CN203069611U - 基于fpga的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置 - Google Patents

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杨建国
胡闹
余永华
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Abstract

本实用新型是一种基于FPGA***的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置，该装置由传感器、FPGA***和计算机组成，其中：所述传感器安装在柴油机的自由端，分别用来测量上止点信号和曲轴转角信号，该传感器的输出端通过电缆与FPGA***相连；所述FPGA***，安装在柴油机机旁，由信号调理模块、FPGA芯片、LCD显示模块、扩展SDRAM模块和CAN通信模块组成，该FPGA***的输出端与计算机相连；所述计算机采用工控机。本实用新型具有结构简单、体积小、成本低且升级方便等优点。

Description

基于FPGA的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置
技术领域
本实用新型涉及瞬时转速在线监测，特别是一种基于FPGA的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置。 
背景技术
柴油机的瞬时转速信号蕴涵有与柴油机燃烧和机械运动状态相关的丰富信息，转速的波动反映了柴油机工作循环内各缸做功的均匀性。由于非接触式转速传感器具有安装简单、使用方便、性能可靠和寿命长的特点，利用瞬时转速信号在线监测柴油机运行状态的故障诊断技术，是近年来发展趋于成熟、最具实用价值的柴油机故障诊断技术之一。 
现有的船舶柴油机瞬时转速在线监测***，由高速采集设备和计算机共同完成或由单片机***来完成。高速数据采集设备使得瞬时转速监测***成本高、体积大；单片机***外部扩展多，数据处理能力较小，难以满足高速采集和处理要求，且升级不便。 
因此，有必要开发一种采集精度高、体积小、成本低且升级方便的船舶柴油机瞬时转速在线监测***。 
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于FPGA的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置，以克服现有技术存在的问题。 
本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：由传感器、FPGA***和计算机组成，所述传感器安装在柴油机的自由端，分别用来测量上止点信号和曲轴转角信号，该传感器的输出端通过电缆与FPGA***相连；所述FPGA***，安装在柴油机机旁，由信号调理模块、FPGA芯片、LCD显示模块、扩展SDRAM模块和CAN通信模块组成，该FPGA***的输出端与计算机相连；所述计算机采用工控机。 
所述传感器可以采用型号为SZMB-18-5型的磁电式转速传感器。 
所述FPGA***可以采用型号为EP2C8Q208C8N的芯片。 
所述EP2C8Q208C8N的芯片可以通过其IO引脚与***扩展部件相连，***扩展部件包括LCD显示模块、扩展SDRAM模块和CAN通信模块，其中：LCD显示模块采用型号为NS320240B的液晶；SDRAM模块采用型号为HY57V641620ETP-7的芯片；CAN通信模块中CAN控制器采用型号为MCP2515的芯片、CAN收发器采用型号为TJA1050的芯片。 
所述信号调理模块可以由限幅电路、电压跟随器和电压比较器组成，其中：所述限幅电路，其输入端与传感器输出端相连；所述电压跟随器，其输入端与限幅电路的输出端相连；所述电压比较器，其输入端与电压跟随器的输出端相连，其输出端与FPGA***的IO引脚直接相连。 
电压跟随器可以采用型号为OP27GS的运算放大器。 
本实用新型可以采用型号为LM311的电压比较器。 
本实用新型与现有技术相比，主要有以下的优点： 
1. 信号调理模块能将各种传感器输出信号调理成标准的LVTTL信号，从而扩大了***的适用范围。
2. 主处理器采用FPGA芯片，其内部有8256个逻辑单元，通过调理后的上止点信号和曲轴转角信号的上升沿中断触发FPGA对高频时钟进行计数，处理速度和实时性好。外部扩展有8M bit的SDRAM，能满足大容量数据采集缓存要求。 
3. 在FPGA芯片上完成瞬时转速数据的去畸变点滤波、齿平均和周期平均处理，并在液晶上显示出瞬时转速波形。 
4. FPGA***可方便的置于机旁，满足实船条件下的瞬时转速在线监测要求。 
附图说明
图1是基于FPGA的船舶柴油机瞬时转速监测***结构图。 
图2是基于FPGA的船舶柴油机瞬时转速监测***工作过程图。 
图3是基于FPGA的船舶柴油机瞬时转速监测***数据采集流程图。 
图4是基于FPGA的船舶柴油机瞬时转速监测***采集的瞬时转速波形图。 
图5为本实用新型采集的瞬时转速波形图
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步说明。 
本实用新型涉提供的基于FPGA的船舶柴油机瞬时转速在线监测***，其结构如图1所示。该***由传感器、FPGA***和计算机组成。所述传感器采用磁电式转速传感器，安装在柴油机的自由端，分别用来测量上止点信号和曲轴转角信号；它的输出端通过电缆与FPGA***相连。所述FPGA***，安装在柴油机机旁，由信号调理模块、FPGA芯片、LCD显示模块、扩展SDRAM模块和CAN通信模块组成；它的输出端与计算机相连。磁电式转速传感器输出的上止点信号和曲轴转角信号经FPGA***内部信号调理模块，调理成标准LVTTL信号，并与FPGA芯片进行接口，FPGA芯片通过对高频晶振脉冲计数完成柴油机瞬时转速的采集，将采集到的原始计数数据和计算出的瞬时转速数据暂存至***扩展的SDRAM中，并在LCD液晶上显示出处理后的瞬时转速波形，同时通过CAN通信将处理后瞬时转速数据传输至上位计算机。 
所述信号调理模块由信号调理模块由限幅电路、电压跟随器和电压比较器组成，其中：所述限幅电路，采用采用两个开关二极管IN4148组成，其输入端与传感器输出端相连；所述电压跟随器，由型号为OP27GS的运算放大器组成，其输入端与限幅电路的输出端相连，输出端与电压比较器相连；所述电压比较器，采用型号为LM311的芯片，将磁电式转速传感器输出的类正弦信号调理成标准LVTTL信号，其输入端与电压跟随器的输出端相连，其输出端与FPGA的IO引脚直接相连。 
FPGA***工作流程图如图2所示，主要由四个模块组成，分别为瞬时转速数据采集模块、数据处理模块、LCD320240液晶显示模块和CAN通信传输数据模块等。FPGA芯片采集瞬时转速数据并经过处理后控制LCD320240液晶显示屏显示出瞬时转速波形，同时通过CAN通信方式将处理后的瞬时转速数据传输至上位机中，进行深入分析诊断。 
FPGA***以调理后的上止点信号上升沿为开始信号，以调理后的曲轴转角信号上升沿触发FPGA对100M高频时钟脉冲信号进行计数，直到下一个曲轴转角信号上升沿为止，依次计算出相邻两个曲轴转角信号脉宽的时间计数值，从而计算出柴油机的瞬时转速。软件开发采用SOPC技术来进行，其中对100M高频时钟脉冲的精确计数采用定时器设备驱动 
Timestamp来实现。瞬时转速采集计算流程如图3所示。首先等待上止点信号中断，在上止点信号中断中启动Timestamp并屏蔽上止点中断，之后等待曲轴转角信号中断，每进入一次曲轴转角信号中断则获取一次Timestamp值，若采集完10个柴油机周期瞬时转速数据则结束采集，并屏蔽曲轴转角信号中断，FPGA根据计数值之差计算出柴油机的瞬时转速，并进行相关处理。为了避免计数累积误差，采用不清零连续计数模式，所记录的相继两个Timestamp计数值的差值即为 
Figure DEST_PATH_IMAGE002
曲轴转角时间内的瞬时转速计数值。
所述上位计算机，采用Lab VIEW软件编写程序接收CAN传输过来的瞬时转速数据并进行数据存储和进一步的处理诊断。其工作过程如图4所示，首先接收FPGA***传输过来的瞬时转速数据，进行瞬时转速波动率计算分析，储存原始瞬时转速数据及计算出的参数，同时进行故障诊断，若有故障则报警并给出建议，若无故障，则进行下一帧数据分析。 
图5为本实用新型采集的瞬时转速波形图，测试对象为MAN 6L1624型柴油机，工况为转速1000r/min下的75%负荷。 
本实用新型提供的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其用于船舶柴油机性能测试，测试时采用包括以下步骤的方法： 
（1）安装传感器，连接电缆，通电后FPGA***进行自检；
（2）自检通过后，在FPGA***中确定柴油机的参数设置，如冲程数、曲轴转角的每转脉冲数等；
（3）FPGA***进行停机判断，若超时10S没有上止点信号和曲轴转角信号触发，则认为柴油机停机，液晶显示柴油机的状态并进入待机状态，等待上止点信号和曲轴转角信号触发；
（4）若柴油机正常运行，FPGA***根据上止点信号和曲轴转角信号触发中断采集瞬时转速数据，并经过去畸变点滤波、齿平均和周期平均处理后通过液晶显示模块显示出瞬时转速波形，同时通过CAN接口将数据传输给上位计算机，传输完毕后，进行下一帧数据采集；
（5）上位计算机接收FPGA***传输过来的瞬时转速数据，进行故障诊断判断，完毕后准备接收下一帧瞬时转速数据，结果输出可以打印，也可以保存在数据库中。

