劉迪

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船舶艉軸測(cè)速單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉迪

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 武漢 430064)

船舶艉軸速度在中速主機(jī)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(jī)的通用型船舶艉軸測(cè)速系統(tǒng).包括輸入信號(hào)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(jì)上都做了通用性的設(shè)計(jì).該測(cè)速裝置也可用于船舶主機(jī)的測(cè)速，系統(tǒng)最高頻率在50KHZ.測(cè)速電路板在高溫和電磁輻射下工作良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的.

單片機(jī) 測(cè)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(cè)速裝置以軸帶發(fā)電機(jī)或通過(guò)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(diǎn)在于軸帶發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的是交流信號(hào)，供給主機(jī)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(shí)現(xiàn)通信功能，只能給控制單元模擬信號(hào)。傳統(tǒng)的測(cè)速裝置具有很大的局限性，不能在船舶上通用，一個(gè)裝置只能用于特定的艉軸齒數(shù)、輸出儀表量程、輸入信號(hào)模式。傳統(tǒng)的測(cè)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(hào)。

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)速裝置的某些不足，本文提出一種基于infineon八位單片機(jī)的船舶艉軸測(cè)速裝置。該設(shè)計(jì)對(duì)輸入信號(hào)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(kāi)關(guān)用于對(duì)測(cè)速的齒數(shù)進(jìn)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(hào)的設(shè)計(jì)，使得對(duì)控制具有更好的兼容性；在軟件設(shè)計(jì)上，也采用了撥碼選擇的方式用來(lái)改變單片機(jī)的測(cè)速方式，中斷計(jì)時(shí)方式和捕獲比較模式，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)速度的兼容性。

船舶工業(yè)發(fā)展十分迅速，并且船舶種類(lèi)越來(lái)越紛繁復(fù)雜。因此，設(shè)計(jì)一款具有廣泛兼容性的測(cè)速裝置具有低成本，減少反復(fù)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 設(shè)計(jì)思想

船舶艉軸測(cè)速設(shè)計(jì)電路基本功能框圖如下：

轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)，正玄或方波信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)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(hào)，從而控制繼電器切換輸出；另一路送給單片機(jī)的捕獲比較單元，捕獲兩個(gè)上升沿或下降沿的時(shí)間間隔后據(jù)此可計(jì)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(jī)接收到脈沖信號(hào)計(jì)算得到轉(zhuǎn)速后經(jīng)過(guò)串口送給外部數(shù)字顯示。當(dāng)單片機(jī)接收到外部轉(zhuǎn)速需求信號(hào)后，通過(guò)485通信送給外部請(qǐng)求單元轉(zhuǎn)速信號(hào)。

2 功能塊硬件設(shè)計(jì)

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(diǎn)。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(mǎn)足設(shè)計(jì)中DA轉(zhuǎn)換參考誤差容許值和單片機(jī)的供電要求。

轉(zhuǎn)速表的輸出設(shè)計(jì)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(jì)艉軸測(cè)量轉(zhuǎn)速0～300 rad/min，對(duì)應(yīng)電壓為0～6 V，DA轉(zhuǎn)換輸出為0～5 V，然后經(jīng)過(guò)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(shí)DA轉(zhuǎn)換輸出值為:

即可.對(duì)上式帶入數(shù)據(jù)得：

故電源芯片的設(shè)計(jì)精度滿(mǎn)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(jìn)行電壓放大，而放大器需要正負(fù)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(jì)的輸出電流達(dá)到200 mA，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。這樣設(shè)計(jì)，免除了對(duì)輸入正負(fù)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(jì)模塊

本文設(shè)計(jì)485通信是基于與遙控系統(tǒng)通信，按照遙控系統(tǒng)的請(qǐng)求送給遙控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號(hào).485通信的優(yōu)點(diǎn)是通信距離長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng).且通信相對(duì)簡(jiǎn)便，作為船用系統(tǒng)通信485是一個(gè)較好的選擇。

