基于PIC單片機的船用測速系統設計

2014-01-15 09:33:44余佳佳

湖北工業大學學報 2014年2期

趙陽，余佳佳

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430068）

艦船在航行過程中，艉軸轉速與轉向和主機轉速等重要航行數據需要實時反饋給駕駛操作人員。因此，需要對主機和艉軸狀態參數實施準確監控，以確保艦船在安全、可靠的狀態運行。

轉速的測量按傳感器安裝方式可分為：接觸式和非接觸式。在接觸式測量方式中，傳感器通過彈性聯軸器與被測旋轉軸相聯接，安裝復雜。非接觸式轉速測量又可分為光電測量和磁性測量。光電測量雖然精度較高，但體積大、成本高。磁性測量則尺寸小，便于安裝，外圍電路簡單，觸發方式多樣，使用壽命長。本文采用PIC單片機作微處理器，設計了一種基于磁性測量的船用測速系統。

1 轉速測量原理

單片機通過檢測測速傳感器兩路輸出脈沖的相位差來判斷轉動方向，通過其中一路脈沖輸出就可以進行轉速測量。艉軸運行過程中，轉速處于低速狀態；主機運行過程中，轉速處于高速狀態。本系統通過功能選擇撥碼可以在線進行艉軸與主機測速切換。由于艉軸與主機運行狀態的不同，為了保證測量的精度，本系統選擇了兩種測速方法。

1.1 T法測速

測量相鄰兩個旋轉脈沖之間的時間間隔來計算轉速，計算公式為

式中：N為轉速，r／min；n為旋轉一周的脈沖數（通常指測速碼盤的齒數）；T1為定時器周期；M1為定時器周期的計數值。當電機轉速較低時，定時器周期的計數值分布均勻，用T法計算出來的轉速精度高，適合艉軸測速。

圖1 兩種測速方法原理圖

1.2 M法測速

運用規定時間內檢測到旋轉脈沖的個數來測量轉速，計算公式為

式中：T2為規定的時間周期；M2為檢測脈沖數。當電機轉速較高時，由于定時器周期的計數值分布集中，T法計算出來的轉速誤差大，而規定的時間周期內檢測到的脈沖數分布均勻，M法計算出來的轉速精度高，適合主機測速。

2 測速系統設計

2.1 系統設計

下圖為測速系統的結構框圖，本系統有兩組信號輸入端，分別接左右雙艉軸測速傳感器或左右雙主機測速傳感器，兩個傳感器均采用W18LD型傳感器。其中輸入為兩個雙路測速傳感器的四路脈沖信號，高電平約24V，低電平小于0.5V。W18LD型傳感器為雙向測速傳感器，具有0～10kHz寬響應頻率，輸出兩路有相位差的幅度穩定的方波信號。觸發形式包括：鋼鐵齒輪、齒條、凹槽、孔洞、軟磁和硬磁材料。

圖2 系統結構框圖

單片機讀入4路脈沖信號進行處理，計算出雙艉軸或者雙主機的轉速與轉向。如果計算出的轉速大于設定的超速臨界值，輸出開關量報警信號。測速裝置通過接口將計算出的轉速通過D／A轉換后直接連接到模擬轉速表顯示，同時通過RS485和CAN接口將處理后得到的艉軸或者主機的信息送至數字顯示裝置上顯示。

2.2 硬件電路設計

2.2.1 信號采集與調理電路圖3為一路脈沖信號輸入電路，本系統采用的傳感器為外包有屏蔽層的四芯電纜，屏蔽層接地后具有非常良好的去除電磁干擾效果。在變頻器驅動電機旋轉的強電磁干擾環境下，光耦6N137原邊的脈沖波形比較理想，副邊經過電容濾波處理，進入單片機引腳的脈沖波形質量良好。另外3路脈沖輸入電路與此電路相同。

圖3 傳感器脈沖輸入電路

2.2.2 模擬量輸出調節電路測速裝置外接模擬轉速表，模擬轉速表一般為0－±10V電壓表。艉軸正車時，需要輸出0～＋10V電壓值；艉軸倒車時，需要輸出0～－10V電壓值。而所選用的D／A轉換芯片只能輸出0～＋5V電壓值，故需要對輸出電壓進行調節。如圖4所示，選用高精度運放OP07，雙電源供電，取R6／R5＝R8／R7＝4，得V0＝4（DA1－2.5）V。此電路完成了將0至5V電壓值轉換為－10V～＋10V電壓值。

圖4 模擬量輸出電路

2.2.3 RS485和CAN接口電路測速裝置內單片機串口經光耦隔離后與MAX485芯片相連（圖5），數據按通訊協議所規定的數據格式發送。同樣，數字顯示裝置的RS485接收電路與圖5相同。

圖5 RS485通訊電路

圖6 CAN通訊電路

所選PIC單片機內部集成了CAN模塊（圖6），支持CAN1.2，CAN2.0A 和 CAN2.0B協議，CAN收發器選用的是NXP公司的TJA1051。測速裝置和數字顯示裝置的CAN通訊電路均見圖6。CAN網絡中的各節點均可接收需要的數據信息，易于系統集成和擴展。

2.3 軟件設計

單片機的軟件部分主要包括測速裝置主程序、定時器0中斷服務程序、外部中斷INT0和INT1中斷服務程序和數字顯示裝置主程序、串口接收中斷服務程序以及CAN模塊接收中斷服務程序。測速裝置中定時器0中斷主要用于提供周期T1（1ms）和周期T2（1s）；外部中斷INT0和INT1設置為下降沿觸發，用于計算轉速。數字顯示裝置中串口接收和CAN接收用于接收測速裝置通訊過來的轉速信息。圖7～圖9分別為測速裝置主程序、定時器0中斷和INT0中斷的程序流程圖。