吳 軍 熊 歡 熊強強 曾 暢

（華中科技大學船舶與海洋工程學院 武漢 430074）

1 引言

船舶軸系主要負責將船舶主機的輸出功率傳遞給螺旋槳，再將螺旋槳產(chǎn)生的軸向推力傳遞給船體，是推動船舶航行的關鍵執(zhí)行部件。由于其異常振動將直接影響船舶安全運行能力，迫切需要對軸系振動狀態(tài)進行實時監(jiān)測，這對于提高船舶運行可靠性，避免意外停機等都具有十分重要的意義。目前，一些學者已在該領域開展了一些卓有成效的工作。付永慶［1］提出了一種基于FPGA的船用發(fā)動機軸系精確測量方法。陳錫恩等［2］以單片機為核心，可編程控制器、A／D轉換器及輔助電路為支持，研制了功能完備的軸系振動測量分析儀。張祿祿等［3］采用脈沖填充法提出了一種基于CPLD的船舶軸系振動測量儀的設計。但上述研究工作主要基于8位或16位單片機，系統(tǒng)的實時性、安全可靠性較差，且這類振動測量儀大多數(shù)只實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能，數(shù)據(jù)分析需要在PC上進行，功能比較單一。為此，本文主要研究一種基于ARM的軸系振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時采集軸系振動狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對振動狀態(tài)數(shù)據(jù)進行時域、頻域分析，并將結果顯示在ARM開發(fā)板LCD上。

2 系統(tǒng)總體設計

船舶航行時，軸系會同時受到螺旋槳和船舶發(fā)動機激振力的作用，會導致軸系產(chǎn)生縱向、橫向、扭轉振動及這些振動形式的耦合形式，振動較為復雜，當出現(xiàn)異常振動后，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并找出異常振動的原因，就會成為船舶安全運行的巨大隱患。為此軸系振動狀態(tài)檢測系統(tǒng)擬通過對采集的振動信號進行時域和頻域分析，識別潛在的故障模式并進行早期故障預警。

圖1 系統(tǒng)總體方案設計

如圖1所示，給出了該系統(tǒng)的總體設計方案，主要包括數(shù)據(jù)采集與預處理，數(shù)據(jù)分析等兩部分。在數(shù)據(jù)采集與預處理部分，通過數(shù)據(jù)采集電路將從傳感器獲取的機械振動信號轉換為ARM芯片能識別處理的電信號，并經(jīng)濾波、放大等預處理及模數(shù)轉換后輸入到ARM開發(fā)板中。在數(shù)據(jù)分析部分，ARM開發(fā)板一方面負責對振動信號進行實時分析，并將分析結果顯示在LCD屏上，另一方面負責將振動信號存儲在自帶的數(shù)據(jù)庫中，并定期上傳到上位機中。上位機則利用其強大的計算能力對收集的海量數(shù)據(jù)進行復雜的數(shù)據(jù)分析。

3 系統(tǒng)硬件模塊選型與實現(xiàn)

軸系振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件模塊主要包括信號采集和信號處理。系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構

3.1 信號采集模塊

信號采集模塊由振動傳感器、多路模擬開關、信號調(diào)理電路和A／D轉換電路組成。

3.1.1 振動傳感器

振動傳感器是利用物理效應將機械振動量轉換為電量的器件，目前用于狀態(tài)檢測的振動傳感器主要由三類：電渦流式位移傳感器、磁電式速度傳感器和壓電加速度傳感器［4］。其中，電渦流式位移傳感器是非接觸式測量傳感器，比較適合旋轉軸的振動測量，但是在靈敏度高時價格比較貴。磁電式速度傳感器是自發(fā)電型的慣性式傳感器，具有較高的靈敏度和輸出阻抗低的特點，適合于監(jiān)測機器轉子不平衡、不對中等引起的軸承座及殼體振動［5］。但這種傳感器的頻率范圍在0.008～1kHz之間，測量頻率范圍有限。壓電加速度傳感器是根據(jù)壓電效應而制成的一種傳感器，測量范圍很大（0.002～10kHz），靈敏度也比較高，也可以用來測量軸承的振動。

