李 漢

（廣州航海高等專(zhuān)科學(xué)校輪機(jī)系，廣州 510725）

0 引言

利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)柴油機(jī)是一種新型的監(jiān)測(cè)方式。柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)可以評(píng)估柴油機(jī)的平均指示壓力[1]、缸內(nèi)燃燒壓力[2]并對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行故障診斷[3]。應(yīng)用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)柴油機(jī)的工作狀態(tài)或進(jìn)行故障診斷時(shí)，需要對(duì)柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的測(cè)量，因此，船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)記錄儀是該方法實(shí)用化的基礎(chǔ)。

1 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

1.1 傳感器和測(cè)量方法

目前測(cè)量柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速主要采用磁電式傳感器，優(yōu)點(diǎn)是直接使用飛輪上的齒輪結(jié)合磁電式傳感器進(jìn)行測(cè)量，安裝簡(jiǎn)便，但是采用齒輪-磁電式傳感器的測(cè)量主要誤差有齒圈角度誤差、安裝偏心誤差、計(jì)數(shù)誤差等[4]，測(cè)量誤差較大，具有時(shí)變性且難以控制，故本文不使用磁電式傳感器，而采用靈敏的增量型光電編碼器。選用編碼器的原則如下：

1）采用抗振性能好的光電編碼器。

2）柴油機(jī)振動(dòng)強(qiáng)烈，不適合采用脈沖數(shù)較高的編碼器，滿(mǎn)足評(píng)估指標(biāo)參數(shù)即可。

3）采用A、B、Z三相輸出編碼器。

利用柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速評(píng)估柴油機(jī)的平均指示壓力、缸內(nèi)燃燒壓力或?qū)Σ裼蜋C(jī)進(jìn)行故障診斷時(shí)，需要了解柴油機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)波動(dòng)，不論柴油機(jī)平均轉(zhuǎn)速高低，只要一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)測(cè)得足夠的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，即可達(dá)到評(píng)估的目的，因此，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量廣泛采用定角度測(cè)量時(shí)間的方法。

1.2 干擾脈沖的識(shí)別[5]

柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，為了準(zhǔn)確測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，必須處理振動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題。光電編碼器的輸出信號(hào)如圖1所示，其中（a）為平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的波形，（b）為有扭振時(shí)的波形。光電編碼器輸出A、B兩相信號(hào)，以A相信號(hào)為測(cè)速脈沖信號(hào)，B相信號(hào)為參考信號(hào)。由圖1（a）可看出當(dāng)A相信號(hào)的上升沿時(shí)刻測(cè)得B相信號(hào)的電位與A相信號(hào)的下降沿時(shí)刻測(cè)得B相信號(hào)的電位不同時(shí)，此次脈沖為真實(shí)脈沖，反之脈沖為干擾脈沖。具體如下：在A相信號(hào)的上升沿時(shí)刻測(cè)量B相信號(hào)的電位Vu，下降沿時(shí)刻測(cè)量 B相信號(hào)的電位Vd。

圖1 光電編碼器輸出波形圖

當(dāng)Vu≠Vd時(shí)，判定本次脈沖為真實(shí)脈沖；

當(dāng)Vu=Vd時(shí)，判定本次脈沖為干擾脈沖。

在測(cè)速程序中對(duì)真實(shí)脈沖計(jì)時(shí)，對(duì)干擾脈沖將忽略，這樣在柴油機(jī)轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)扭振的情況下使用光電編碼器測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的精度將大為提高。

1.3 抗振動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法

測(cè)速編碼器輸出A、B和Z相信號(hào)，Z相信號(hào)用于定位，其上升沿時(shí)刻表示柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周的開(kāi)始或結(jié)束。柴油機(jī)振動(dòng)同樣干擾Z相信號(hào)，因此必須對(duì)Z相信號(hào)采取抗干擾措施。圖2為抗振動(dòng)測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的時(shí)序圖，圖中Z相信號(hào)為經(jīng)抗干擾電路之后的信號(hào)。因柴油機(jī)振動(dòng)對(duì) A、B相信號(hào)的干擾情況較為復(fù)雜，而且轉(zhuǎn)速不同編碼器輸出的脈沖寬度和周期也隨之變化，采用硬件抗干擾電路難以達(dá)到預(yù)期目的，適合采用軟件抗干擾。

