基于ARM的軸系振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

吳 軍 熊 歡 熊強(qiáng)強(qiáng) 曾 暢

（華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 武漢 430074）

1 引言

船舶軸系主要負(fù)責(zé)將船舶主機(jī)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(dòng)船舶航行的關(guān)鍵執(zhí)行部件。由于其異常振動(dòng)將直接影響船舶安全運(yùn)行能力，迫切需要對(duì)軸系振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這對(duì)于提高船舶運(yùn)行可靠性，避免意外停機(jī)等都具有十分重要的意義。目前，一些學(xué)者已在該領(lǐng)域開(kāi)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(dòng)機(jī)軸系精確測(cè)量方法。陳錫恩等［2］以單片機(jī)為核心，可編程控制器、A／D轉(zhuǎn)換器及輔助電路為支持，研制了功能完備的軸系振動(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)。但上述研究工作主要基于8位或16位單片機(jī)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全可靠性較差，且這類(lèi)振動(dòng)測(cè)量?jī)x大多數(shù)只實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能，數(shù)據(jù)分析需要在PC上進(jìn)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(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集軸系振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，并將結(jié)果顯示在ARM開(kāi)發(fā)板LCD上。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

船舶航行時(shí)，軸系會(huì)同時(shí)受到螺旋槳和船舶發(fā)動(dòng)機(jī)激振力的作用，會(huì)導(dǎo)致軸系產(chǎn)生縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及這些振動(dòng)形式的耦合形式，振動(dòng)較為復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)異常振動(dòng)后，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并找出異常振動(dòng)的原因，就會(huì)成為船舶安全運(yùn)行的巨大隱患。為此軸系振動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)擬通過(guò)對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，識(shí)別潛在的故障模式并進(jìn)行早期故障預(yù)警。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，給出了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，主要包括數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，數(shù)據(jù)分析等兩部分。在數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理部分，通過(guò)數(shù)據(jù)采集電路將從傳感器獲取的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為ARM芯片能識(shí)別處理的電信號(hào)，并經(jīng)濾波、放大等預(yù)處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到ARM開(kāi)發(fā)板中。在數(shù)據(jù)分析部分，ARM開(kāi)發(fā)板一方面負(fù)責(zé)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并將分析結(jié)果顯示在LCD屏上，另一方面負(fù)責(zé)將振動(dòng)信號(hào)存儲(chǔ)在自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并定期上傳到上位機(jī)中。上位機(jī)則利用其強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)收集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析。

3 系統(tǒng)硬件模塊選型與實(shí)現(xiàn)

軸系振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件模塊主要包括信號(hào)采集和信號(hào)處理。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊由振動(dòng)傳感器、多路模擬開(kāi)關(guān)、信號(hào)調(diào)理電路和A／D轉(zhuǎn)換電路組成。

3.1.1 振動(dòng)傳感器

振動(dòng)傳感器是利用物理效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電量的器件，目前用于狀態(tài)檢測(cè)的振動(dòng)傳感器主要由三類(lèi)：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(cè)量傳感器，比較適合旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測(cè)量，但是在靈敏度高時(shí)價(jià)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(diǎn)，適合于監(jiān)測(cè)機(jī)器轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中等引起的軸承座及殼體振動(dòng)［5］。但這種傳感器的頻率范圍在0.008～1kHz之間，測(cè)量頻率范圍有限。壓電加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)而制成的一種傳感器，測(cè)量范圍很大（0.002～10kHz），靈敏度也比較高，也可以用來(lái)測(cè)量軸承的振動(dòng)。

本系統(tǒng)以船舶軸系為監(jiān)測(cè)對(duì)象，綜合考慮靈敏度、測(cè)量范圍、價(jià)格等因素，選取美國(guó)PCB公司的型號(hào)356A16ICP壓電加速度傳感器作為本系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)測(cè)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(cè)量精度高。該傳感器采用恒流源供電，供電電纜同時(shí)作為信號(hào)輸出線，輸出低阻抗信號(hào)。

3.1.2 多路模擬開(kāi)關(guān)與信號(hào)調(diào)理電路

多路模擬開(kāi)關(guān)是從多個(gè)模擬輸入信號(hào)中切換選擇所需輸入通道模擬輸入信號(hào)電路，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)從四個(gè)通道采集數(shù)據(jù)，通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)將多路被測(cè)信號(hào)分別傳送到A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

信號(hào)調(diào)理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它不僅把傳感器輸出信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤送到采集裝置，而且對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使信號(hào)適合數(shù)據(jù)采集裝置的采集要求［6］。因此，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采集船舶軸系的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，用來(lái)提高軸系振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)的可靠性和精度。如圖3所示，給出信號(hào)調(diào)理電路原理框圖。首先，壓電加速度傳感器輸出的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)信號(hào)放大后經(jīng)二階低通濾波得到直流信號(hào)。同時(shí)原振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)減法電路與直流信號(hào)相減得到電平變換后的交流信號(hào)，然后送入A／D進(jìn)行采樣。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路原理框圖

