ARM+DSP的船舶动力装置轴系监测仪设计

上海海事大学商船学院 黄志坚 陈巨涛 余立立

1.引言

现代船舶推进轴系日趋复杂，其产生的扭转、纵向及横向振动会对轴系本身造成危害，严重的甚至造成轴段断裂与船毁人亡。因此预防轴系故障的产生尤为重要，但传统的定时检修与事后维修方法已不能满足要求，需采用特定的监测方法。因此本文开发船舶轴系监测装置，为其安全运行提供保障。该监测装置能在线对轴系扭应力、扭转振动、回旋振动与纵向振动进行实时监测与报警，同时还监测轴系转速，实时功率与扭矩，以判断轴系工作状态。

2.组成与测量原理

轴系监测仪为模块化设计，可根据用户要求进行配置，由扭转、回旋、纵向振动监测模块、轴功率监测模块与机旁监测终端等组成，见图1。

(1)扭转振动：扭转振动采用应力直接测量法。利用粘贴在轴上的电阻应变计，测得旋转轴表面扭应力的大小，扭应力随时间的动态变化就反应了轴系的扭振。选用德国KMT公司的MT32型350Ω全桥应变片，具有温度自补偿功能(图2左)。同时设计机械装置，保证应变计粘贴得与轴线方向一致(图2中)。在对应变计涂层防护后，设计硬质非金属材料卡环保护罩封装应变计与无线编码模块，并牢牢固定在轴上随轴旋转；感应拾取模块紧靠其安装而不接触(图2右)。

由于旋转轴上接触式信号的传输不稳定，工作寿命短，不适合长期在线监测，所以摒弃了滑环与电刷的接触式传输方式，采用脉 冲编码调制(PCM)方式无线传输扭振信号，发射主频为433.3～434.5MHz，采用数字信号，信噪比高不易受干扰；并且轴上信号编码与发射模块均采用低功耗设计，可靠感应方式供电，能长期稳定地工作，从而解决了旋转轴上模块的供电问题。

所以完整的扭振传感器由应变计、无线数字编码模块、天线、无线接收模块与解码模块组 成，并得到图3中的扭矩信号输入至监测仪。

(2)回旋与纵向振动：回旋与纵向振动均采用接触式测量法。利用安装在轴上的ICP加速度传感器获取回旋振动与纵向位移信号，也采用PCM无线发射。该模块由一对互相垂直的ICP加速度传感器(回旋振动)/一只ICP加速度传感器(纵向振动)、ICP调理模块、无线数字编码模块、天线、无线接收模块与解码模块组成(其无线发射部分与扭振测量模块共用)，得到两路回旋与一路纵向振动信号输入至监测仪，见图1。

(3)轴功率：轴功率监测需扭矩与转速信号计算后求得。扭矩信号的测取同上，转速信号是由轴系飞轮上的磁电式转速传感器测取的，计算得到轴功率信号输入至监测仪，见图1。

3.机旁监测终端硬件设计

机旁监测终端是监测仪的核心，它处理多路传感器信号，同时实现显示、报警、存储等功能，有连接LCD、以太网、SD卡及CAN总线预留等要求，并考虑到工作环境及稳定性的要求，需采用一款具有上述各种接口并能用于工业环境的ARM处理器。同时，机旁监测终端需处理大量计算，对数字信号处理能力也有较高要求，最好选用快速的DSP处理器。综合上述因素，并考虑到系统今后的扩展性，决定采用ARM+DSP双处理器架构来设计。

ARM选用NXP公司ARM7内核、32位精简指令集的LPC2378处理器。该处理器片上集成512KB FLASH和58KB SRAM存储器，有总线外扩接口、UART、USB、10/100M以太网接口、SD卡接口、以及两路CAN总线接口等，单一3.3V供电方便与其它3.3V器件的供电相匹配[1]。DSP选用TI公司C5000内核的TMS320VC5409A处理器，该DSP包含32K片内高速SRAM，有总线外扩接口，便于扩展片外SRAM和FLASH存储器，以实现应用系统[2]。