圖2 抗振動(dòng)測(cè)速時(shí)序圖

測(cè)速系統(tǒng)接收到Z相信號(hào)，其上升沿時(shí)刻產(chǎn)生中斷，處理器響應(yīng)中斷時(shí)清零內(nèi)部定時(shí)器，并重新開(kāi)始計(jì)時(shí)。系統(tǒng)接收到A、B相脈沖時(shí)，識(shí)別出A相的干擾脈沖，從而決定是否記錄A相信號(hào)下降沿時(shí)刻的計(jì)時(shí)值。如果A相信號(hào)脈沖為干擾脈沖，則不記錄該脈沖下降沿時(shí)刻的計(jì)時(shí)值，如果A相信號(hào)脈沖為真實(shí)脈沖，則將該脈沖下降沿時(shí)刻的計(jì)時(shí)值記錄到T[k]中。T[N]是長(zhǎng)度為N的一維32位整數(shù)數(shù)組，用于記錄轉(zhuǎn)軸一周內(nèi)每個(gè)A相真實(shí)脈沖下降沿的計(jì)時(shí)值，N等于編碼器每周脈沖數(shù)。假設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)鐘頻率為fc（MHz），則

2 硬件設(shè)計(jì)

采用 PHILIPS公司生產(chǎn)的基于 ARM7TDMI-S內(nèi)核的32位嵌入式處理器LPC2114，該處理器具有豐富的片內(nèi)資源，如2個(gè)定時(shí)器、I2C接口、SPI接口、2個(gè)UART接口、PWM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、看門(mén)狗、A/D轉(zhuǎn)換器、多路中斷系統(tǒng)和數(shù)量較大的 GPIO，給用戶(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)較大方便。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)記錄儀的硬件電路如圖3所示，由信號(hào)輸入電路、通訊電路、指示燈、復(fù)位和電源等部分組成。

圖3 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)記錄儀電路圖

2.1 編碼器信號(hào)輸入電路

光電編碼器輸出A、B、Z三相信號(hào)，其中Z相信號(hào)輸入到LPC2114的P0.11端，A、B相信號(hào)分別輸入到LPC2114的P0.10端和P0.12端。Z相信號(hào)需要硬件抗干擾電路，消除因振動(dòng)而產(chǎn)生的干擾脈沖，避免影響轉(zhuǎn)軸定位的準(zhǔn)確性?？梢圆捎秒娙轂V波之后再進(jìn)行電壓滯回比較的方法消除干擾脈沖信號(hào)，也可以采用單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器消除干擾脈沖。A、B相信號(hào)僅需施密特觸發(fā)器整形即可輸入到處理器，可見(jiàn)A、B相信號(hào)輸入電路簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的硬件電路，抗干擾和脈沖計(jì)時(shí)都由處理器的內(nèi)部定時(shí)器和軟件完成。

2.2 通訊電路

LPC2114內(nèi)部具有兩個(gè)通用串行接口UART0和UART1，UART1與UART0相同，只是UART1增加了Modem接口。本文使用UART0，其接口P0.0（TxD）和 P0.1（RxD）分別用于發(fā)送和接收通訊信號(hào)，考慮到機(jī)艙到集控室的距離較遠(yuǎn)，上位機(jī)與瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的通訊采用RS485，故需要轉(zhuǎn)換電路將通用串口的信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485的差動(dòng)信號(hào)或?qū)?RS485的差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)PC2114通用串口的信號(hào)。上位機(jī)使用RS485/RS232轉(zhuǎn)換器，將RS485差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232接口信號(hào)。上位機(jī)與測(cè)速系統(tǒng)之間采用雙絞線(xiàn)連接。

2.3 電源與復(fù)位電路

LPC2114需要兩種電壓，+3.3 V和+1.8 V，同時(shí)邏輯電路和編碼器還需要+5 V的直流電源，所以電源電路需要3種電壓。+5 V電壓由外部供給，再使用三端穩(wěn)壓器 LM11173-3.3和LM11173-1.8轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電源。為了提高系統(tǒng)的可靠性，復(fù)位電路使用專(zhuān)用復(fù)位芯片SP708S。

2.4 指示燈電路

測(cè)速系統(tǒng)采用兩個(gè)指示燈，分別為運(yùn)行指示燈和通訊指示燈。系統(tǒng)上電運(yùn)行之后運(yùn)行指示燈亮，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)速系統(tǒng)測(cè)得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速并向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)通訊指示燈亮。運(yùn)行指示燈和通訊指示燈分別連接 LPC2114處理器的 P0.22和P0.23端。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 端口配置

LPC2114內(nèi)部具有兩個(gè)32位定時(shí)器-定時(shí)器0和定時(shí)器1，分別具有3路和4路32位的捕獲通道，各有4個(gè)匹配寄存器，僅使用一個(gè)定時(shí)器就完成柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)速要求，這里選用定時(shí)器1。編碼器A相脈沖信號(hào)從P0.10端口輸入，測(cè)速系統(tǒng)需要在A相信號(hào)下降沿和上升沿時(shí)刻能夠產(chǎn)生中斷并且捕獲該時(shí)刻的定時(shí)值，因此P0.10設(shè)置為CAP1.0。B相脈沖信號(hào)從P0.12端口輸入，因B相信號(hào)需要檢測(cè)電位，故P0.12設(shè)置為GPIO，方向設(shè)置為I。編碼器Z相脈沖信號(hào)從P0.11端口輸入，系統(tǒng)需要在Z相信號(hào)下降沿時(shí)刻產(chǎn)生中斷并且清零定時(shí)器，重新啟動(dòng)計(jì)時(shí)，因此P0.11設(shè)置為CAP1.1。測(cè)速系統(tǒng)通過(guò)通用串口UART0與上位機(jī)連接，需要將P0.0設(shè)置為T(mén)xD，P0.1設(shè)置為 RxD。測(cè)速系統(tǒng)的兩個(gè)發(fā)光二極管由端口P0.22、P0.23控制，故 P0.22、P0.23應(yīng)設(shè)置為GPIO，方向?yàn)镺。

