yōu)良的測量與控制。

[1] 蔡榮海,楊紅宇. 增強型單片機XC866原理及應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] Infineon technology. XC866 manual 8-Bit Single-Chip Microcontroller[M]. Munich：Published by Infineon Teshnology，2007.

[3] 童詩白,華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[4] 趙晶. 電路設(shè)計與制版protel 99高級應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2000.

Design and Implement of Speeding Unit for Marine Propeller Shaft

Liu Di

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM934

A

1003-4862（2015）01-0048-05

2014-08-15

劉迪(1988-), 男。研究方向：電力電子技術(shù)。