DSP在系统中作为协处理器，需与ARM主处理器交换数据。DSP的HPI接口可用以与主处理器接口和交换数据[2]。其总体架构如图4所示。

(1)前端信号调理：根据前端传感器与调理器的工作属性，调理后的各路信号属性应如表1所示。

信号调理电路主要由运放组成，实现信号的滤波、缩放、零位偏置、及提高输入阻抗等功能。为提高精度，运放选用高性能的集成仪表放大器，相关电阻采用0.1%精度的精密电阻。信号隔离采用安捷伦公司的反馈型线性光耦HCNR200，完成信号的1:1隔离放大。

(2)A/D转换器：ADC采用16位Σ-Δ型ADS1174芯片，以实现高精度采样。机旁监测终端设计4个ADC，每个ADC集成4路采样通道，可实现16路模拟量的同步采集。ADC的输出为标准SPI接口，可与DSP的Mcbsp口无缝连接，实现ADC转换数据的读取以及ADC的配置与控制。ADC芯片有高速和节电模式，高速模式下每通道最高52kHz同步采样率。

(3)人机接口：采用带字符层与点阵层的双层LCD实现字符显示与绘图功能。LCD连接到LPC2378的外部总线，并采用LPC2378的Intel接口时序。另设计4*4矩阵式键盘，共占用ARM 8个GPIO口，用于界面操作。

(4)以太网控制器：通过LPC2378片上的10/100M以太网控制器，外部再连接物理层芯片DM9161A、以太网变压器HR601680与RJ-45接口即可实现以太网接口。LPC2378利用其片上UART实现RS-232接口，以通过上位机设置以太网参数及调试系统。

4.可靠性设计与测试结果

(1)可靠性设计：电磁兼容按参考文献[3]的要求设计。连接导线均采用低噪声屏蔽电缆，尽可能降低信号在传输过程中所受的干扰；所有导线接头均采用LEMO结构，插拔自锁，能在高振动强冲击环境下使用。系统整体单点接地，模拟与数字地分开，再通过磁珠连接，防止数字部分的对模拟部分的高频噪声干扰。

系统电源总接入口采用隔离电源模块，输入电源首先通过磁珠以阻止高频干扰，内部电源变换使用线性电源芯片，降低电源的纹波干扰。外部传感器信号接入处均采用光耦隔离。

电路布线采用多层板，并铺设独立的电源层与地层，以降低阻抗、提高抗扰能力。布线遵循元件布置与走线规则，以提升整个电路板的电磁兼容性。高频DSP系统设计有看门狗电路，在系统死机时自动复位。最后，整个系统安装到金属屏蔽盒内，从系统的角度实现电磁兼容。

表1 各路传感器信号属性表

表2 功率测量试验结果

图1 轴系监测系统的组成

图2 新型扭振传感器实物及其在轴上的安装与封装

图3 扭转振动监测模块

图4 机旁监测终端总体架构图

(2)测试结果：限于篇幅，并且由于功率测量需用到扭矩与转速传感器信号，因此可以功率测试为例。轴系试验台架的输出轴后安装有测功机，将监测仪输出的功率值与测功机的测量值进行比较（表2），试验结果表明：测试误差达到工程要求，监测仪设计成功。

5.结束语

目前，该监测仪已用于船舶轴系的监测。由于ARM处理器能运行操作系统，便于管理复杂的程序任务，外设功能丰富，易于设计出智能化监测装置；而DSP处理器具有快速采样与计算能力，所以两者优势互补，完成设计目标。此外，该ARM+DSP方案也可以作为硬件设计的一个通用方案。而具有无线遥测与感应发电功能的新型传感器的应用则大大提高了监测仪的先进性与可靠性。

[1]周立功.ARM微控制器基础与实战(第二版)[M].北京航空航天大学出版社,2005.

[2]戴明桢.TMS320C54x DSP结构、原理及应用[M].北京航空航天大学出版社,2001.

[3]GJB151A-97,军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求.