上海海事大學(xué)商船學(xué)院 黃志堅(jiān) 陳巨濤 余立立

1.引言

現(xiàn)代船舶推進(jìn)軸系日趨復(fù)雜，其產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)、縱向及橫向振動(dòng)會(huì)對(duì)軸系本身造成危害，嚴(yán)重的甚至造成軸段斷裂與船毀人亡。因此預(yù)防軸系故障的產(chǎn)生尤為重要，但傳統(tǒng)的定時(shí)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(cè)方法。因此本文開發(fā)船舶軸系監(jiān)測(cè)裝置，為其安全運(yùn)行提供保障。該監(jiān)測(cè)裝置能在線對(duì)軸系扭應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、回旋振動(dòng)與縱向振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，同時(shí)還監(jiān)測(cè)軸系轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)功率與扭矩，以判斷軸系工作狀態(tài)。

2.組成與測(cè)量原理

軸系監(jiān)測(cè)儀為模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)用戶要求進(jìn)行配置，由扭轉(zhuǎn)、回旋、縱向振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊、軸功率監(jiān)測(cè)模塊與機(jī)旁監(jiān)測(cè)終端等組成，見圖1。

(1)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)：扭轉(zhuǎn)振動(dòng)采用應(yīng)力直接測(cè)量法。利用粘貼在軸上的電阻應(yīng)變計(jì)，測(cè)得旋轉(zhuǎn)軸表面扭應(yīng)力的大小，扭應(yīng)力隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化就反應(yīng)了軸系的扭振。選用德國(guó)KMT公司的MT32型350Ω全橋應(yīng)變片，具有溫度自補(bǔ)償功能(圖2左)。同時(shí)設(shè)計(jì)機(jī)械裝置，保證應(yīng)變計(jì)粘貼得與軸線方向一致(圖2中)。在對(duì)應(yīng)變計(jì)涂層防護(hù)后，設(shè)計(jì)硬質(zhì)非金屬材料卡環(huán)保護(hù)罩封裝應(yīng)變計(jì)與無線編碼模塊，并牢牢固定在軸上隨軸旋轉(zhuǎn)；感應(yīng)拾取模塊緊靠其安裝而不接觸(圖2右)。

由于旋轉(zhuǎn)軸上接觸式信號(hào)的傳輸不穩(wěn)定，工作壽命短，不適合長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)，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(diào)制(PCM)方式無線傳輸扭振信號(hào)，發(fā)射主頻為433.3～434.5MHz，采用數(shù)字信號(hào)，信噪比高不易受干擾；并且軸上信號(hào)編碼與發(fā)射模塊均采用低功耗設(shè)計(jì)，可靠感應(yīng)方式供電，能長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，從而解決了旋轉(zhuǎn)軸上模塊的供電問題。

所以完整的扭振傳感器由應(yīng)變計(jì)、無線數(shù)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(hào)輸入至監(jiān)測(cè)儀。

(2)回旋與縱向振動(dòng)：回旋與縱向振動(dòng)均采用接觸式測(cè)量法。利用安裝在軸上的ICP加速度傳感器獲取回旋振動(dòng)與縱向位移信號(hào)，也采用PCM無線發(fā)射。該模塊由一對(duì)互相垂直的ICP加速度傳感器(回旋振動(dòng))/一只ICP加速度傳感器(縱向振動(dòng))、ICP調(diào)理模塊、無線數(shù)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(cè)量模塊共用)，得到兩路回旋與一路縱向振動(dòng)信號(hào)輸入至監(jiān)測(cè)儀，見圖1。

(3)軸功率：軸功率監(jiān)測(cè)需扭矩與轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)算后求得。扭矩信號(hào)的測(cè)取同上，轉(zhuǎn)速信號(hào)是由軸系飛輪上的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)取的，計(jì)算得到軸功率信號(hào)輸入至監(jiān)測(cè)儀，見圖1。

3.機(jī)旁監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

機(jī)旁監(jiān)測(cè)終端是監(jiān)測(cè)儀的核心，它處理多路傳感器信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)等功能，有連接LCD、以太網(wǎng)、SD卡及CAN總線預(yù)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(shí)，機(jī)旁監(jiān)測(cè)終端需處理大量計(jì)算，對(duì)數(shù)字信號(hào)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(kuò)展性，決定采用ARM+DSP雙處理器架構(gòu)來設(shè)計(jì)。

