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基于单片机的船舶柴油机现场数据采集技术研究

基于单片机的船舶柴油机现场数据采集技术研究 * 潘兴隆 1,贺国 1,刘发仿 2,张超杰 1,明廷锋 1,高世伦 3 1. 海军工程大学船舶与动力学院,湖北 武汉 430033 2. 海军 91561 部队,广东 广州 510320 3. 华中科技大学能源与动力工程学院,湖北 武汉 430074

要:针对某型船舶柴油机特殊的工作环境和现场数据采集的难点,提出了上位机与下位机分体式设计的数据采集系统

总体设计方案。以基于 ARM Cortex-M3 内核的 32 位单片机 STM32 作为下位机微控制器,并设计了相应的信号调理电路; 针对船舶柴油机舱高振动、强电磁干扰的工作环境,利用光电耦合隔离技术,提高了数据采集系统抗干扰能力;实验结果表 明,研制的数据采集系统能在不影响系统正常工作的情况下准确获取系统运行参数,满足了该型船舶柴油机现场数据采集的 需求。

关键词:单片机;柴油机;数据采集;光电耦合;抗干扰

Research on Marine Diesel Engine Field Data Acquisition Technology Based on Single Chip Microcomputer Xinglong Pan 1, Guo He 1, Fafang Liu 2, Chaojie Zhang 1, Tingfeng Ming 1, Shilun Gao 3 1. College of Naval Architecture and Power, Naval University of Engineering, Wuhan, China, 430033 2. 91561 of People’s Liberation Army, Guangzhou, China, 510320 3. College of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China, 430074 Email: paxilo52@tom.com

Abstract: To deal with the special operational environment of a certain marine diesel engine and the problems of field data acquisition, the overall design proposal of the data acquisition system is presented, which is composed of host computer and slave computer. The ARM 32-bit Cortex-M3 Single chip Microcomputer STM32 is considered as microcontroller of the slave computer, and the signal processing circuits are designed. Photoelectric coupling technology is applied to design the interface circuit to improve the anti-interference performance of the data acquisition system. The experiment results indicate that the system parameters are obtained exactly without interrupting the normal work procedures of the system. It is concluded that the developed data acquisition system meets the requirement of field data acquisition for the given marine diesel engine.

Key words: Chip Microcomputer; diesel engine; data acquisition; photoelectric coupling; anti-interference

引言 设备参数的数据采集,是指从传感器或其他待测设备单元中自动采集非电量或电量信号,经 AD 转换或编码 后送到计算机中进行分析、处理。数据采集技术广泛应用于各领域,准确的数据测量是数据采集的基础,数据测 量方法有接触式和非接触式两种。不论哪种方法,均以不影响被测对象的状态和测量环境为前提,以保证测量数 据的准确性[1-3]。设备长期运行过程中容易出现故障,为监控设备的状态,通常需要对设备的运行参数进行采集, *

基金项目:海军工程大学博士研究生创新基金(HGBSJJ2011003) Scientific Journal of Control Engineering

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并送给 PC 机,通过 PC 机对采集的数据进行分析处理,以此判断设备当前的运行状态,并根据需要采取必要措 施[9-11]。柴油机是一种重要的动力系统原动机,具有扭矩大、功率大、热效率高、寿命长、经济性好的优点,在 机车、船舶领域应用十分广泛。某型船柴油机是发电机原动机,是船舶的动力源泉和心脏,为确保该柴油机的正 常运行,需对其运行状态进行实时监测,并对工作状态进行评估和诊断,以便及时发现和排除故障。

基于单片机的数据采集系统硬件平台设计

1

对于空间狭小的船舶,柴油机机舱设备布置十分紧凑,工控机等大型数据采集设备无法在实船安装使用,而 且该型柴油机的转速信号及控制系统传感器较为特殊,没有现成的数据采集设备可以利用。该船数据采集现场环 境较为恶劣,强振动、高噪声、强电磁干扰,不适合操作人员长时间在现场工作。因此,数据采集系统设计时以 单片机为核心,采用上位机和下位机的分体式设计方案。以单片机及作为下位机,放置于数据采集现场,便携式 PC 机作为上位机,放置于中央控制室,下位机和上位机之间通过网络通讯进行数据交换,实现远程数据传输和 控制。 STM32 单片机是基于 ARM Cortex-M3 内核的嵌入式 32 位微控制器,支持 Thumb-2 指令集,具有低功耗、 高性能、强实时性的特点,在数据通信、工业控制等领域应用广泛。ARM Cortex-M3 的 CPU 主频可达 72MHz, 并具有快速中断处理能力。STM32 的模数转换达到 12 位采样精度,16 个通道具有双通道模式,可在一个通道上 采用快速的交叉模式进行连续的采样,双通道采样频率可达 2M/S,并具有 2 个 I2C、3 个 USART、2 个 SPI、CAN、 USB 等在内的 9 个通信接口,特别适合于现场数据采集使用[2-4]。因此,本文选用 STM32 单片机作为数据采集系 统下位机的微控制器,并通过网络通讯将采集的数据实时送往上位机中进行处理和显示。现场数据采集系统的硬 件平台总体方案设计如图 1 所示。