本系統(tǒng)以船舶軸系為監(jiān)測對象，綜合考慮靈敏度、測量范圍、價格等因素，選取美國PCB公司的型號356A16ICP壓電加速度傳感器作為本系統(tǒng)的振動信號測量傳感器，該傳感器頻響在0.3～6kHz，靈敏度100mv／g，性能穩(wěn)定，測量精度高。該傳感器采用恒流源供電，供電電纜同時作為信號輸出線，輸出低阻抗信號。

3.1.2 多路模擬開關與信號調(diào)理電路

多路模擬開關是從多個模擬輸入信號中切換選擇所需輸入通道模擬輸入信號電路，本系統(tǒng)設計從四個通道采集數(shù)據(jù)，通過多路模擬開關將多路被測信號分別傳送到A／D轉換器進行轉換處理。

信號調(diào)理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，它不僅把傳感器輸出信號準確無誤送到采集裝置，而且對信號進行調(diào)理，使信號適合數(shù)據(jù)采集裝置的采集要求［6］。因此，設計信號調(diào)理電路對采集船舶軸系的振動信號進行預處理，用來提高軸系振動信號數(shù)據(jù)的可靠性和精度。如圖3所示，給出信號調(diào)理電路原理框圖。首先，壓電加速度傳感器輸出的振動信號通過信號放大后經(jīng)二階低通濾波得到直流信號。同時原振動信號經(jīng)過減法電路與直流信號相減得到電平變換后的交流信號，然后送入A／D進行采樣。

圖3 信號調(diào)理電路原理框圖

3.1.3 A／D轉換電路

A／D轉換是信號采集模塊的核心部分，其功能是使傳感器采集的模擬信號轉換成ARM能處理的數(shù)字信號。ARM開發(fā)板自帶的S3C2440A具有8路10位CMOS A／D轉換器，參考電壓為3.3V，它支持片上采樣和保持功能，并支持掉電模式，在2.5MHz的A／D轉換器時鐘下，最大轉換速率可達500ksps。但是，10位分辨率并不能滿足船舶軸系振動信號采集精度要求。而TLC4541是德州儀器公司生產(chǎn)的高性能模數(shù)轉換器，內(nèi)置轉換時鐘，轉換速率為200ksps，分辨率為16位，相比較而言，TLC4541采集的振動信號轉換后精度更高，因此設計采用TLC4541作為本系統(tǒng)的A／D轉換器。TLC4541封裝如圖4所示

3.2 信號處理模塊

信號處理模塊是系統(tǒng)的核心部分，采用ARM9、NANDFLASH、NORFLASH、SDRAM等共同搭建。本設計采用天嵌公司的TQ2440開發(fā)板，如圖5所示。它支持Linux、WinCE等多種操作系統(tǒng)，支持多種型號的LCD觸摸屏。TQ2440開發(fā)板采用三星公司的S3C2440A為微處理器，該處理器采用1.25V內(nèi)核供電，主頻400MHz，最高可達533MHz，可以很好地滿足多任務運行時的數(shù)據(jù)處理速度要求。S3C2440A通過外部存儲控制器控制256MB的NANDFLASH和64MB的NORFLASH作為固態(tài)硬盤存儲ARM芯片的處理結果。TQ2440還具有豐富的通訊接口，如串口、USB DEVICE接口、USB HOST和網(wǎng)卡接口和SD卡接口等。系統(tǒng)可以通過串口直接與PC進行交互操作。SD卡接口用來外接大容量SD卡，用來定期存儲系統(tǒng)采集的振動信號內(nèi)容。

圖4 TLC4541封裝圖

圖5 TQ2440開發(fā)板

4 系統(tǒng)軟件開發(fā)

軸系振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件開發(fā)主要包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)構建、Linux下A／D驅動程序開發(fā)和圖形界面軟件開發(fā)三大部分。

4.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)構建

由于Linux開放源代碼、易于移植、資源豐富、免費等優(yōu)點，使它在嵌入式領域越來越流行［7］。本文采用嵌入式Linux作為軸系監(jiān)測系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，采用虛擬的Linux操作系統(tǒng)FEDORA10作為開發(fā)主機。

