Single-chip microcomputer-based measuring of engine vibration　 speed、displacement and acceleration

Abstract: This paper presents a measuring method of engine vibration speed、displacement and acceleration。At first the signal from vibration senor of engine was filtered by low-pass and high-pass filters, then changed into voltage signal through a analog switch , measured by RMS and changed into frequency signal again through VFC。 The frequency signal was counted and displayed by the single-chip microcomputer. Integrating the vibration speed, we can get vibration displacement and differentiating it we can get vibration acceleration. The result indicates that this method can reduce the effects of environment and improve the precision of measuring.

Keywords: single-chip microcomputer? vibration speed? vibration displacement vibration acceleration

摘要：本文介紹了一種基于單片機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)速度、位移和加速度測量方法。該方法首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)傳感器信號(hào)進(jìn)行高、低通濾波，然后通過模擬開關(guān)將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)過RMS幅值測量元件和壓頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成頻率信號(hào)，由單片機(jī)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)、計(jì)算和顯示測量結(jié)果。對(duì)振動(dòng)速度進(jìn)行積分和微分，可得到振動(dòng)位移和加速度，實(shí)測結(jié)果表明，該方法可以有效地減少環(huán)境因素對(duì)電子元件的影響，提高測量精度。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)　振動(dòng)速度　振動(dòng)位移　振動(dòng)加速度

1 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，對(duì)振動(dòng)的監(jiān)控具有重要的作用，它可以有效的分析發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況，同時(shí)振動(dòng)值也是發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)定的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，而如何正確測量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)參數(shù)，如振動(dòng)的速度，位移和加速度也就成為了一個(gè)重要的研究內(nèi)容。本文即從此方向入手，進(jìn)行一種方法的論述與實(shí)現(xiàn)。

2　測量原理分析

由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)速度傳感器輸出的頻率信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)速度成正比，可采用頻率測量法，即通過測量發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器的輸出頻率來得到相應(yīng)的振動(dòng)速度。同時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)形成機(jī)理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，傳感器的輸出頻率中混雜有高頻和低頻噪聲信號(hào)，為了提高測量精度，必須將其過濾掉，因此首先對(duì)得到的振動(dòng)速度信號(hào)進(jìn)行放大和高、通濾波處理。振動(dòng)的速度、位移和加速度信號(hào)之間存在著一定的關(guān)系，將濾波后的振動(dòng)速度信號(hào)經(jīng)過積分，可得到振動(dòng)位移信號(hào)，經(jīng)過微分，可得到振動(dòng)的加速度信號(hào)。為了提高測量的準(zhǔn)確性，通過模擬開關(guān)和RMS幅值測量元件將上述信號(hào)轉(zhuǎn)化為0-5伏的電壓信號(hào)，再經(jīng)過VFC轉(zhuǎn)化芯片，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，這樣可得到非常穩(wěn)定的頻率信號(hào)，然后輸入到單片機(jī)T0引腳進(jìn)行計(jì)數(shù)。

脈沖頻率的計(jì)數(shù)由單片機(jī)內(nèi)部16位計(jì)數(shù)器完成，計(jì)數(shù)的閘門時(shí)間(時(shí)基)由晶振提供，此設(shè)計(jì)中還利用了數(shù)字濾波技術(shù)來提高轉(zhuǎn)速的測量精度和測量穩(wěn)定性。

在設(shè)計(jì)中，為了提高系統(tǒng)的維護(hù)性，增加了自校功能，將選擇開關(guān)打到“自校”時(shí)，由頻率信號(hào)給定器給出頻率信號(hào)送入系統(tǒng)中，通過看輸出結(jié)果來決定是否進(jìn)行校正。同時(shí)為了方便使用，加入靈敏度系數(shù)調(diào)整機(jī)制，并在每次系統(tǒng)開機(jī)后自動(dòng)由E2PROM加載到系統(tǒng)的內(nèi)存RAM中，在調(diào)整了靈敏度值、系統(tǒng)關(guān)機(jī)或突然斷電的時(shí)候，會(huì)由中斷程序?qū)?dāng)前靈敏度值保存到E2PROM中，方便下次的使用(見圖2主程序流程圖)。為了保證系統(tǒng)的可靠性，看門狗電路也是不可少的。

3　具體實(shí)現(xiàn)

