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基于fpga的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置的制作方法

文檔序號:6040243閱讀:409來源:國知局
專利名稱:基于fpga的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型涉及瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測,特別是一種基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)
柴油機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速信號蘊(yùn)涵有與柴油機(jī)燃燒和機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)相關(guān)的豐富信息,轉(zhuǎn)速的波動反映了柴油機(jī)工作循環(huán)內(nèi)各缸做功的均勻性。由于非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器具有安裝簡單、使用方便、性能可靠和壽命長的特點(diǎn),利用瞬時轉(zhuǎn)速信號在線監(jiān)測柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的故障診斷技術(shù),是近年來發(fā)展趨于成熟、最具實(shí)用價值的柴油機(jī)故障診斷技術(shù)之一?,F(xiàn)有的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測系統(tǒng),由高速采集設(shè)備和計算機(jī)共同完成或由單片機(jī)系統(tǒng)來完成。高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備使得瞬時轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)成本高、體積大;單片機(jī)系統(tǒng)外部擴(kuò)展多,數(shù)據(jù)處理能力較小,難以滿足高速采集和處理要求,且升級不便。因此,有必要開發(fā)一種采集精度高、體積小、成本低且升級方便的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置,以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:由傳感器、FPGA系統(tǒng)和計算機(jī)組成,所述傳感器安裝在柴油機(jī)的自由端,分別用來測量上止點(diǎn)信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號,該傳感器的輸出端通過電纜與FPGA系統(tǒng)相連;所述FPGA系統(tǒng),安裝在柴油機(jī)機(jī)旁,由信號調(diào)理模塊、FPGA芯片、IXD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊組成,該FPGA系統(tǒng)的輸出端與計算機(jī)相連;所述計算機(jī)采用工控機(jī)。所述傳感器可以采用型號為SZMB-18-5型的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。所述FPGA系統(tǒng)可以采用型號為EP2C8Q208C8N的芯片。所述EP2C8Q208C8N的芯片可以通過其IO引腳與外圍擴(kuò)展部件相連,外圍擴(kuò)展部件包括IXD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊,其中:IXD顯示模塊采用型號為NS320240B的液晶;SDRAM模塊采用型號為HY57V641620ETP-7的芯片;CAN通信模塊中CAN控制器采用型號為MCP2515的芯片、CAN收發(fā)器采用型號為TJA1050的芯片。所述信號調(diào)理模塊可以由限幅電路、電壓跟隨器和電壓比較器組成,其中:所述限幅電路,其輸入端與傳感器輸出端相連;所述電壓跟隨器,其輸入端與限幅電路的輸出端相連;所述電壓比較器,其輸入端與電壓跟隨器的輸出端相連,其輸出端與FPGA系統(tǒng)的IO引腳直接相連。電壓跟隨器可以采用型號為0P27GS的運(yùn)算放大器。本實(shí)用新型可以采用型號為LM311的電壓比較器。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比,主要有以下的優(yōu)點(diǎn):[0014]1.信號調(diào)理模塊能將各種傳感器輸出信號調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)的LVTTL信號,從而擴(kuò)大了系統(tǒng)的適用范圍。2.主處理器采用FPGA芯片,其內(nèi)部有8256個邏輯單元,通過調(diào)理后的上止點(diǎn)信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號的上升沿中斷觸發(fā)FPGA對高頻時鐘進(jìn)行計數(shù),處理速度和實(shí)時性好。外部擴(kuò)展有8M bit的SDRAM,能滿足大容量數(shù)據(jù)采集緩存要求。3.在FPGA芯片上完成瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的去畸變點(diǎn)濾波、齒平均和周期平均處理,并在液晶上顯示出瞬時轉(zhuǎn)速波形。4.FPGA系統(tǒng)可方便的置于機(jī)旁,滿足實(shí)船條件下的瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測要求。

圖1是基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)工作過程圖。圖3是基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖。圖4是基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)采集的瞬時轉(zhuǎn)速波形圖。圖5為本實(shí)用新型采集的瞬時轉(zhuǎn)速波形圖
