船舶艉轴测速单元的设计与实现

刘迪



船舶艉轴测速单元的设计与实现

刘迪

(武汉船用电力推进装置研究所, 武汉 430064)

船舶艉轴速度在中速主机船舶换向和船舶航行指示中必不可少.本文提出一种基于单片机的通用型船舶艉轴测速系统.包括输入信号调理单元，DA转换单元，电子显示，模拟输出显示，485通信单元等.为了更好的适应发展与变化的需求，该方案在硬件和软件设计上都做了通用性的设计.该测速装置也可用于船舶主机的测速，系统最高频率在50KHZ.测速电路板在高温和电磁辐射下工作良好，达到了预期设计目的.

单片机 测速 D/A转换 电磁辐射 艉轴

0 引言

艉轴转速是船舶操纵中的重要参考值.据考察发现，船舶艉轴测速装置以轴带发电机或通过传感器的脉冲频率F/V转换供给仪表模拟仪表显示.他的缺点在于轴带发电机产生的是交流信号，供给主机遥控很不方便；而F/V转换虽能准确的反应转速，但是不能实现通信功能，只能给控制单元模拟信号。传统的测速装置具有很大的局限性，不能在船舶上通用，一个装置只能用于特定的艉轴齿数、输出仪表量程、输入信号模式。传统的测速装置不能与遥控系统通信直接送给遥控系统转速信号。

针对传统测速装置的某些不足，本文提出一种基于infineon八位单片机的船舶艉轴测速装置。该设计对输入信号做了前端整形，使得能够兼容正玄波和方波的输入；增加了拨码开关用于对测速的齿数进行拨码；使用了模拟和数字双输出显示，增大了系统显示需求的灵活性；使用了485通信输出转速信号的设计，使得对控制具有更好的兼容性；在软件设计上，也采用了拨码选择的方式用来改变单片机的测速方式，中断计时方式和捕获比较模式，增强了系统对速度的兼容性。

船舶工业发展十分迅速，并且船舶种类越来越纷繁复杂。因此，设计一款具有广泛兼容性的测速装置具有低成本，减少反复开发的现实意义。

1 设计思想

船舶艉轴测速设计电路基本功能框图如下：

转速传感器信号，正玄或方波信号经过信号调理（包括整形放大，隔离，电平转换）后，一路送给D触发器作为方向判别信号，从而控制继电器切换输出；另一路送给单片机的捕获比较单元，捕获两个上升沿或下降沿的时间间隔后据此可计算出转速值。然后送给DA转换芯片经后续放大跟随后输出相应转速的模拟量。单片机接收到脉冲信号计算得到转速后经过串口送给外部数字显示。当单片机接收到外部转速需求信号后，通过485通信送给外部请求单元转速信号。

2 功能块硬件设计

2.1电源模块

1) 5V电源原理图

电源模块选用了LM5576（图2）芯片.LM5576具有输入电压宽泛，输出电流大，输出精密电压和输出可调性和抗电磁干扰等优点。它的输入电压在6～75 V，输出电流max=3 A，输出电压可调V=1.225* (+1).该电源工作性能稳定，满足设计中DA转换参考误差容许值和单片机的供电要求。

转速表的输出设计精度要求在5rad/min，转换为DA转换的输出电压偏差为：

其中，设计艉轴测量转速0～300 rad/min，对应电压为0～6 V，DA转换输出为0～5 V，然后经过1.2倍放大得到0～6 V）。LM5576电源芯片的误差为1.5%，即输出电压差，故当电压漂浮时DA转换输出值为:

即可.对上式带入数据得：

故电源芯片的设计精度满足系统的要求。

DA转换一般在0～5 V而电压型转速表的电压往往高出5 V的范围，这使得DA转换后不仅要功率放大，还需要进行电压放大，而放大器需要正负电源供电.本文采用了德州仪器的TL497A作为升压，和电压反向升压芯片供给12 V的电源。在5～12 V的转换条件下，设计的输出电流达到200 mA，满足设计需求。这样设计，免除了对输入正负双电源的要求，适合船舶上通用供24V直流电的规范。