上位机

便携式 PC 计算机

以太网

通 讯 电 路

数据采集系统 STM32F103

下位机 接口电路

转速传感器信号输入

温度传感器信号输入

压力传感器信号输入

图 1 数据采集系统硬件平台总体方案设计

如图 1 所示,数据采集系统主要用于采集柴油机的转速传感器信号和温度传感器、压力传感器的模拟量信号, 经接口电路进行信号调理后送入下位机的微控制器中,然后通过网络通讯与上位机进行数据交换,实现数据的实 时传输和远距离通信,将操作人员从数据采集现场恶劣的工作环境中解脱出来。

2

信号调理接口电路设计

2.1

转速传感器信号处理电路 某型船柴油机是船舶的发电机原动机,柴油机辅助系统管路(如燃油、滑油、冷却水)的介质压力由相应的

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机带泵产生,这些辅助管路内介质的压力与柴油机的转速直接相关,因此,首先要获取柴油机的转速信号。该型 柴油机的转速传感器为磁电式传感器,由传感器和显示仪表两部分组成。传感器安装于柴油机曲轴上,随着曲轴 转速的不同而产生不同频率的脉冲信号,显示仪表用于显示柴油机的实时转速,并经显示仪表向传感器供电。由 于传感器和显示仪表间的供电和脉冲信号的传递采用共线制,即显示仪表用两根线向传感器电路供电,同时,传 感器利用该供电线路向显示仪表传递转速的脉冲信号,因此,为了采集柴油机的转速信号,需要将载在供电线路 上的转速脉冲信号提取出来,变成标准的脉冲信号后送入单片机中进行计数。转速传感器信号的处理电路如图 2 所示。

+3.3V

R1 P_IN1 R2 R3

R4 R6

8 1 7 2 3 MAX931 6 4 5

R11

R7 74LS04 R10 R8 +5V R9

R12

P_OUT

C2 4N25

R5 C1

P_IN2 图 2 转速传感器信号处理电路原理图

由于转速传感器产生的脉冲信号较弱,为避免转速数据采集处理电路对转速传感器本身的工作产生影响,信 号处理电路的输入端采用高阻值的电阻网络,如图 2 的 R1~R6 构成的电阻网络。载在供电线路上的转速脉冲信 号由端口 P_IN1 和 P_IN2 输入转速信号采集处理电路,经比较器 MAX931 比较和反相器 74LS04 的放大、整形 后,变成标准的脉冲信号进入光耦 4N25 的输入端。由于柴油机工作在高振动、强电磁干扰的环境,而且转速传 感器的供电与 STM32 单片机的供电方式不同,而光电耦合器的输入与输出端不需要“共地”,使得数据采集系统 与被测对象的电源相互独立,消除了电位不同造成的影响[5]。因此,通过光电耦合技术隔离了数据采集系统与被 测对象之间的电气联系,避免了数据采集系统对被测对象的影响,提高了系统抗干扰能力,确保了在不影响转速 传感器正常工作的情况下准确采集柴油机的转速信号。从光耦的 P_OUT 端口输出的标准脉冲信号进入单片机的 脉冲计数端,经单片机采样、运算处理后可得到柴油机的转速值,并通过网络送往上位机进行显示。

2.2

模拟量输入信号处理电路 柴油机辅助系统(如燃油、滑油、冷却水)的压力和温度信号是反映柴油机工作状况的重要参数,而压力和

温度属于非电物理量,需要通过压力变送器和温度变送器转换为电信号后才能通过接口电路的信号调理变成能被 单片机采集和处理的标准电信号。 根据柴油机的工作特性和数据采集需求,压力信号的采集选用具有 0.1 级精度的扩散硅压阻式压力变送器。 压力变送器输出标准的 0~5V 电压信号,过载能力 150%,自带温度补偿能力,具有高精度、高稳定性和强过载 能力的特点。温度信号的采集选用 Pt100 铂电阻式温度传感器和具有 0.2 级精度的温度变送器,温度变送器将铂 电阻输出的电阻变化量转换为 4~20mA 的电流输出。 由于 STM32 内部 12 位 AD 转换器转换电压范围为 0~3.6V,下位机微控制器电路板上,供给 STM32 的 AD 转换器的参考电压为 3.3V,因此, AD 转换器实际转换的电压范围为 0~3.3V。所以,采集的压力和温度信号经 处理后都应转换为 0~3.3V 的电压信号才能进入 STM32 内部进行 AD 转换。此外,为了提高系统抗干扰能力,在

