船舶劇烈振動(dòng)除造成結(jié)構(gòu)損壞外，還使船上儀表、設(shè)備破損或失靈，破壞艦艇穩(wěn)定性，影響船上人員的工作效率以及生活舒適性。船舶振動(dòng)的研究離不開對(duì)船舶振動(dòng)的數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過電子傳感器的運(yùn)用來實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶振動(dòng)的有效檢測(cè)[1]。
本研究采用先進(jìn)的加速度傳感器，融合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，改變以往機(jī)械式振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的方式，使產(chǎn)品具有低功耗、便于攜帶、精度高、速度快的特點(diǎn)。
硬件部分設(shè)計(jì)
船舶振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理是，系統(tǒng)通過操作系統(tǒng)來調(diào)度任務(wù)，當(dāng)有檢測(cè)任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)初始化檢測(cè)傳感器，并根據(jù)檢測(cè)方式配置參數(shù)，采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算，并可存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果，LCD顯示精巧的人機(jī)圖形界面。本系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)核心硬件部分為ARM控制器、
加速度傳感器、flash存儲(chǔ)器、鍵盤、液晶顯示和USB接口等。其中加速度傳感器部分采用飛思卡爾公司的MMA7455L來實(shí)現(xiàn)，傳感器部分電路圖如圖2示。
MMA7455L提供I2C和SPI數(shù)字接口，但MMA7455L都應(yīng)作從設(shè)備，當(dāng)CS拉高時(shí)為I2C接口，當(dāng)CS用作從選擇時(shí)為SPI接口。在此系統(tǒng)中采用I2C接口，其從地址是0x1D，支持多字節(jié)讀寫。AVDD典型值為2.8V;DCC_IO典型值為1.8V，考慮到電路與外部接口情況，視CPU的I2C接口電平來選擇DVDD_IO電壓, 若采用開關(guān)電源供電需注意開關(guān)頻率必須大于250Hz以防干擾芯片內(nèi)部ASIC。
MMA7455L測(cè)量模式下會(huì)連續(xù)的測(cè)量三軸加速度，并根據(jù)g-select配置情況對(duì)外提供測(cè)量結(jié)果。當(dāng)測(cè)量轉(zhuǎn)換完成后，DRDY輸出高電平，表明“測(cè)量數(shù)據(jù)已OK”，DRDY狀態(tài)也可在狀態(tài)寄存器(0x09)的DRDY位來監(jiān)測(cè)，DRDY引腳一直保持高電平直到三個(gè)測(cè)量值的其中一個(gè)被讀出，因此可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)被下一個(gè)測(cè)量值覆蓋問題，若下一個(gè)測(cè)量值在前一個(gè)數(shù)據(jù)讀出前就寫入的話，狀態(tài)寄存器的DOVR位會(huì)被置位。在MMA7455L中，g-select由模式控制寄存器(0x16)的2個(gè)GLVL位確定，見表1。內(nèi)部增益控制器根據(jù)所選g來提供不同的測(cè)量靈敏度以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，船舶的振動(dòng)檢測(cè)在MMA7455L中選擇8g范圍即可。
系統(tǒng)其他電路部分設(shè)計(jì)為：微處理器采用三星的S3C44B0X處理器，存儲(chǔ)器為AMD公司的32Mbit(4M×8 Bit)Flash存儲(chǔ)器AM29LV033C，圖形液晶顯示模塊為含控制器T6963C的240×128點(diǎn)陣的SMG240128L，USB的接口電路使用芯片NUF2221W1T2，其它部分電路由于篇幅有限，這里不作詳述。
軟件部分設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)由三大模塊組成，如圖3所示，從底層到上層分別是：數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，GUI人機(jī)交互模塊。
軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有兩個(gè)：一個(gè)是數(shù)據(jù)檢測(cè)采集，主要負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)檢測(cè)、采集和控制;另一個(gè)為采集數(shù)據(jù)的處理及人機(jī)顯示，包括信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，人機(jī)界面負(fù)責(zé)LCD驅(qū)動(dòng)和文字圖形的顯示。操作系統(tǒng)首先通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型對(duì)傳感器進(jìn)行初始化，為傳感器設(shè)置合適的配置參數(shù)，以使設(shè)備能在采集過程中正確工作;上層圖形系統(tǒng)采用嵌入式GUI來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，包括圖形控制面板建立、波形顯示、參考值顯示等。軟件流程如圖4所示。
數(shù)據(jù)采集及處理部分的程序流程如圖5所示。其中檢測(cè)初始化包括檢測(cè)模塊上電，I/O控制端口初始化、加速度傳感器的初始化;加速度傳感器需要零點(diǎn)校準(zhǔn)和自檢測(cè)以滿足精度要求;系統(tǒng)調(diào)用檢測(cè)任務(wù)后，外部中斷打開，等待加速度傳感器的中斷上報(bào)及檢測(cè)數(shù)據(jù)采集。
MMA7455L加速度
傳感器的驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)注意IADDR0接到GND時(shí)其從地址為0x1D，接到DVDD_IO時(shí)其從地址為0x1E;MMA7455L有三種工作模式(測(cè)量模式、水平檢測(cè)模式、脈沖檢測(cè)模式)，在測(cè)量模式下DRDY引腳與INT1共用，數(shù)據(jù)讀取就能將DRDY清除，但在其他兩種模式下INT1和INT2都需要通過寫寄存器來清除。在檢測(cè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，把數(shù)據(jù)緩存到FIFO中，假如FIFO滿了，有DMA控制將FIFO中的所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存當(dāng)中進(jìn)行處理，可完成數(shù)據(jù)信號(hào)顯示和控制，存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)分析。
結(jié)語
本系統(tǒng)利用了微處理器功耗低及電子
傳感器集成度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比好的檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)采集處理，具有功耗低、抗干擾、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)械式船舶振動(dòng)測(cè)試儀的全部功能，并且在體積、重量、精度等方面都有明顯優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品原型已經(jīng)完成系統(tǒng)調(diào)試和模擬測(cè)試，結(jié)果滿足船舶振動(dòng)檢測(cè)的要求。此產(chǎn)品在船舶振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
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