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。本實(shí)用新型涉提供的基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由傳感器、FPGA系統(tǒng)和計算機(jī)組成。所述傳感器采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器,安裝在柴油機(jī)的自由端,分別用來測量上止點(diǎn)信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號;它的輸出端通過電纜與FPGA系統(tǒng)相連。所述FPGA系統(tǒng),安裝在柴油機(jī)機(jī)旁,由信號調(diào)理模塊、FPGA芯片、IXD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊組成;它的輸出端與計算機(jī)相連。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的上止點(diǎn)信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號經(jīng)FPGA系統(tǒng)內(nèi)部信號調(diào)理模塊,調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)LVTTL信號,并與FPGA芯片進(jìn)行接口,F(xiàn)PGA芯片通過對高頻晶振脈沖計數(shù)完成柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速的采集,將采集到的原始計數(shù)數(shù)據(jù)和計算出的瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)暫存至系統(tǒng)擴(kuò)展的SDRAM中,并在LCD液晶上顯示出處理后的瞬時轉(zhuǎn)速波形,同時通過CAN通信將處理后瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)傳輸至上位計算機(jī)。所述信號調(diào)理模塊由信號調(diào)理模塊由限幅電路、電壓跟隨器和電壓比較器組成,其中:所述限幅電路,采用采用兩個開關(guān)二極管IN4148組成,其輸入端與傳感器輸出端相連;所述電壓跟隨器,由型號為0P27GS的運(yùn)算放大器組成,其輸入端與限幅電路的輸出端相連,輸出端與電壓比較器相連;所述電壓比較器,采用型號為LM311的芯片,將磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的類正弦信號調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)LVTTL信號,其輸入端與電壓跟隨器的輸出端相連,其輸出端與FPGA的IO引腳直接相連。FPGA系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示,主要由四個模塊組成,分別為瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、IXD320240液晶顯示模塊和CAN通信傳輸數(shù)據(jù)模塊等。FPGA芯片采集瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并經(jīng)過處理后控制LCD320240液晶顯示屏顯示出瞬時轉(zhuǎn)速波形,同時通過CAN通信方式將處理后的瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)中,進(jìn)行深入分析診斷。FPGA系統(tǒng)以調(diào)理后的上止點(diǎn)信號上升沿為開始信號,以調(diào)理后的曲軸轉(zhuǎn)角信號上升沿觸發(fā)FPGA對IOOM高頻時鐘脈沖信號進(jìn)行計數(shù),直到下一個曲軸轉(zhuǎn)角信號上升沿為止,依次計算出相鄰兩個曲軸轉(zhuǎn)角信號脈寬的時間計數(shù)值,從而計算出柴油機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速。軟件開發(fā)采用SOPC技術(shù)來進(jìn)行,其中對100M高頻時鐘脈沖的精確計數(shù)采用定時器設(shè)備驅(qū)動Timestamp來實(shí)現(xiàn)。瞬時轉(zhuǎn)速采集計算流程如圖3所示。首先等待上止點(diǎn)信號中斷,在上止點(diǎn)信號中斷中啟動Timestamp并屏蔽上止點(diǎn)中斷,之后等待曲軸轉(zhuǎn)角信號中斷,每進(jìn)入一次曲軸轉(zhuǎn)角信號中斷則獲取一次Timestamp值,若采集完10個柴油機(jī)周期瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)則結(jié)束采集,并屏蔽曲軸轉(zhuǎn)角信號中斷,F(xiàn)PGA根據(jù)計數(shù)值之差計算出柴油機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速,并進(jìn)行相關(guān)處理。為了避免計數(shù)累積誤差,采用不清零連續(xù)計數(shù)模式,所記錄的相繼兩個Timestamp計數(shù)值的差值即為細(xì)曲軸轉(zhuǎn)角時間內(nèi)的瞬時轉(zhuǎn)速計數(shù)值。所述上位計算機(jī),采用Lab VIEW軟件編寫程序接收CAN傳輸過來的瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和進(jìn)一步的處理診斷。其工作過程如圖4所示,首先接收FPGA系統(tǒng)傳輸過來的瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),進(jìn)行瞬時轉(zhuǎn)速波動率計算分析,儲存原始瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)及計算出的參數(shù),同時進(jìn)行故障診斷,若有故障則報警并給出建議,若無故障,則進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)分析。圖5為本實(shí)用新型采集的瞬時轉(zhuǎn)速波形圖,測試對象為MAN 6L1624型柴油機(jī),工況為轉(zhuǎn)速1000r/min下的75%負(fù)荷。