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模拟量处理电路中加入了二阶低通滤波器对模拟信号进行滤波,以提高测量精度。对于直流电压信号,经过一级 电压跟随器后,再经过电阻分压,然后进入滤波器进行滤波,最后进入 AD 转换器。对于直流电流信号,需要先 经过 IV 变换,再经过电阻分压、滤波器滤波后进入 AD 转换器。模拟量输入信号的处理电路原理如图 3 所示。 R4 A_IN

R9

Ui

+12V

R1 U1 C1

R3

- U1A

R5 R2

+5V

U2

+

-12V U3

i1

0V U4 i 2

R10 R6

R7

- U2A U5

R8

0V

i3

A_OUT

0V

C2 0V

Uo

+

0V C3

图 3 模拟量信号处理电路原理图

如图 3 所示,该模拟量处理电路既可以处理电压信号,也可以处理电流信号。当该电路被用于处理电流信号 时,R1 和 R2 作为 IV 变换器,将电流信号转换为电压信号。当该电路被用于处理电压信号时,R1 和 R2 用作分 压电阻,第一级运放 U1A 为电压跟随器,供电电压为±12V,输出电压范围为±10.5V。当外界输入的电压 A_IN 高于 10.5V 时,则会引起 U2 信号失真。U2 通过 R5 和 R10 再次分压,分压后的 U3 经运放 U2A 处理后的输出 电压 UO 被限定在 3.3V 以内,以满足 STM32 内 AD 转换器的电压要求。 图 3 中,运放 U2A 及其电阻网络构成一个有源二阶低通滤波器[6-8],利用 MATLAB,做出 0.01Hz ~100Hz 区间的伯德图,如图 4 所示。 Bode Diagram

Magnitude (dB)

0

-20

-40

-60

-80 0

Phase (deg)

-45 -90 -135 -180 -2

10

-1

10

0

10

1

10

2

10

Frequency (rad/sec)

图 4 滤波器伯德图

由图 4 可知,该二阶低通滤波器的截止频率约为 1Hz,频率大于 1Hz 时衰减为 40dB/dec,通频带内基本为 一条直线,因此,该滤波器性能良好,能满足数据采集系统模拟量采集处理要求。

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试验结果 本文所设计的数据采集系统研制成功后在某型船上进行了实船试验。由于该型柴油机的各辅助系统(如燃油、

滑油、冷却水)的介质压力由柴油机机带泵产生,因此,各管路内介质的压力随柴油机转速的变化而变化,并反 映柴油机的工作状态。实船试验中数据采集系统准确获取了柴油机启动、加速、稳态运行、减速、停车过程中各 辅助系统管路介质压力、柴油机转速等参数,经数据处理后,其中一组典型的特性曲线如图 5 所示。

转速(r/m in)和压力(M Pa)

转速 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -0.05 0

50

冷却水压力

燃油压力

100 时间(S)

滑油压力

150

200

图 5 某柴油机工作过程中转速和各管路压力随时间变化特性曲线

试验结果分析:从图 5 可见,柴油机启动前,各管路介质有初始静压力。20~40 秒时间内,柴油机盘车,各 管路压力随之变化。从 60 秒开始,柴油机开始启动,随着转速的上升,各管路介质压力随之升高,转速达到Ⅰ 档稳定转速后,各管路内介质压力也趋于稳定。从 130 秒开始,柴油机开始减速停车,随着转速的下降,各管路 内介质的压力也随之降低。从 145 秒开始,滑油压力在下降过程中有一个回升的过程,这是由于此时随着柴油机 转速的下降,机带滑油泵不能满足柴油机润滑供油的需要,系统自动接通了电动滑油泵为柴油机提供滑油的缘故。 试验证明,本文设计的基于 STM32 单片机的数据采集系统采集的数据可实时反映系统参数的变化,满足该 型船用柴油机现场数据采集需求,为柴油机及其辅助系统的状态监测评估乃至故障诊断分析奠定了基础。

4

结论 本文将基于 ARM Cortex-M3 内核的 STM32 单片机应用于某型船柴油机现场数据采集系统的设计,并针对柴

油机及其附属系统待测参数的特点,分别设计了转速脉冲信号处理电路和温度、压力模拟量输入信号处理电路。 将光电耦合隔离技术应用于接口电路的设计,隔离了数据采集系统与被测对象的电气连接,提高了系统的抗干扰 能力,同时避免了数据采集系统与被测对象之间的相互影响。对模拟量输入信号进行了滤波处理,并对设计的滤 波器进行了仿真分析。试验证明,设计研制的数据采集系统工作稳定、可靠,能快速准确采集到柴油机及其辅助 系统工作过程的相关参数,为基于单片机的现场数据采集系统设计提供了一种可靠有效的模式。

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【作者简介】 潘兴隆(1983-),男,汉族,博士研究生,研究方向,控制理论,机舱自动化及故障诊断。 Email:paxilo52@tom.com。

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