基于加速傳感器的船舶振動檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘要：船舶振動是船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)之一，船舶架構(gòu)是一種復(fù)雜的組合彈性體，本身的振動非常復(fù)雜。不同于傳統(tǒng)的機(jī)械式船舶振動檢測設(shè)計，本系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)，運用傳感器檢測、實時數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，使產(chǎn)品具有小型、專用、易攜帶、可靠性高的特點，在船舶振動檢測領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：MMA7455L；船舶振動檢測；加速傳感器

船舶劇烈振動除造成結(jié)構(gòu)損壞外，還使船上儀表、設(shè)備破損或失靈，破壞艦艇穩(wěn)定性，影響船上人員的工作效率以及生活舒適性。船舶振動的研究離不開對船舶振動的數(shù)據(jù)采集和檢測，本文設(shè)計的系統(tǒng)通過電子傳感器的運用來實現(xiàn)對船舶振動的有效檢測。

本研究采用先進(jìn)的加速度傳感器，融合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計思路，改變以往機(jī)械式振動檢測系統(tǒng)的方式，使產(chǎn)品具有低功耗、便于攜帶、精度高、速度快的特點。

硬件部分設(shè)計

船舶振動檢測系統(tǒng)的工作原理是，系統(tǒng)通過操作系統(tǒng)來調(diào)度任務(wù)，當(dāng)有檢測任務(wù)時，系統(tǒng)初始化檢測傳感器，并根據(jù)檢測方式配置參數(shù)，采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲和計算，并可存儲測試數(shù)據(jù)和實時顯示測試結(jié)果，LCD顯示精巧的人機(jī)圖形界面。本系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)核心硬件部分為ARM控制器、加速度傳感器、flash存儲器、鍵盤、液晶顯示和USB接口等。其中加速度傳感器部分采用飛思卡爾公司的MMA7455L來實現(xiàn)，傳感器部分電路圖如圖2示。

MMA7455L提供I²C和SPI數(shù)字接口，但MMA7455L都應(yīng)作從設(shè)備，當(dāng)CS拉高時為I²C接口，當(dāng)CS用作從選擇時為SPI接口。在此系統(tǒng)中采用I²C接口，其從地址是0x1D，支持多字節(jié)讀寫。AVDD典型值為2.8V；DCC_IO典型值為1.8V，考慮到電路與外部接口情況，視CPU的I²C接口電平來選擇DVDD_IO電壓，若采用開關(guān)電源供電需注意開關(guān)頻率必須大于250Hz以防干擾芯片內(nèi)部ASIC。

MMA7455L測量模式下會連續(xù)的測量三軸加速度，并根據(jù)g-select配置情況對外提供測量結(jié)果。當(dāng)測量轉(zhuǎn)換完成后，DRDY輸出高電平，表明“測量數(shù)據(jù)已OK”，DRDY狀態(tài)也可在狀態(tài)寄存器(0x09)的DRDY位來監(jiān)測，DRDY引腳一直保持高電平直到三個測量值的其中一個被讀出，因此可能會產(chǎn)生數(shù)據(jù)被下一個測量值覆蓋問題，若下一個測量值在前一個數(shù)據(jù)讀出前就寫入的話，狀態(tài)寄存器的DOVR位會被置位。在MMA7455L中，g-select由模式控制寄存器(0x16)的2個GLVL位確定，見表1。內(nèi)部增益控制器根據(jù)所選g來提供不同的測量靈敏度以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，船舶的振動檢測在MMA7455L中選擇8g范圍即可。

系統(tǒng)其他電路部分設(shè)計為：微處理器采用三星的S3C44BOX處理器，存儲器為AMD公司的32Mbit(4M×8Bit)Flash存儲器AM29LV033C，圖形液晶顯示模塊為含控制器T6963C的240×128點陣的SMG240128L、USB的接口電路使用芯片NUF2221W1T2，其它部分電路由于篇幅有限，這里不作詳述。

軟件部分設(shè)計

本系統(tǒng)由三大模塊組成，如圖3所示、從底層到上層分別是：數(shù)據(jù)采集驅(qū)動模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，GUI人機(jī)交互模塊。

軟件系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有兩個：一個是數(shù)據(jù)檢測采集，主要負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)檢測、采集和控制：另一個為采集數(shù)據(jù)的處理及人機(jī)顯示，包括信號處理算法實現(xiàn)和數(shù)據(jù)存儲，人機(jī)界面負(fù)責(zé)LCD驅(qū)動和文字圖形的顯示。操作系統(tǒng)首先通過設(shè)備驅(qū)動模型對傳感器進(jìn)行初始化，為傳感器設(shè)置合適的配置參數(shù)，以使設(shè)備能在采集過程中正確工作；上層圖形系統(tǒng)采用嵌入式GUI來實現(xiàn)人機(jī)交互界面，包括圖形控制面板建立、波形顯示、參考值顯示等。軟件流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集及處理部分的程序流程如圖5所示。其中檢測初始化包括檢測模塊上電，I／O控制端口初始化、加速度傳感器的初始化：加速度傳感器需要零點校準(zhǔn)和自檢測以滿足精度要求；系統(tǒng)調(diào)用檢測任務(wù)后，外部中斷打開，等待加速度傳感器的中斷上報及檢測數(shù)據(jù)采集。

MMA7455L加速度傳感器的驅(qū)動軟件設(shè)計應(yīng)注意IADDR0接到GND時其從地址為0x1D、接到DVDD_IO時其從地址為0x1E；MMA7455L有三種工作模式(測量模式、水平檢測模式、脈沖檢測模式)，在測量模式下DRDY引腳與INT1共用，數(shù)據(jù)讀取就能將DRDY清除、但在其他兩種模式下INT1和INT2都需要通過寫寄存器來清除。在檢測數(shù)據(jù)采集時，把數(shù)據(jù)緩存到FIFO中，假如FIFO滿了，有DMA控制將FIFO中的所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存當(dāng)中進(jìn)行處理，可完成數(shù)據(jù)信號顯示和控制，存儲和實時分析。

結(jié)語

本系統(tǒng)利用了微處理器功耗低及電子傳感器集成度高的特點，設(shè)計出了一種結(jié)構(gòu)簡單、性價比好的檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行實時性的數(shù)據(jù)采集處理，具有功耗低、抗干擾、可靠性高的優(yōu)點，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)械式船舶振動測試儀的全部功能，并且在體積、重量、精度等方面都有明顯優(yōu)勢。產(chǎn)品原型已經(jīng)完成系統(tǒng)調(diào)試和模擬測試，結(jié)果滿足船舶振動檢測的要求。此產(chǎn)品在船舶振動檢測領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。