宗 赤

(武漢航海職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430062)

船舶振動(dòng)是船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一,船舶本身的振動(dòng)相對(duì)復(fù)雜,而窗體周?chē)乃w對(duì)船體的振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生種種影響,更增加了問(wèn)題的復(fù)雜性。船舶劇烈振動(dòng)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(dòng)的研究離不開(kāi)對(duì)船舶振動(dòng)的數(shù)據(jù)采集和檢測(cè),本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過(guò)電子傳感器的運(yùn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶振動(dòng)的有效檢測(cè)[1],采用先進(jìn)的加速度傳感器,融合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,改變以往機(jī)械式振動(dòng)檢測(cè)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(diǎn)。

1 硬件部分設(shè)計(jì)

船舶振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理是,系統(tǒng)通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)調(diào)度任務(wù),當(dāng)有檢測(cè)任務(wù)時(shí),系統(tǒng)初始化檢測(cè)傳感器,并根據(jù)檢測(cè)方式配置參數(shù),采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算,并可存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果,本系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)核心硬件部分為ARM控制器、加速度傳感器、flash存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)、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(lái)實(shí)現(xiàn),其具有信號(hào)調(diào)理,低通濾波,溫度補(bǔ)償,自測(cè),以及可配置到檢測(cè)0g或脈沖檢測(cè)快速運(yùn)動(dòng)等功能,傳感器部分電路圖如圖2示,MMA7455L的相關(guān)pin腳信號(hào)說(shuō)明如表1所示[2]。

表1 MMA7455L相關(guān)信號(hào)說(shuō)明

圖2 MMA7455L典型電路

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(shí)為I2C接口,當(dāng)CS用作從選擇時(shí)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(xiě)。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(lái)選擇DVDD_IO電壓,若采用開(kāi)關(guān)電源供電需注意開(kāi)關(guān)頻率必須大于250H z,以防干擾芯片內(nèi)部ASIC。

MMA7455L測(cè)量模式下可連續(xù)測(cè)量三軸加速度,并根據(jù)g-select配置情況對(duì)外提供測(cè)量結(jié)果。當(dāng)測(cè)量轉(zhuǎn)換完成后,DRDY輸出高電平,表明“測(cè)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(lái)監(jiān)測(cè),DRDY引腳一直保持高電平直到三個(gè)測(cè)量值的其中一個(gè)被讀出,因此可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)被下一個(gè)測(cè)量值覆蓋的問(wèn)題,若下一個(gè)測(cè)量值在前一個(gè)數(shù)據(jù)讀出前就寫(xiě)入的話(huà),狀態(tài)寄存器的 DOVR位會(huì)被置位。在MMA7455L中,g-select由模式控制寄存器(0x16)的2個(gè)GLVL位確定,見(jiàn)表2,內(nèi)部增益控制器根據(jù)所選g來(lái)提供不同的測(cè)量靈敏度以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求,船舶的振動(dòng)檢測(cè)在MMA7455L中選擇8g范圍即可,見(jiàn)表2。

表2 g范圍和8位精度

系統(tǒng)其他電路部分設(shè)計(jì)為:微處理器采用三星的S3C44B0X處理器,存儲(chǔ)器為AMD公司的32M bit(4M×8 Bit)Flash存儲(chǔ)器AM29LV033C,圖形液晶顯示模塊為含控制器T6963C的240×128點(diǎn)陣的SMG240128L,USB的接口電路使用芯片NUF2221Ws1T2,其它部分電路由于篇幅有限,這里不作詳述。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

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(dòng)模塊,數(shù)據(jù)處理模塊,GU I人機(jī)交互模塊。

圖3 系統(tǒng)軟件功能框圖

軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有兩個(gè):一個(gè)是數(shù)據(jù)檢測(cè)采集,主要負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)檢測(cè)、采集和控制;另一個(gè)為采集數(shù)據(jù)的處理及人機(jī)顯示,包括信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),人機(jī)界面負(fù)責(zé)LCD驅(qū)動(dòng)和文字圖形的顯示。操作系統(tǒng)首先通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型對(duì)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(guò)程中正確工作;上層圖形系統(tǒng)采用嵌入式GUI來(lái)實(shí)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。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件程序流程圖

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(cè)初始化包括檢測(cè)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(diǎn)校準(zhǔn)和自檢測(cè)以滿(mǎn)足精度要求。系統(tǒng)調(diào)用檢測(cè)任務(wù)后,外部中斷打開(kāi),等待加速度傳感器的中斷上報(bào)及檢測(cè)數(shù)據(jù)采集。

圖5 數(shù)據(jù)采集及處理程序流程

MMA7455L加速度傳感器的驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)注意IADDR0接到GND時(shí)其從地址為0x1D,接到DVDD_IO時(shí)其從地址為0x1E;MMA 7455L有三種工作模式(測(cè)量模式、水平檢測(cè)模式、脈沖檢測(cè)模式),在測(cè)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2種模式下INT1和INT2都需要通過(guò)寫(xiě)寄存器來(lái)清除。

在檢測(cè)數(shù)據(jù)采集時(shí),把數(shù)據(jù)緩存到FIFO中,假如FIFO滿(mǎn)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(hào)顯示和控制、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)分析。

3 結(jié) 語(yǔ)

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(diǎn),設(shè)計(jì)出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比好的檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)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(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)械式船舶振動(dòng)測(cè)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(shì)。產(chǎn)品原型已經(jīng)完成系統(tǒng)調(diào)試和模擬測(cè)試,結(jié)果滿(mǎn)足船舶振動(dòng)檢測(cè)的要求,在船舶振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

1 姚熊亮,張阿漫.船體振動(dòng)與噪聲[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

2 Freescale Semiconductor Technical Data[J].MMA 7455L Data Sheet,2007.245-256.