2.2 RS485通信设计模块

本文设计485通信是基于与遥控系统通信，按照遥控系统的请求送给遥控系统转速信号.485通信的优点是通信距离长，抗干扰能力强.且通信相对简便，作为船用系统通信485是一个较好的选择。

2.3转速信号电平转换图

为了实现24 V的正弦或方波信号到5 V的转换，本文采用了PC817光格作为隔离转换单元.因为该设计测速方式是捕获相邻两个齿之间的时间间隔从而计算转速，所以将正弦波转换为方波的截取点可以随意的选取，这样就可以将正弦信号直接加在方波信号上转换为方波信号。这样的做法通过了实验测试，实验证明是可行的.对于光格的24～5 V信号转换，试用了6N137，PC817等，6N137会产生很大的干扰信号，PC817转换信号十分成功。

2.4通信与显示模块

RS232通信是设计用来输出数字显示转速信号的。通过串口通信输出转速信号并通过74HC595实现串并转换并锁存，在单片机的控制下实现动态扫描输出。

显示模块是常见的LED数码管，采用动态扫描显示。数码管采用共阳极，以降低单片机的负载.基于其常见性这里不做过多介绍。

2.5 Infineon单片机最小系统原理图

XC866是infinoen公司推出的XC800系列之一，它具有较高的安全性和强大的控制功能且广泛应用于汽车电子及电机控制等方面.其在51内核的基础上内嵌了8路10位A/D转换，捕获比较单元（CCU6）等.基于其稳定性和集成性，本文采用XC866的捕获比较功能换，串口，高速同步通信等，控制输出DA量和数字显示，实现485功能通信。

2.6程序下载单元

JTAG引脚定义： TCK—测试时钟输入； TDI—测试数据输入，数据通过TDI输入JTAG口； TDO—测试数据输出，数据通过TDO从JTAG口输出； TMS—测试模式选择，TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式。JTAG是一种国际标准测试协议，用来连接PC与单片机，PC机通过它对单片机进行测试、操作和下载程序。

2.7电路设计综述

本文采用了LM5576作为5 V电源芯片，TL497A作为12 V电源芯片，MAX485作为485通信芯片，max232作为串口通信芯片，AD5322作为DA转换芯片（通信速度达180-30MHZ），XC886作为系统的主控芯片.输出放大选择了NE5532，信号处理、电平转换采用了光格PC817。

在系统的硬件设计中还充分考虑了通用性和抗干扰问题.硬件电路已经经过调试，工作稳定可靠。在高温下通过了测试，工作正常.测试了在变频电动机（约8 MHZ空间电磁波干扰）旁工作正常，但是通过示波器检测到了系统电路板内出现了周期性的高频电磁干扰.而改变示波器的测量方式（交换接头）测量结果有明显变化，对于该干扰的处理在进一步的探究之中。

3 软件实现

本文的用户程序制作主要分为以下部分：

1）捕获比较模块采用单通道捕获比较模式，捕获脉冲间隔时间。2）显示模块温度显示LED采用动态扫描输出.对于共阴极数码管，在程序设计时选择某一位（给该位的共阴极低电平，其余的给高电平）再向阳极送入该位的数字代码信号，然后选择另一阴极送入代码以此循环达到显示目的。3）485通信模块接收到转速请求后发出转速信号。4） IV.DA模块。测量到转速信号并满足输出条件时，启动高速同步通信控制DA转换芯片按单片机送给的数据信号输出电压值。

4 结束语

本文设计了一种基于单片机的，通用性能十分广泛的船舶艉轴测速装置。实验表明，该设计的温度性能和抗电磁特性较为理想，能够满足船舶控制的要求。本文的各项引入误差都在误差容许的范围之内，并通过测试证明。长时间运行能够保证其稳定与精确性。现代船舶的测速装置都呈现了智能化、通用性等特点。本文的设计产品将能够适应船舶工业发展的要求，实现优良的测量与控制。

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[4] 赵晶. 电路设计与制版protel 99高级应用[M].北京：人民邮电出版社，2000.

Design and Implement of Speeding Unit for Marine Propeller Shaft

Liu Di

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM934

A

1003-4862（2015）01-0048-05

2014-08-15

刘迪(1988-), 男。研究方向：电力电子技术。