基于CPLD的船舶轴系振动测量分析仪的研究

　　引言

　　通过对船舶轴系振动信号进行精确测量分析,可以为测量人员提供清晰明确的分析数据和图形,从而进行危险预报、故障诊断等。

　　本文采用精度较高,使用较广泛的光电编码器采集扭振信号、电涡流传感器采集纵振信号,使用脉冲填充法提高信号采集精度,并利用CPLD进行计数、锁存来提高系统的集成度,设计了一个适用性强的高精度船舶轴系振动测量系统。

　　1 测量原理

　　1.1 扭振信号测量原理

　　轴转动的平均转速和振动角速度分别用V(rad/s)和ω(rad/s)表示,假设轴旋转一周传感器输出N个脉冲,脉冲间隔为Ti(s)。则 有

　　可见,振幅与齿脉冲间隔时间直接相关。增加齿脉冲数可提高轴振动振幅的测量精度,但这要受到光栅或轮齿Z的限制。为此,采用填充脉冲法来扩展齿脉冲的数量以达到高精度测量V和Ti的目的。

　　假设填充脉冲的周期为τ,则每个齿脉冲间隔时间内填充的脉冲数ni为 n = T /t。轴的扭振振幅变为:

　　通过脉冲填充法,信号采集理论误差可降到△≤0.0001%。

　　1.2 纵向振动测量原理

　　电涡流传感器将纵振的线位移转换成与其成正比的模拟电压信号输出。输出信号通过滤波、A/D转换,再传送到CPLD进行计数处理。

　　2 硬件实现

　　硬件实现电路如图2所示。

　　扭振信号由传感器采集后通过MAX985滤波整形送到CPLD进行计数、锁存、处理。纵振信号由传感器采集后经滤波器MAX293进行滤波,然后采用MAX126进行A/D转换。

　　CPLD器件采用 EMP7128,它具有高阻抗、电可擦写等特点,内部可用门单元为2500个,内部设计计数器的最高工作频率可达178.6MHz。可以实现脉冲填充、计数、锁存、显示控制等功能。单片机采用PIC16F74,对 CPLD进行控制并驱动 USB接口与 PC机进行通信和数据传输。LCD显示屏可显示转速、时域波形和频谱图形,以方便测量人员监测。同时,系统通过USB接口可与PC机相连可有效提高数据传输的速度且具有通用性。

　　3 系统软件设计

　　系统上电后,单片机控制系统进行初始化。然后CPLD利用内部晶振对采集的信号填充脉冲,在进行计数、锁存并输送到FLASH中。单片机程序由汇编语言编辑。CPLD设计程序由VHDL语言编写。

　　4 结语

　　利用脉冲填充法使系统采集信号精度得到提高,使用CPLD进行信号处理提高仪器快速性,USB接口增强了仪器与电脑的连接。所设计轴系振动测量仪器可精确测量船舶轴系扭振与纵振信号。并可通过LCD显示时域、频域图形,方便轴系振动的实时监测分析。