专利名称：船舶柴油机示功图便携式测试控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及控制器，特别是一种船舶柴油机示功图便携式测试控制器。
背景技术：
柴油机示功图蕴含着与柴油机性能相关的丰富信息，是轮机工程技术人员进行柴油机性能监测与诊断最重要手段之一，船舶柴油机设有气缸压力测量通道用于测量示功图监测缸内工作状态。目前船舶柴油机主要测量最大爆发压力，但这并不能完全反映缸内工作过程，难于分析缸内状态。现有的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，由可编程控制器(PLC)和高速数据采集设备共同完成或由8位单片机系统完成。PLC使得便携式测试控制器设备繁多，可靠性下降，成本高；8位单片机的内部资源少，外部扩展多，系统集成度低，数据传输距离短，数据存储方式不灵活。所以现有的便携式测试控制器系统复杂，只能对调理好的气缸压力信号进行采集控制，测试时需要与计算机相接，数据存储不便。因此，有必要开发一种集成度更高、使用更便携、数据存储更方便、传输距离更远的新型便携式测试控制器。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种船舶柴油机示功图便携式测试控制器，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供电单元和硬件单元组成。供电单元由电源芯片和多个电源组成。硬件单元主要由电荷放大器、精密分压电路、电压跟随器、继电器和单片机组成，其中所述电荷放大器，其输入端与电荷型气缸压力传感器的输出端直接相连，其输出端与精密分压电路的输入端相连；所述电压跟随器，其输入端与精密分压电路的输出端相连，其输出端与单片机内部12位高速AD的模拟输入端相连；所述继电器，其输入控制引脚与单片机相连，其输出与电荷放大器的控制端相连；所述单片机，其两个中断引脚直接与信号调理模块的输出端相连。所述电荷放大器可以采用型号为Kistler 5040A24的电荷放大器。所述单片机可以采用型号为STM32F103VCT6的单片机；该单片机内部AD使用的 2. 5V超高精度外部电压基准芯片，其型号为MAX6033AAUT。所述单片机通过其IO引脚与外围扩展部件相连，该外围扩展部件包括1602工业字符型液晶、矩阵键盘、SD卡、RS485通信模块和LED指示灯，其中RS485通信芯片的型号为 SP3485。所述电压跟随器可以采用型号为0P27GS的高精度运算放大器。所述继电器可以采用型号为G6S-2-Y的继电器。所述信号调理模块可以由限幅电路、电压比较器和磁耦数字隔离器组成，其中所述限幅电路，其输入端与光电编码器或磁电式转速传感器输出端相连；所述电压比较器，其输入端与限幅电路的输出端相连；所述磁耦数字隔离器，其输入端与电压比较器的输出端相连，其输出端与单片机的中断引脚直接相连。所述电压比较器可以采用型号为LM393的电压比较器。所述磁耦数字隔离器可以采用型号为ADUM5400的磁耦数字隔离器。本实用新型与现有技术相比，主要有以下的优点1.信号调理模块使用磁耦数字隔离，能有效的抑制干扰并保护与其接口的便携式测试控制器安全。2.主处理器采用32位高性能单片机，其内部自带12位高速AD，抗干扰性好；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控制对气缸压力信号进行等曲轴转角采集，采集数据量小且处理速度和实时性好。3.便携式测试控制器集成度高，外围设备数量少，内部集成电荷型气缸压力传感器的电荷放大器和使电荷放大器输出信号更好的与后级电路进行阻抗匹配的电压跟随器。4.为避免电荷放大器因长时间工作产生的漂移，内部设有继电器，通过单片机控制继电器的通断来控制电荷放大器的工作状态，实现采集前开启电荷放大器，采集结束后电荷放大器复位。5.采集的气缸压力数据存储灵活，既可通过RS485串口通信数据线发送到上位计算机，又可以文本形式保存至便携式测试控制器内置SD卡中。6.在便携式测试控制器上进行气缸压力信号的准周期平均，减小了数据量。总之，本实用新型提供的船舶柴油机示功图便携式测试控制器具有结构简单、集成度高、测试数据存储方便，能适用于远距离传输等优点。
图1是船舶柴油机示功图便携式测试控制器的结构图。图2是图1中的信号调理模块结构图。图3是船舶柴油机示功图便携式测试控制器的工作过程图。图4是船舶柴油机示功图便携式测试控制器采集的示功图。
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。本实用新型提供的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其结构如图1所示由便携式测试控制器供电单元和便携式测试控制器硬件单元组成。该船舶柴油机示功图便携式测试控制器共有1路模拟信号输入、2路数字信号输入、1路RS485通信端口和士 12VDC电源输入。其中1路模拟输入与电荷型气缸压力传感器的输出直接相连；2路数字信号输入与调理成标准TTL信号并经磁耦数字隔离后的上止点和曲轴转角信号相连。便携式测试控制器内部32位单片机根据调理后的上止点信号和曲轴转角信号中断触发控制对气缸压力信号进行等曲轴转角采集，并自动进行准周期平均，采集点数根据设定的准周期数自动确定。 