ARM選用NXP公司ARM7內(nèi)核、32位精簡(jiǎn)指令集的LPC2378處理器。該處理器片上集成512KB FLASH和58KB SRAM存儲(chǔ)器，有總線外擴(kuò)接口、UART、USB、10/100M以太網(wǎng)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(nèi)核的TMS320VC5409A處理器，該DSP包含32K片內(nèi)高速SRAM，有總線外擴(kuò)接口，便于擴(kuò)展片外SRAM和FLASH存儲(chǔ)器，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)[2]。

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

(1)前端信號(hào)調(diào)理：根據(jù)前端傳感器與調(diào)理器的工作屬性，調(diào)理后的各路信號(hào)屬性應(yīng)如表1所示。

信號(hào)調(diào)理電路主要由運(yùn)放組成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(yùn)放選用高性能的集成儀表放大器，相關(guān)電阻采用0.1%精度的精密電阻。信號(hào)隔離采用安捷倫公司的反饋型線性光耦HCNR200，完成信號(hào)的1:1隔離放大。

(2)A/D轉(zhuǎn)換器：ADC采用16位Σ-Δ型ADS1174芯片，以實(shí)現(xiàn)高精度采樣。機(jī)旁監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)4個(gè)ADC，每個(gè)ADC集成4路采樣通道，可實(shí)現(xiàn)16路模擬量的同步采集。ADC的輸出為標(biāo)準(zhǔn)SPI接口，可與DSP的Mcbsp口無縫連接，實(shí)現(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)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(jī)接口：采用帶字符層與點(diǎn)陣層的雙層LCD實(shí)現(xiàn)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(shí)序。另設(shè)計(jì)4*4矩陣式鍵盤，共占用ARM 8個(gè)GPIO口，用于界面操作。

(4)以太網(wǎng)控制器：通過LPC2378片上的10/100M以太網(wǎng)控制器，外部再連接物理層芯片DM9161A、以太網(wǎng)變壓器HR601680與RJ-45接口即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口。LPC2378利用其片上UART實(shí)現(xiàn)RS-232接口，以通過上位機(jī)設(shè)置以太網(wǎng)參數(shù)及調(diào)試系統(tǒng)。

4.可靠性設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果

(1)可靠性設(shè)計(jì)：電磁兼容按參考文獻(xiàn)[3]的要求設(shè)計(jì)。連接導(dǎo)線均采用低噪聲屏蔽電纜，盡可能降低信號(hào)在傳輸過程中所受的干擾；所有導(dǎo)線接頭均采用LEMO結(jié)構(gòu)，插拔自鎖，能在高振動(dòng)強(qiáng)沖擊環(huán)境下使用。系統(tǒng)整體單點(diǎn)接地，模擬與數(shù)字地分開，再通過磁珠連接，防止數(shù)字部分的對(duì)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(nèi)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(hào)接入處均采用光耦隔離。

電路布線采用多層板，并鋪設(shè)獨(dú)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(gè)電路板的電磁兼容性。高頻DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)有看門狗電路，在系統(tǒng)死機(jī)時(shí)自動(dòng)復(fù)位。最后，整個(gè)系統(tǒng)安裝到金屬屏蔽盒內(nèi)，從系統(tǒng)的角度實(shí)現(xiàn)電磁兼容。

表1 各路傳感器信號(hào)屬性表

表2 功率測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果

圖1 軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

圖2 新型扭振傳感器實(shí)物及其在軸上的安裝與封裝

圖3 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊

圖4 機(jī)旁監(jiān)測(cè)終端總體架構(gòu)圖

(2)測(cè)試結(jié)果：限于篇幅，并且由于功率測(cè)量需用到扭矩與轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)，因此可以功率測(cè)試為例。軸系試驗(yàn)臺(tái)架的輸出軸后安裝有測(cè)功機(jī)，將監(jiān)測(cè)儀輸出的功率值與測(cè)功機(jī)的測(cè)量值進(jìn)行比較（表2），試驗(yàn)結(jié)果表明：測(cè)試誤差達(dá)到工程要求，監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)成功。

5.結(jié)束語

目前，該監(jiān)測(cè)儀已用于船舶軸系的監(jiān)測(cè)。由于ARM處理器能運(yùn)行操作系統(tǒng)，便于管理復(fù)雜的程序任務(wù)，外設(shè)功能豐富，易于設(shè)計(jì)出智能化監(jiān)測(cè)裝置；而DSP處理器具有快速采樣與計(jì)算能力，所以兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。此外，該ARM+DSP方案也可以作為硬件設(shè)計(jì)的一個(gè)通用方案。而具有無線遙測(cè)與感應(yīng)發(fā)電功能的新型傳感器的應(yīng)用則大大提高了監(jiān)測(cè)儀的先進(jìn)性與可靠性。

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

[2]戴明楨.TMS320C54x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

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