Claims (7)

1.一种船舶柴油机瞬时转速在线监测装置，其特征是一种基于FPGA***的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置，该装置由传感器、FPGA***和计算机组成，其中：所述传感器安装在柴油机的自由端，分别用来测量上止点信号和曲轴转角信号，该传感器的输出端通过电缆与FPGA***相连；所述FPGA***，安装在柴油机机旁，由信号调理模块、FPGA芯片、LCD显示模块、扩展SDRAM模块和CAN通信模块组成，该FPGA***的输出端与计算机相连；所述计算机采用工控机。
2.根据权利要求1所述的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置，其特征是所述传感器采用型号为SZMB-18-5型的磁电式转速传感器。
3.根据权利要求1所述的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置，其特征是所述FPGA***采用型号为EP2C8Q208C8N的芯片。
4.根据权利要求3所述的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置，其特征是所述芯片通过其IO引脚与***扩展部件相连，***扩展部件包括LCD显示模块、扩展SDRAM模块和CAN通信模块，其中：LCD显示模块采用型号为NS320240B的液晶；SDRAM模块采用型号为HY57V641620ETP-7的芯片；CAN通信模块中CAN控制器采用型号为MCP2515的芯片、CAN收发器采用型号为TJA1050的芯片。
5.根据权利要求1所述的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置，其特征是所述信号调理模块由限幅电路、电压跟随器和电压比较器组成，其中：所述限幅电路，其输入端与传感器输出端相连；所述电压跟随器，其输入端与限幅电路的输出端相连；所述电压比较器，其输入端与电压跟随器的输出端相连，其输出端与FPGA***的IO引脚直接相连。
6.根据权利要求5所述的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置，其特征是采用型号为OP27GS的运算放大器组成电压跟随器。
7.根据权利要求5所述的船舶柴油机瞬时转速在线监测装置，其特征是采用型号为LM311的电压比较器。
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