若选择RS485串口通信方式，采集的气缸压力数据通过RS485串口通信数据线发送到计算机中；若选择SD卡方式，数据以文本形式存储至便携式测试控制器内置SD卡中。所述便携式测试控制器供电单元，其结构如图1所示，由电源芯片和多个电源组成。其中外部输入的+12V与电源1的输入端直接相连，外部输入的-12V与电源2的输入端直接相连。所述电源1，其一个输出端与隔离电源模块WRA1212ZP-3w相连，获得电源6 ； 另一输出端与电源芯片LM2575S-5相连，获得电源3。所述电源3，其一个输出端与电源芯片ASMl 117相连，获得电源4 ；其另一个输出端与电源芯片MAX6033AAUT相连，获得电源5。上述六个电源，电源1为+12V，电源2为-12V，电源3为+5V，电源4为+3. 3V，电源5为+2. 5V，电源6为+24V ；分别用于给船舶柴油机示功图便携式测试控制器的硬件单元中各芯片提供其正常工作所需的电压。所述便携式测试控制器内部硬件单元，其结构如图1所示，由电荷放大器、精密分压电路、电压跟随器、继电器、单片机、1602液晶、矩阵键盘、SD卡、RS485通信模块和LED指示灯组成。所述电荷放大器，其输入与电荷型气缸压力传感器的输出直接相连，对气缸压力信号进行调理；所述精密分压电路，其输入与电荷放大器的输出相连；所述电压跟随器，其输入与精密分压电路的输出相连，其输出与单片机内部12位高速AD的模拟输入端相连。所述继电器，其输入控制引脚与单片机相连，输出与电荷放大器的控制端相连；所述单片机， 其两中断引脚直接与信号调理模块的输出端相连，外围扩展部件有液晶、矩阵键盘、SD卡、 RS485通信模块和LED指示灯等器件。上述电荷放大器可使用型号为Kistler 5040AM的电荷放大器，其作用是将电荷型气缸压力传感器输出的电荷信号转换成0-10V的电压信号。通过将隔离电源模块 WRA1212ZP-3W的-12V输出端接地，则在+12V输出端获得其工作所需的+24V电压。上述精密分压电路，其作用是将0-10V的气缸压力信号分压至0-2. 5V，以保证气缸压力信号幅值在单片机内部AD的采集范围。上述电压跟随器，可采用型号为0P27GS的高精度运算放大器，其作用是使电荷放大器更好的与后级电路进行阻抗匹配。上述继电器可采用型号为G6S-2-Y的继电器，其作用是实现低电压单片机控制引脚对高电压电荷放大器控制引脚的控制。上述液晶可采用型号为1602工业字符型液晶。上述RS485通信芯片可采用型号为SP!M85的芯片。上述单片机，可采用STM32F103系列32位高性能单片机，具体型号为 STM32F103VCT6,是便携式测试控制器的核心处理器。单片机控制液晶显示当前测试状态并伴有LED指示灯指示，若数据采集开始则单片机控制继电器开启电荷放大器，气缸压力信号经电荷放大器调理、精密分压和电压跟随器后连接至单片机内部12位高速AD的模拟输入端，该AD使用外部超高精度电压基准芯片，其型号为MAX6033AAUT。同时单片机通过调理后上止点和曲轴转角信号的上升沿中断触发控制对气缸压力信号的等曲轴转角数据采集， 并自动进行准周期平均，采集点数根据单片机内置的准周期数自动确定。采集的气缸压力数据可通过RS485串口通信数据线发送到计算机，或者以文本形式保存至便携式测试控制器内置SD卡中。所述便携式测试控制器信号调理模块的结构如图2所示由限幅电路、LM393电压比较器和磁耦数字隔离器ADuMMOO组成。所述限幅电路，其输入与光电编码器或磁电式转速传感器输出端相连；所述LM393电压比较器，其输入与限幅电路的输出相连；所述磁耦数字隔离器可以采用ADuMMOO，其输入与LM393电压比较器的输出相连，其输出与便携式测试控制器内部单片机的中断引脚直接相连。上述限幅电路，采用2个4. 7V稳压二极管对接而成，可采用型号为IN4732，其作用是当传感器信号幅值超过4. 7V时将其钳位至4. 7V附近，以避免过高电压损坏电压比较器。上述LM393电压比较器，其作用是将光电编码器或磁电式转速传感器输出的信号调理成标准的TTL信号，并通过磁耦数字隔离器ADuMMOO进行隔离。上述磁耦数字隔离器ADuMMOO，其作用是有效的抑制干扰并保护与其接口的便携式测试控制器内部单片机的安全。本实用新型提供的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其内部单片机的工作过程如图3所示若选择RS485串口通信方式，便携式测试控制器需通过RS485串口通信数据线与计算机相连，便携式测试控制器上电后与上位计算机进行握手通信测试，握手成功则进入采集过程。采集时，先输入需要采集的气缸缸号，按确认键后，开启电荷放大器，电荷放大器指示灯亮，进入等曲轴转角采样，将采集的数据通过RS485串口数据线传送至计算机存储、分析和处理，完成后等待接收计算机反馈的接收成功指令，并关闭电荷放大器，重新开始下一轮采集。若选择SD卡方式，便携式测试控制器上电后，输入需要采集的气缸缸号， 按确认键后进行等曲轴转角采集，采集的气缸压力数据以文本形式存储在便携式测试控制器内置SD卡中。采集过程中，1602液晶实时显示当前状态，并伴有指示灯指示。上述SD卡方式，文本形式存储采用FAT32文件系统。