ARM+DSP的船舶動力裝置軸系監測儀設計

上海海事大學商船學院 黃志堅 陳巨濤 余立立

1.引言

現代船舶推進軸系日趨復雜，其產生的扭轉、縱向及橫向振動會對軸系本身造成危害，嚴重的甚至造成軸段斷裂與船毀人亡。因此預防軸系故障的產生尤為重要，但傳統的定時檢修與事后維修方法已不能滿足要求，需采用特定的監測方法。因此本文開發船舶軸系監測裝置，為其安全運行提供保障。該監測裝置能在線對軸系扭應力、扭轉振動、回旋振動與縱向振動進行實時監測與報警，同時還監測軸系轉速，實時功率與扭矩，以判斷軸系工作狀態。

2.組成與測量原理

軸系監測儀為模塊化設計，可根據用戶要求進行配置，由扭轉、回旋、縱向振動監測模塊、軸功率監測模塊與機旁監測終端等組成，見圖1。

(1)扭轉振動：扭轉振動采用應力直接測量法。利用粘貼在軸上的電阻應變計，測得旋轉軸表面扭應力的大小，扭應力隨時間的動態變化就反應了軸系的扭振。選用德國KMT公司的MT32型350Ω全橋應變片，具有溫度自補償功能(圖2左)。同時設計機械裝置，保證應變計粘貼得與軸線方向一致(圖2中)。在對應變計涂層防護后，設計硬質非金屬材料卡環保護罩封裝應變計與無線編碼模塊，并牢牢固定在軸上隨軸旋轉；感應拾取模塊緊靠其安裝而不接觸(圖2右)。

由于旋轉軸上接觸式信號的傳輸不穩定，工作壽命短，不適合長期在線監測，所以摒棄了滑環與電刷的接觸式傳輸方式，采用脈 沖編碼調制(PCM)方式無線傳輸扭振信號，發射主頻為433.3～434.5MHz，采用數字信號，信噪比高不易受干擾；并且軸上信號編碼與發射模塊均采用低功耗設計，可靠感應方式供電，能長期穩定地工作，從而解決了旋轉軸上模塊的供電問題。

所以完整的扭振傳感器由應變計、無線數字編碼模塊、天線、無線接收模塊與解碼模塊組 成，并得到圖3中的扭矩信號輸入至監測儀。

(2)回旋與縱向振動：回旋與縱向振動均采用接觸式測量法。利用安裝在軸上的ICP加速度傳感器獲取回旋振動與縱向位移信號，也采用PCM無線發射。該模塊由一對互相垂直的ICP加速度傳感器(回旋振動)/一只ICP加速度傳感器(縱向振動)、ICP調理模塊、無線數字編碼模塊、天線、無線接收模塊與解碼模塊組成(其無線發射部分與扭振測量模塊共用)，得到兩路回旋與一路縱向振動信號輸入至監測儀，見圖1。

(3)軸功率：軸功率監測需扭矩與轉速信號計算后求得。扭矩信號的測取同上，轉速信號是由軸系飛輪上的磁電式轉速傳感器測取的，計算得到軸功率信號輸入至監測儀，見圖1。

3.機旁監測終端硬件設計

機旁監測終端是監測儀的核心，它處理多路傳感器信號，同時實現顯示、報警、存儲等功能，有連接LCD、以太網、SD卡及CAN總線預留等要求，并考慮到工作環境及穩定性的要求，需采用一款具有上述各種接口并能用于工業環境的ARM處理器。同時，機旁監測終端需處理大量計算，對數字信號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，并考慮到系統今后的擴展性，決定采用ARM+DSP雙處理器架構來設計。

ARM選用NXP公司ARM7內核、32位精簡指令集的LPC2378處理器。該處理器片上集成512KB FLASH和58KB SRAM存儲器，有總線外擴接口、UART、USB、10/100M以太網接口、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內核的TMS320VC5409A處理器，該DSP包含32K片內高速SRAM，有總線外擴接口，便于擴展片外SRAM和FLASH存儲器，以實現應用系統[2]。