3.1.3 A／D轉(zhuǎn)換電路

A／D轉(zhuǎn)換是信號(hào)采集模塊的核心部分，其功能是使傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成ARM能處理的數(shù)字信號(hào)。ARM開(kāi)發(fā)板自帶的S3C2440A具有8路10位CMOS A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器時(shí)鐘下，最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)500ksps。但是，10位分辨率并不能滿足船舶軸系振動(dòng)信號(hào)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(zhuǎn)換器，內(nèi)置轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換速率為200ksps，分辨率為16位，相比較而言，TLC4541采集的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換后精度更高，因此設(shè)計(jì)采用TLC4541作為本系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器。TLC4541封裝如圖4所示

3.2 信號(hào)處理模塊

信號(hào)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(shè)計(jì)采用天嵌公司的TQ2440開(kāi)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(hào)的LCD觸摸屏。TQ2440開(kāi)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(dá)533MHz，可以很好地滿足多任務(wù)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)處理速度要求。S3C2440A通過(guò)外部存儲(chǔ)控制器控制256MB的NANDFLASH和64MB的NORFLASH作為固態(tài)硬盤(pán)存儲(chǔ)ARM芯片的處理結(jié)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(guò)串口直接與PC進(jìn)行交互操作。SD卡接口用來(lái)外接大容量SD卡，用來(lái)定期存儲(chǔ)系統(tǒng)采集的振動(dòng)信號(hào)內(nèi)容。

圖4 TLC4541封裝圖

圖5 TQ2440開(kāi)發(fā)板

4 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

軸系振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)主要包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)構(gòu)建、Linux下A／D驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)和圖形界面軟件開(kāi)發(fā)三大部分。

4.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)構(gòu)建

由于Linux開(kāi)放源代碼、易于移植、資源豐富、免費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，使它在嵌入式領(lǐng)域越來(lái)越流行［7］。本文采用嵌入式Linux作為軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，采用虛擬的Linux操作系統(tǒng)FEDORA10作為開(kāi)發(fā)主機(jī)。

嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)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(shè)計(jì)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(yīng)用程序運(yùn)行前必須運(yùn)行的一段代碼。通過(guò)這段程序，可以初始化硬件設(shè)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(shè)定在一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核，運(yùn)行用戶程序準(zhǔn)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(lái)配置裁剪。文件系統(tǒng)是Linux系統(tǒng)正常運(yùn)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(kāi)發(fā)工具DNW。

4.2 Linux下A／D驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

Linux系統(tǒng)操作系統(tǒng)有三種類(lèi)型的設(shè)備進(jìn)行操作：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備［11］。在A／D驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)中，A／D被Linux當(dāng)作字符設(shè)備進(jìn)行操作。因此，在編寫(xiě)Linux下的A／D驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，主要是完成對(duì)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(jìn)行注冊(cè)。

在編寫(xiě)完Linux驅(qū)動(dòng)程序后，使用交叉編譯工具編譯，然后通過(guò)NFS文件系統(tǒng)掛載，動(dòng)態(tài)加載到Linux內(nèi)核中。有了底層驅(qū)動(dòng)程序支持后，Qt應(yīng)用程序就可以像操作文件一樣對(duì)A／D設(shè)備進(jìn)行操作，不再需要對(duì)S3C2440A硬件進(jìn)行配置。

4.3 圖形界面軟件開(kāi)發(fā)

圖6 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

Qt／E是挪威trolltech公司專門(mén)針對(duì)嵌入式GUI的開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的一個(gè)工具包。使用Qt／E開(kāi)發(fā)的應(yīng)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(yīng)用程序開(kāi)發(fā)用Qt／E來(lái)創(chuàng)建和調(diào)試。

使用 Qt／Embedded來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序主要包含數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理三個(gè)模塊。根據(jù)這三個(gè)模塊來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)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(kù)管理界面構(gòu)成。初始化界面負(fù)責(zé)完成一些軟硬件初始化工作及數(shù)據(jù)采集參數(shù)的設(shè)置，波形顯示界面完成主要完成實(shí)時(shí)波形顯示及超限報(bào)警功能。頻譜分析界面負(fù)責(zé)顯示振動(dòng)數(shù)據(jù)頻譜分析的結(jié)果。數(shù)據(jù)庫(kù)管理界面主要對(duì)振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖如圖6所示。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于天嵌TQ2440嵌入式平臺(tái)，采用Linux系統(tǒng)和Qt／E，實(shí)現(xiàn)了基于ARM的振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將振動(dòng)時(shí)域波形和頻譜圖實(shí)時(shí)顯示在LCD屏上。系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)界面

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的船舶軸系振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用主頻最高可達(dá)533MHz的ARM920T內(nèi)核微處理器S3C2440A作為控制器，具有實(shí)時(shí)性好、采集速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶軸系縱振和回旋振動(dòng)信號(hào)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(shí)時(shí)計(jì)算分析設(shè)備存在的故障，還能將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和傳輸，很好地滿足軸系設(shè)備的監(jiān)控要求。

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