本實(shí)用新型提供的船舶柴油機(jī)示功圖便攜式測試控制器,其用于船舶柴油機(jī)性能測試,測試時采用包括以下步驟的方法:(I)安裝傳感器,連接電纜,通電后FPGA系統(tǒng)進(jìn)行自檢;(2)自檢通過后,在FPGA系統(tǒng)中確定柴油機(jī)的參數(shù)設(shè)置,如沖程數(shù)、曲軸轉(zhuǎn)角的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)等;(3)FPGA系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)判斷,若超時IOS沒有上止點(diǎn)信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號觸發(fā),則認(rèn)為柴油機(jī)停機(jī),液晶顯示柴油機(jī)的狀態(tài)并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),等待上止點(diǎn)信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號觸發(fā);(4)若柴油機(jī)正常運(yùn)行,F(xiàn)PGA系統(tǒng)根據(jù)上止點(diǎn)信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號觸發(fā)中斷采集瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),并經(jīng)過去畸變點(diǎn)濾波、齒平均和周期平均處理后通過液晶顯示模塊顯示出瞬時轉(zhuǎn)速波形,同時通過CAN接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位計算機(jī),傳輸完畢后,進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)米集;(5)上位計算機(jī)接收FPGA系統(tǒng)傳輸過來的瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),進(jìn)行故障診斷判斷,完畢后準(zhǔn)備接收下一幀瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),結(jié)果輸出可以打印,也可以保存在數(shù)據(jù)庫中。
權(quán)利要求1.一種船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置,其特征是一種基于FPGA系統(tǒng)的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置,該裝置由傳感器、FPGA系統(tǒng)和計算機(jī)組成,其中:所述傳感器安裝在柴油機(jī)的自由端,分別用來測量上止點(diǎn)信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號,該傳感器的輸出端通過電纜與FPGA系統(tǒng)相連;所述FPGA系統(tǒng),安裝在柴油機(jī)機(jī)旁,由信號調(diào)理模塊、FPGA芯片、IXD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊組成,該FPGA系統(tǒng)的輸出端與計算機(jī)相連;所述計算機(jī)采用工控機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置,其特征是所述傳感器采用型號為SZMB-18-5型的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置,其特征是所述FPGA系統(tǒng)采用型號為EP2C8Q208C8N的芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置,其特征是所述芯片通過其IO引腳與外圍擴(kuò)展部件相連,外圍擴(kuò)展部件包括LCD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊,其中:IXD顯示模塊采用型號為NS320240B的液晶;SDRAM模塊采用型號為HY57V641620ETP-7的芯片;CAN通信模塊中CAN控制器采用型號為MCP2515的芯片、CAN收發(fā)器采用型號為TJA1050的芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置,其特征是所述信號調(diào)理模塊由限幅電路、電壓跟隨器和電壓比較器組成,其中:所述限幅電路,其輸入端與傳感器輸出端相連;所述電壓跟隨器,其輸入端與限幅電路的輸出端相連;所述電壓比較器,其輸入端與電壓跟隨器的輸出端相連,其輸出端與FPGA系統(tǒng)的IO引腳直接相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置,其特征是采用型號為0P27GS的運(yùn)算放大器組成電壓跟隨器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置,其特征是采用型號為LM311的電壓比較器。
專利摘要本實(shí)用新型是一種基于FPGA系統(tǒng)的船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測裝置,該裝置由傳感器、FPGA系統(tǒng)和計算機(jī)組成,其中所述傳感器安裝在柴油機(jī)的自由端,分別用來測量上止點(diǎn)信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號,該傳感器的輸出端通過電纜與FPGA系統(tǒng)相連;所述FPGA系統(tǒng),安裝在柴油機(jī)機(jī)旁,由信號調(diào)理模塊、FPGA芯片、LCD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊組成,該FPGA系統(tǒng)的輸出端與計算機(jī)相連;所述計算機(jī)采用工控機(jī)。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低且升級方便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01P3/44GK203069611SQ20122069789
公開日2013年7月17日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者楊建國, 胡鬧, 余永華 申請人:武漢理工大學(xué)
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