DSP在系統中作為協處理器，需與ARM主處理器交換數據。DSP的HPI接口可用以與主處理器接口和交換數據[2]。其總體架構如圖4所示。

(1)前端信號調理：根據前端傳感器與調理器的工作屬性，調理后的各路信號屬性應如表1所示。

信號調理電路主要由運放組成，實現信號的濾波、縮放、零位偏置、及提高輸入阻抗等功能。為提高精度，運放選用高性能的集成儀表放大器，相關電阻采用0.1%精度的精密電阻。信號隔離采用安捷倫公司的反饋型線性光耦HCNR200，完成信號的1:1隔離放大。

(2)A/D轉換器：ADC采用16位Σ-Δ型ADS1174芯片，以實現高精度采樣。機旁監測終端設計4個ADC，每個ADC集成4路采樣通道，可實現16路模擬量的同步采集。ADC的輸出為標準SPI接口，可與DSP的Mcbsp口無縫連接，實現ADC轉換數據的讀取以及ADC的配置與控制。ADC芯片有高速和節電模式，高速模式下每通道最高52kHz同步采樣率。

(3)人機接口：采用帶字符層與點陣層的雙層LCD實現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接口時序。另設計4*4矩陣式鍵盤，共占用ARM 8個GPIO口，用于界面操作。

(4)以太網控制器：通過LPC2378片上的10/100M以太網控制器，外部再連接物理層芯片DM9161A、以太網變壓器HR601680與RJ-45接口即可實現以太網接口。LPC2378利用其片上UART實現RS-232接口，以通過上位機設置以太網參數及調試系統。

4.可靠性設計與測試結果

(1)可靠性設計：電磁兼容按參考文獻[3]的要求設計。連接導線均采用低噪聲屏蔽電纜，盡可能降低信號在傳輸過程中所受的干擾；所有導線接頭均采用LEMO結構，插拔自鎖，能在高振動強沖擊環境下使用。系統整體單點接地，模擬與數字地分開，再通過磁珠連接，防止數字部分的對模擬部分的高頻噪聲干擾。

系統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。外部傳感器信號接入處均采用光耦隔離。

電路布線采用多層板，并鋪設獨立的電源層與地層，以降低阻抗、提高抗擾能力。布線遵循元件布置與走線規則，以提升整個電路板的電磁兼容性。高頻DSP系統設計有看門狗電路，在系統死機時自動復位。最后，整個系統安裝到金屬屏蔽盒內，從系統的角度實現電磁兼容。

表1 各路傳感器信號屬性表

表2 功率測量試驗結果

圖1 軸系監測系統的組成

圖2 新型扭振傳感器實物及其在軸上的安裝與封裝

圖3 扭轉振動監測模塊

圖4 機旁監測終端總體架構圖

(2)測試結果：限于篇幅，并且由于功率測量需用到扭矩與轉速傳感器信號，因此可以功率測試為例。軸系試驗臺架的輸出軸后安裝有測功機，將監測儀輸出的功率值與測功機的測量值進行比較（表2），試驗結果表明：測試誤差達到工程要求，監測儀設計成功。

5.結束語

目前，該監測儀已用于船舶軸系的監測。由于ARM處理器能運行操作系統，便于管理復雜的程序任務，外設功能豐富，易于設計出智能化監測裝置；而DSP處理器具有快速采樣與計算能力，所以兩者優勢互補，完成設計目標。此外，該ARM+DSP方案也可以作為硬件設計的一個通用方案。而具有無線遙測與感應發電功能的新型傳感器的應用則大大提高了監測儀的先進性與可靠性。

[1]周立功.ARM微控制器基礎與實戰(第二版)[M].北京航空航天大學出版社,2005.

[2]戴明楨.TMS320C54x DSP結構、原理及應用[M].北京航空航天大學出版社,2001.

[3]GJB151A-97,軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求.