嵌入式系統(tǒng)的構建主要包括建立交叉編譯環(huán)境，移植Bootloader，Linux內(nèi)核的配置和編譯，根文件系統(tǒng)制作，下載和調(diào)試Linux內(nèi)核。其中，建立交叉編譯環(huán)境最主要是在Fedora10中安裝交叉編譯工具鏈，本設計使用天嵌公司制作好的交叉編譯工具EABI－4.3.3。Bootloader采用u－boot，是系統(tǒng)加電后、操作系統(tǒng)內(nèi)核或應用程序運行前必須運行的一段代碼。通過這段程序，可以初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設定在一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核，運行用戶程序準備好正確的環(huán)境［8］。Linux內(nèi)核版本是Linux2.6.30，可以根據(jù)系統(tǒng)的具體要求來配置裁剪。文件系統(tǒng)是Linux系統(tǒng)正常運行所必需的，可以使用busybox工具制作yaffs文件系統(tǒng)。下載調(diào)試Linux內(nèi)核使用串口開發(fā)工具DNW。

4.2 Linux下A／D驅動程序開發(fā)

Linux系統(tǒng)操作系統(tǒng)有三種類型的設備進行操作：字符設備、塊設備和網(wǎng)絡設備［11］。在A／D驅動程序開發(fā)中，A／D被Linux當作字符設備進行操作。因此，在編寫Linux下的A／D驅動程序時，主要是完成對A／D器件控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器的open（），close（），read（），write（）等操作，并在file＿operations中進行注冊。

在編寫完Linux驅動程序后，使用交叉編譯工具編譯，然后通過NFS文件系統(tǒng)掛載，動態(tài)加載到Linux內(nèi)核中。有了底層驅動程序支持后，Qt應用程序就可以像操作文件一樣對A／D設備進行操作，不再需要對S3C2440A硬件進行配置。

4.3 圖形界面軟件開發(fā)

圖6 系統(tǒng)業(yè)務流程圖

Qt／E是挪威trolltech公司專門針對嵌入式GUI的開發(fā)而設計的一個工具包。使用Qt／E開發(fā)的應用程序界面清晰美觀，操作方便［12］。因此，系統(tǒng)圖形用戶界面應用程序開發(fā)用Qt／E來創(chuàng)建和調(diào)試。

使用 Qt／Embedded來開發(fā)應用程序主要包含數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲管理三個模塊。根據(jù)這三個模塊來設計應用程序界面由主界面、初始化界面、波形顯示界面、頻譜分析界面、數(shù)據(jù)庫管理界面構成。初始化界面負責完成一些軟硬件初始化工作及數(shù)據(jù)采集參數(shù)的設置，波形顯示界面完成主要完成實時波形顯示及超限報警功能。頻譜分析界面負責顯示振動數(shù)據(jù)頻譜分析的結果。數(shù)據(jù)庫管理界面主要對振動信號數(shù)據(jù)進行存儲管理。系統(tǒng)業(yè)務流程圖如圖6所示。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于天嵌TQ2440嵌入式平臺，采用Linux系統(tǒng)和Qt／E，實現(xiàn)了基于ARM的振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，將振動時域波形和頻譜圖實時顯示在LCD屏上。系統(tǒng)實現(xiàn)如圖7所示，主要包括系統(tǒng)主界面、工程初始化界面、波形顯示界面和頻譜分析界面。

圖7 系統(tǒng)實現(xiàn)界面

6 結語

本文提出的船舶軸系振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用主頻最高可達533MHz的ARM920T內(nèi)核微處理器S3C2440A作為控制器，具有實時性好、采集速度快等優(yōu)點。通過Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)對船舶軸系縱振和回旋振動信號的采集與分析，有效地提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，該系統(tǒng)不但能快速實時計算分析設備存在的故障，還能將數(shù)據(jù)進行保存和傳輸，很好地滿足軸系設備的監(jiān)控要求。

［1］付永慶.一種船用發(fā)動機扭振測量方法及其硬件實現(xiàn)研究［J］.船舶工程，2004，26：26－28.

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