3.1 　測量振動(dòng)量

根據(jù)上面的分析，進(jìn)行硬件的設(shè)置，繪制測量系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1　總體框圖

通過速度傳感器得到振動(dòng)速度信號(hào)后，進(jìn)行放大和高、低通濾波處理。濾波后，分為三路，一路經(jīng)過運(yùn)放匹配電路，得到振動(dòng)速度信號(hào)，一路經(jīng)過積分電路，得到振動(dòng)位移信號(hào)，一路經(jīng)過微分電路，得到振動(dòng)的加速度信號(hào)。三種信號(hào)經(jīng)過測量選擇開關(guān)的選擇，將欲測量的一路信號(hào)通過模擬開關(guān)，輸送到RMS幅值測量元件AD637中，將其轉(zhuǎn)化為0-5伏的電壓信號(hào)，再經(jīng)過VFC轉(zhuǎn)化芯片，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，然后輸入到單片機(jī)T0引腳進(jìn)行計(jì)數(shù)。

MCS－51系列單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置了兩個(gè)16位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，它們具有計(jì)數(shù)器和定時(shí)器兩種工作方式和四種工作模式，通過設(shè)置狀態(tài)字，可以方便的選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞脚c工作模式；同時(shí)，單片機(jī)設(shè)有兩個(gè)外部中斷，相應(yīng)信號(hào)輸入引腳是INT0和INT1，用于輸入外部中斷源的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在此，采用計(jì)數(shù)器T0的16位計(jì)數(shù)模式，用于對(duì)輸入頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)，T1采用定時(shí)方式，定時(shí)時(shí)間為0.1s，4次定時(shí)0.4s，在中斷服務(wù)程序中讀取T0內(nèi)容并計(jì)算和顯示振動(dòng)值,具體見圖4，T1中斷服務(wù)程序流程圖(可根據(jù)DIP開關(guān)選擇濾波系數(shù)和顯示刷新率)。顯示值由P3口的低四位輸出百位顯示數(shù)據(jù)，由P2口的高四位輸出十位顯示數(shù)據(jù)，P2口的低四位輸出個(gè)位顯示數(shù)據(jù)。分別驅(qū)動(dòng)14513進(jìn)行顯示。

3.2? 調(diào)整開關(guān)

靈敏度系數(shù)調(diào)節(jié)通過INT1來完成，如圖1所示的粗調(diào)或細(xì)調(diào)信號(hào)由一個(gè)開關(guān)按鈕產(chǎn)生，即按下按鈕后產(chǎn)生一個(gè)邏輯低電平信號(hào)，此信號(hào)在送往INT1引腳并引起中斷的同時(shí)，也送到P1的高四位，這樣，擴(kuò)展了中斷源的判斷信息，在INT1的中斷服務(wù)程序中，同時(shí)對(duì)相應(yīng)的P1口的引腳信號(hào)進(jìn)行判斷，進(jìn)而執(zhí)行不同的處理程序，詳見圖5，INT1中斷服務(wù)程序。同時(shí)，對(duì)調(diào)節(jié)后的靈敏度值進(jìn)行邊界條件的判斷，即最大值與最小值的判斷。若進(jìn)行粗調(diào)或細(xì)調(diào)后所得到的靈敏度系數(shù)為0或大于999，則系統(tǒng)認(rèn)為是不合法(在第一次上電時(shí)的情況)，重置為200，然后閃爍顯示4～5次。

3.3　存儲(chǔ)模塊

在INT0中斷中完成斷電保存靈敏度系數(shù)SENS的工作，SENS分兩字節(jié)保存，SENS_H存貯于24C04的020H; SENS_L存貯于021H單元，因?yàn)镸CS－51系列單片機(jī)中沒有內(nèi)置的I2C接口，所以，采用軟件模擬硬件電路信號(hào)的方法，用P3口的兩個(gè)引腳來當(dāng)作SDA，SCL信號(hào)線，接口信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系：SDA對(duì)應(yīng)P3.0，SCL對(duì)應(yīng)P3.1引腳。程序流程見圖3 INT0中斷。

