基于加速傳感器的船舶振動檢測系統設計

摘要：船舶振動是船舶與海洋結構物設計中的關鍵技術之一，船舶架構是一種復雜的組合彈性體，本身的振動非常復雜。不同于傳統的機械式船舶振動檢測設計，本系統采用嵌入式系統，運用傳感器檢測、實時數據處理等技術，使產品具有小型、專用、易攜帶、可靠性高的特點，在船舶振動檢測領域有廣泛的應用前景。

關鍵詞：MMA7455L；船舶振動檢測；加速傳感器

船舶劇烈振動除造成結構損壞外，還使船上儀表、設備破損或失靈，破壞艦艇穩定性，影響船上人員的工作效率以及生活舒適性。船舶振動的研究離不開對船舶振動的數據采集和檢測，本文設計的系統通過電子傳感器的運用來實現對船舶振動的有效檢測。

本研究采用先進的加速度傳感器，融合嵌入式系統設計思路，改變以往機械式振動檢測系統的方式，使產品具有低功耗、便于攜帶、精度高、速度快的特點。

硬件部分設計

船舶振動檢測系統的工作原理是，系統通過操作系統來調度任務，當有檢測任務時，系統初始化檢測傳感器，并根據檢測方式配置參數，采集數據后進行存儲和計算，并可存儲測試數據和實時顯示測試結果，LCD顯示精巧的人機圖形界面。本系統的硬件實現框圖如圖1所示。

系統核心硬件部分為ARM控制器、加速度傳感器、flash存儲器、鍵盤、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來實現，傳感器部分電路圖如圖2示。

MMA7455L提供I²C和SPI數字接口，但MMA7455L都應作從設備，當CS拉高時為I²C接口，當CS用作從選擇時為SPI接口。在此系統中采用I²C接口，其從地址是0x1D，支持多字節讀寫。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接口電平來選擇DVDD_IO電壓，若采用開關電源供電需注意開關頻率必須大于250Hz以防干擾芯片內部ASIC。

MMA7455L測量模式下會連續的測量三軸加速度，并根據g-select配置情況對外提供測量結果。當測量轉換完成后，DRDY輸出高電平，表明“測量數據已OK”，DRDY狀態也可在狀態寄存器(0x09)的DRDY位來監測，DRDY引腳一直保持高電平直到三個測量值的其中一個被讀出，因此可能會產生數據被下一個測量值覆蓋問題，若下一個測量值在前一個數據讀出前就寫入的話，狀態寄存器的DOVR位會被置位。在MMA7455L中，g-select由模式控制寄存器(0x16)的2個GLVL位確定，見表1。內部增益控制器根據所選g來提供不同的測量靈敏度以適應不同的應用需求，船舶的振動檢測在MMA7455L中選擇8g范圍即可。

系統其他電路部分設計為：微處理器采用三星的S3C44BOX處理器，存儲器為AMD公司的32Mbit(4M×8Bit)Flash存儲器AM29LV033C，圖形液晶顯示模塊為含控制器T6963C的240×128點陣的SMG240128L、USB的接口電路使用芯片NUF2221W1T2，其它部分電路由于篇幅有限，這里不作詳述。

軟件部分設計

本系統由三大模塊組成，如圖3所示、從底層到上層分別是：數據采集驅動模塊，數據處理模塊，GUI人機交互模塊。

軟件系統實現的功能有兩個：一個是數據檢測采集，主要負責傳感器的數據檢測、采集和控制：另一個為采集數據的處理及人機顯示，包括信號處理算法實現和數據存儲，人機界面負責LCD驅動和文字圖形的顯示。操作系統首先通過設備驅動模型對傳感器進行初始化，為傳感器設置合適的配置參數，以使設備能在采集過程中正確工作；上層圖形系統采用嵌入式GUI來實現人機交互界面，包括圖形控制面板建立、波形顯示、參考值顯示等。軟件流程如圖4所示。

數據采集及處理部分的程序流程如圖5所示。其中檢測初始化包括檢測模塊上電，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校準和自檢測以滿足精度要求；系統調用檢測任務后，外部中斷打開，等待加速度傳感器的中斷上報及檢測數據采集。

MMA7455L加速度傳感器的驅動軟件設計應注意IADDR0接到GND時其從地址為0x1D、接到DVDD_IO時其從地址為0x1E；MMA7455L有三種工作模式(測量模式、水平檢測模式、脈沖檢測模式)，在測量模式下DRDY引腳與INT1共用，數據讀取就能將DRDY清除、但在其他兩種模式下INT1和INT2都需要通過寫寄存器來清除。在檢測數據采集時，把數據緩存到FIFO中，假如FIFO滿了，有DMA控制將FIFO中的所有數據傳輸到內存當中進行處理，可完成數據信號顯示和控制，存儲和實時分析。

結語

本系統利用了微處理器功耗低及電子傳感器集成度高的特點，設計出了一種結構簡單、性價比好的檢測系統，該系統能夠進行實時性的數據采集處理，具有功耗低、抗干擾、可靠性高的優點，可以實現傳統機械式船舶振動測試儀的全部功能，并且在體積、重量、精度等方面都有明顯優勢。產品原型已經完成系統調試和模擬測試，結果滿足船舶振動檢測的要求。此產品在船舶振動檢測領域有廣泛的應用前景。