2.3轉(zhuǎn)速信號(hào)電平轉(zhuǎn)換圖

為了實(shí)現(xiàn)24 V的正弦或方波信號(hào)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?yàn)樵撛O(shè)計(jì)測(cè)速方式是捕獲相鄰兩個(gè)齒之間的時(shí)間間隔從而計(jì)算轉(zhuǎn)速，所以將正弦波轉(zhuǎn)換為方波的截取點(diǎn)可以隨意的選取，這樣就可以將正弦信號(hào)直接加在方波信號(hào)上轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。這樣的做法通過(guò)了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)證明是可行的.對(duì)于光格的24～5 V信號(hào)轉(zhuǎn)換，試用了6N137，PC817等，6N137會(huì)產(chǎn)生很大的干擾信號(hào)，PC817轉(zhuǎn)換信號(hào)十分成功。

2.4通信與顯示模塊

RS232通信是設(shè)計(jì)用來(lái)輸出數(shù)字顯示轉(zhuǎn)速信號(hào)的。通過(guò)串口通信輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)并通過(guò)74HC595實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換并鎖存，在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描輸出。

顯示模塊是常見(jiàn)的LED數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。數(shù)碼管采用共陽(yáng)極，以降低單片機(jī)的負(fù)載.基于其常見(jiàn)性這里不做過(guò)多介紹。

2.5 Infineon單片機(jī)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(qiáng)大的控制功能且廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子及電機(jī)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(shí)現(xiàn)485功能通信。

2.6程序下載單元

JTAG引腳定義： TCK—測(cè)試時(shí)鐘輸入； TDI—測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò)TDI輸入JTAG口； TDO—測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)TDO從JTAG口輸出； TMS—測(cè)試模式選擇，TMS用來(lái)設(shè)置JTAG口處于某種特定的測(cè)試模式。JTAG是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，用來(lái)連接PC與單片機(jī)，PC機(jī)通過(guò)它對(duì)單片機(jī)進(jìn)行測(cè)試、操作和下載程序。

2.7電路設(shè)計(jì)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(dá)180-30MHZ），XC886作為系統(tǒng)的主控芯片.輸出放大選擇了NE5532，信號(hào)處理、電平轉(zhuǎn)換采用了光格PC817。

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中還充分考慮了通用性和抗干擾問(wèn)題.硬件電路已經(jīng)經(jīng)過(guò)調(diào)試，工作穩(wěn)定可靠。在高溫下通過(guò)了測(cè)試，工作正常.測(cè)試了在變頻電動(dòng)機(jī)（約8 MHZ空間電磁波干擾）旁工作正常，但是通過(guò)示波器檢測(cè)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(cè)量方式（交換接頭）測(cè)量結(jié)果有明顯變化，對(duì)于該干擾的處理在進(jìn)一步的探究之中。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

本文的用戶(hù)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(shí)間。2）顯示模塊溫度顯示LED采用動(dòng)態(tài)掃描輸出.對(duì)于共陰極數(shù)碼管，在程序設(shè)計(jì)時(shí)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(yáng)極送入該位的數(shù)字代碼信號(hào)，然后選擇另一陰極送入代碼以此循環(huán)達(dá)到顯示目的。3）485通信模塊接收到轉(zhuǎn)速請(qǐng)求后發(fā)出轉(zhuǎn)速信號(hào)。4） IV.DA模塊。測(cè)量到轉(zhuǎn)速信號(hào)并滿(mǎn)足輸出條件時(shí)，啟動(dòng)高速同步通信控制DA轉(zhuǎn)換芯片按單片機(jī)送給的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出電壓值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的，通用性能十分廣泛的船舶艉軸測(cè)速裝置。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)的溫度性能和抗電磁特性較為理想，能夠滿(mǎn)足船舶控制的要求。本文的各項(xiàng)引入誤差都在誤差容許的范圍之內(nèi)，并通過(guò)測(cè)試證明。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行能夠保證其穩(wěn)定與精確性。現(xiàn)代船舶的測(cè)速裝置都呈現(xiàn)了智能化、通用性等特點(diǎn)。本文的設(shè)計(jì)產(chǎn)品將能夠適應(yīng)船舶工業(yè)發(fā)展的要求，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的測(cè)量與控制。

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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)。