圖4 中斷程序流程圖

3.2 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量

抗振動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量主要由定時(shí)器1的中斷程序完成，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量的流程圖如圖4所示。定時(shí)器 1具有兩個(gè)中斷源 CAP1.0和 CAP1.1，CAP1.1由Z相信號(hào)產(chǎn)生，CAP1.0由A相信號(hào)產(chǎn)生。CAP1.1中斷時(shí)，由中斷程序?qū)⒍〞r(shí)器的TC值清零同時(shí)將k置0，重新開(kāi)始測(cè)量轉(zhuǎn)軸一周的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；CAP1.0中斷時(shí)則需要采用本文上述方法識(shí)別當(dāng)前脈沖信號(hào)是否為干擾脈沖，才能決定是否記錄計(jì)時(shí)值。如果 CAP1.0為上升沿中斷則讀取并寄存B相信號(hào)的電位值Vu，如果CAP1.0為下降沿中斷則讀取 B相信號(hào)的電位值Vd。當(dāng)Vd≠Vu時(shí)當(dāng)前脈沖判為真實(shí)脈沖，將定時(shí)器捕獲的計(jì)時(shí)值T1CR0記錄于T[k]中；當(dāng)Vd=Vu時(shí)判為干擾脈沖，將忽略，不予記錄計(jì)時(shí)值。獲取A相信號(hào)的計(jì)時(shí)值之后如果在中斷程序中計(jì)算瞬時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致中斷程序執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，為了避免這種情況，使用聯(lián)絡(luò)標(biāo)志位bPro。當(dāng)CAP1.0為A相信號(hào)真實(shí)的脈沖下降沿中斷則bPro=“1”，主程序檢測(cè)到bPro為“1”則由T[k]、k計(jì)算出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，處理完畢bPro清零。這樣將瞬時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算工作交給主程序，降低中斷程序的負(fù)擔(dān)。

3.3 主程序設(shè)計(jì)

主程序的主要任務(wù)是系統(tǒng)初始化、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速解算、通訊和顯示輸出等，主程序流程圖如圖 5所示。

1）初始化：初始化需要處理的內(nèi)容有端口配置；定時(shí)器初始化；UATR0接口初始化；中斷配置；P0.22、P0.23電位設(shè)置。

圖5 主程序流程圖

2）瞬時(shí)轉(zhuǎn)速解算：檢測(cè)到聯(lián)絡(luò)標(biāo)志位bPro=1，表示測(cè)速中斷程序傳來(lái)待處理數(shù)據(jù)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速解算程序，先求出A相脈沖的周期值Tk，再根據(jù)式（1）求出當(dāng)前的轉(zhuǎn)速nk。

3）通訊：解算出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速 nk，啟動(dòng)串口通訊程序，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

4）顯示輸出：測(cè)速系統(tǒng)運(yùn)行，初始化完成之后運(yùn)行指示燈亮，表示系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行，如果電源失電，運(yùn)行指示燈滅。通訊指示燈在數(shù)據(jù)發(fā)送之前點(diǎn)亮，通訊完畢，熄滅通訊指示燈，用戶(hù)可借助指示燈了解通訊的情況。

3.4 上位機(jī)的應(yīng)用程序

上位機(jī)應(yīng)用程序采用 VC++6.0開(kāi)發(fā)基于對(duì)話(huà)框應(yīng)用工程，串口采用 MSComm控件處理上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊。應(yīng)用程序具有如下功能：（1）通訊口配置。（2）數(shù)據(jù)通訊。（3）瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。（4）瞬時(shí)轉(zhuǎn)速以曲線(xiàn)的形式顯示。（5）計(jì)算有關(guān)參數(shù)如平均轉(zhuǎn)速、平均指示壓力、缸內(nèi)燃燒壓力等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于光電編碼器的柴油機(jī)抗振動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法，并研制以32位嵌入式處理器（LPC2114）為控制器的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)記錄儀，該系統(tǒng)分為兩級(jí)，下位機(jī)測(cè)量柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，并發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、顯示和運(yùn)算等處理，可進(jìn)一步得出平均指示壓力、缸內(nèi)燃燒壓力等指標(biāo)，為應(yīng)用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速診斷柴油機(jī)故障打下基礎(chǔ)。

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