文件系统工作时，单片机先对 SD进行初始化，成功后分析SD卡文件系统的DBR数据，获取文件信息。若名为《CYLDATA. txt))文件存在，则锁定文件，将采集到的气缸压力数据写入该文件的末尾；若该文件不存在，则新建文件《CYLDATA. txt))并写入气缸压力数据。图4为船舶柴油机示功图便携式测试控制器采集并保存在SD卡文件《CYLDATA. txt》中的示功图数据波形图，测试对象为粤海铁3号轮2主机，主机型号为8G32，主机工况为额定转速600r/min下的25%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，通电后若选择RS485串口通信方式，便携式测试控制器与计算机进行握手通信测试，成功后进入等待采集状态；若选择SD卡方式，则直接进入等待采集状态；(2)开启气缸示功阀通道，输入缸号，并按下确认键，便携式测试控制器根据上止点和曲轴转角脉冲上升沿中断触发对气缸压力信号的等曲轴转角采集；(3)在数据采集过程中，便携式测试控制器液晶上显示当前状态同时显示当前气缸压力的最大值以帮助用户判断测试数据的有效性，全程伴有指示灯指示；(4)若选择RS485串口通信方式，数据通过RS485串口通信数据线发送到计算机中；若选择SD卡方式，数据以文本形式存储至便携式测试控制器内置SD卡中；(5 )发送或存储完毕后，按步骤(2 )进行下一缸的测试，直至完成所有缸的测试。
权利要求1.一种船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其特征是由供电单元和硬件单元组成， 其中供电单元由电源芯片和多个电源组成；硬件单元主要由电荷放大器、精密分压电路、 电压跟随器、继电器和单片机组成；所述电荷放大器，其输入端与电荷型气缸压力传感器的输出端直接相连，其输出端与精密分压电路的输入端相连；所述电压跟随器，其输入端与精密分压电路的输出端相连，其输出端与单片机内部12位高速AD的模拟输入端相连；所述继电器，其输入控制引脚与单片机相连，其输出与电荷放大器的控制端相连；所述单片机，其两个中断引脚直接与信号调理模块的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其特征是所述电荷放大器采用型号为Kistler 5040A24的电荷放大器。
3.根据权利要求1所述的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其特征是所述单片机采用型号为STM32F103VCT6的单片机；该单片机内部AD使用的2. 5V超高精度外部电压基准芯片,其型号为MAX6033AAUT。
4.根据权利要求3所述的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其特征是所述单片机通过其IO引脚与外围扩展部件相连，外围扩展部件包括1602工业字符型液晶、矩阵键盘、 SD卡、RS485通信模块和LED指示灯，其中RS485通信芯片的型号为SP3485。
5.根据权利要求1所述的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其特征是所述电压跟随器采用型号为0P27GS的高精度运算放大器。
6.根据权利要求1所述的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其特征是所述继电器采用型号为G6S-2-Y的继电器。
7.根据权利要求1所述的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其特征是所述信号调理模块由限幅电路、电压比较器和磁耦数字隔离器组成，其中所述限幅电路，其输入端与光电编码器或磁电式转速传感器输出端相连；所述电压比较器，其输入端与限幅电路的输出端相连；所述磁耦数字隔离器，其输入端与电压比较器的输出端相连，其输出端与单片机的中断引脚直接相连。
8.根据权利要求7所述的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其特征是采用型号为 LM393的电压比较器。
9.根据权利要求7所述的船舶柴油机示功图便携式测试控制器，其特征是采用型号为 ADuM5400的磁耦数字隔离器。
专利摘要本实用新型是船舶柴油机示功图便携式测试控制器，由供电单元和硬件单元组成，供电单元由电源芯片和多个电源组成；硬件单元主要由电荷放大器、精密分压电路、电压跟随器、继电器和单片机组成；所述电荷放大器，其输入端与电荷型气缸压力传感器的输出端直接相连，其输出端与精密分压电路的输入端相连；所述电压跟随器，其输入端与精密分压电路的输出端相连，其输出端与单片机内部12位高速AD的模拟输入端相连；所述继电器，其输入控制引脚与单片机相连，其输出与电荷放大器的控制端相连；所述单片机，其两个中断引脚直接与信号调理模块的输出端相连。本实用新型具有结构简单、集成度高、测试数据存储方便，能适用于远距离传输等优点。
文档编号G05B19/042GK202110400SQ20112015447
公开日2012年1月11日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者余永华, 杨欣, 胡闹 申请人:武汉理工大学