3.4　看門狗電路

單片機(jī)在不讀取片外的擴(kuò)展芯片時(shí)，ALE引腳輸出一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，看門狗電路的頻率信號(hào)即取自此引腳，該信號(hào)經(jīng)過兩片CD4020分頻后，送到RESET復(fù)位引腳，而CD4020的RESET信號(hào)由T1引腳階段性輸出，當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，有意識(shí)地階段性地用指令給T1引腳置低電平，因此在T1引腳不斷的送出復(fù)位信號(hào)，此信號(hào)不斷地對(duì)CD4020的計(jì)數(shù)進(jìn)行清除，所以永遠(yuǎn)達(dá)不到對(duì)單片機(jī)的復(fù)位的計(jì)數(shù)信號(hào)要求。當(dāng)程序走飛時(shí)，因?yàn)椴荒苷５貓?zhí)行程序，所以T1引腳不能送出復(fù)位信號(hào)，不能對(duì)CD4020進(jìn)行復(fù)位，因此，當(dāng)計(jì)時(shí)到一定時(shí)間時(shí)，就會(huì)有復(fù)位信號(hào)送到單片機(jī)的RESET復(fù)位引腳，使系統(tǒng)強(qiáng)制復(fù)位，程序從0000H重新開始執(zhí)行，系統(tǒng)回到正確運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行信號(hào)的測量與正常顯示。

3.5　 濾波系數(shù)和顯示刷新率

因?yàn)椴捎昧藬?shù)字濾波技術(shù)，為了調(diào)整濾波系數(shù)和顯示的刷新率，以滿足不同要求，在P1口加了一個(gè)濾波系統(tǒng)設(shè)置裝置，即一個(gè)DIP開關(guān)，將其撥到“ON”位置，則接＋5V電壓，此時(shí)讀取引腳時(shí)得到邏輯1信號(hào)，將其撥到“OFF”位置，則接地，此時(shí)讀取引腳時(shí)得到邏輯0信號(hào)，由此可根據(jù)DIP開關(guān)選擇濾波系數(shù)和顯示刷新率。

3.6　程序流程

圖2　主程序???????????????????????? ?圖3 INT0中斷???????????????圖4　T1中斷服務(wù)程序

3.7? 操作面板設(shè)計(jì)

在操作面板中，設(shè)計(jì)一個(gè)3位顯示窗，用于顯示發(fā)動(dòng)機(jī)測得的振動(dòng)測量值；一個(gè)“測量/自校”開關(guān)，用于系統(tǒng)的測量與自校準(zhǔn)模式的選擇，可選擇“自校”方式，進(jìn)行儀器自我檢驗(yàn)，打到“測量”，則進(jìn)行系統(tǒng)的測量。一個(gè)三檔測量選擇開關(guān)，用于選擇測量并顯示的是振動(dòng)的速度，位移還是加速度值，粗調(diào)或細(xì)調(diào)信號(hào)開關(guān)按鈕可采用觸摸開關(guān)設(shè)計(jì)，電源插座和開關(guān)放在儀器的背面。

圖5　INT1中斷服務(wù)程序

4　結(jié)束語

本系統(tǒng)基于單片機(jī)完成發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)速度、位移和加速度信號(hào)的測量，因?yàn)椴捎昧薘MS幅值測量和VFC轉(zhuǎn)換，提高了測量的精度、準(zhǔn)確性和工作效率。系統(tǒng)中設(shè)置有靈敏度調(diào)整，可以根據(jù)實(shí)際工作情況調(diào)整，并在調(diào)整完成后關(guān)機(jī)或是系統(tǒng)斷電時(shí)自動(dòng)保存到E2PROM，方便用戶的使用。同時(shí)系統(tǒng)中設(shè)置有看門狗復(fù)位電路，能夠自動(dòng)監(jiān)控程序的運(yùn)行，在系統(tǒng)走飛死機(jī)時(shí)可自動(dòng)復(fù)位，重新進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，提高了可靠性，可由DIP開關(guān)選擇濾波系數(shù)和顯示刷新率，以滿足不同要求。本系統(tǒng)已經(jīng)投入到實(shí)際的測量應(yīng)用當(dāng)中，并被證明可完全滿足實(shí)際工作要求。

5　參考文獻(xiàn)

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作者簡介：王育虔(1980—)，男，湖南隆回人，空軍工程大學(xué)工程學(xué)院航空宇航推進(jìn)系統(tǒng)理論與工程專業(yè)，2003級(jí)碩士研究生；研究方向：航空推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷

通訊地址：西安空軍工程大學(xué)工程學(xué)院研究生二隊(duì)? 郵??? 編：710038

總結(jié)

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