基于FPGA的船用中低速柴油機氣缸壓力在線監測系統的制作方法

本發明涉及柴油機性能監測技術領域，尤其涉及一種基于FPGA的船用中低速柴油機氣缸壓力在線監測系統。

背景技術：

柴油機氣缸壓力示功圖是描述柴油機缸內工作狀態的重要參數。測量氣缸壓力示功圖的實質是測量氣缸中氣體壓力隨時間(或曲軸轉角、氣缸容積)變化過程，利用氣缸壓力示功圖可研究柴油機缸內的燃燒過程、氣體與缸壁傳熱過程、進排氣過程以及提取故障信息用于診斷柴油機狀態。

氣缸壓力在線監測系統可實現柴油機多個氣缸壓力的同時在線測量、氣缸壓力示功圖和特征參數顯示，便于技術人員實時對比分析缸內工作狀態監測和故障診斷，因此開發一套船用中低速柴油機氣缸壓力在線監測系統具有工程應用價值。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中的缺陷，提供一種基于FPGA的船用中低速柴油機氣缸壓力在線監測系統。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于FPGA的船用中低速柴油機氣缸壓力在線監測系統，包括：

傳感器，所述傳感器包括用于獲取氣缸缸內壓力數據的缸壓傳感器、用于獲取柴油機上止點脈沖信號的上止點傳感器和用于獲取柴油機曲軸轉角信號的曲軸轉角傳感器；

信號調理單元，所述信號調理單元包括缸壓調理模塊和觸發信號調理模塊，所述缸壓調理模塊用于將氣缸壓力傳感器的輸出調理為2.5V范圍內的電壓信號供采集控制單元采集；觸發信號調理將上止點和曲軸轉角傳感器的信號輸出調理為標準的TTL信號；

采集控制單元，用于對信號調理單元處理的船用柴油機多缸缸壓信號進行等曲軸轉角同步采集和預處理；所述預處理包括斷線檢測、曲軸轉角脈沖畸變點判斷、瞬時轉速計算和缸壓信號周期平均；

所述采集控制單元的等曲軸轉角同步采集方法如下：船用中低速柴油機多缸缸內壓力等曲軸轉角同步測量，曲軸轉角信號接入FPGA某一全局時鐘引腳，通過其他多個全局時鐘引腳同步輸出作為A/D轉換器的數據采集觸發信號，A/D轉換器數據輸出的同步時鐘由控制器FPGA產生，系統以上止點和曲軸轉角信號觸發采集，從而實現柴油機多缸氣缸壓力的同步等曲軸轉角采集。

上位機，用于通過預處理后的缸壓數據，并進行分析處理、計算氣缸壓力特征參數，對比顯示各缸示功圖。

按上述方案，所述缸壓傳感器為電流型傳感器，采集缸內壓力，輸出4-20mA電流信號接入調理板調理標準TTL信號。

按上述方案，所述采集控制單元中，單個單元配置6路缸壓數據采集通道。

按上述方案，所述所述氣缸壓力在線監測系統還包括通信模塊，用于實現采集控制單元和上位機之間的數據傳輸。

按上述方案，所述氣缸壓力在線監測系統包括多個采集控制單元，各采集控制單元之間通過同一上止點信號開始采集，曲軸轉角信號觸發采集。

本發明產生的有益效果是：

1.本發明以FPGA為控制器，利用FPGA內部的邏輯可編輯，I/O模塊可配置的并行構架，對船用柴油機多缸缸壓信號進行等曲軸轉角同步采集和預處理，具有電路設計簡單，PCB面積少，系統穩定性高等特點。

2.本發明以FPGA為控制器，進行傳感器斷線檢測和對曲軸轉角信號進行畸變點檢測，提高了系統的工程現場適用性。

3.本發明可以同時測量柴油機多個缸的氣缸壓力示功圖，同步顯示各缸示功圖曲線，便于在線監測柴油機各缸狀態。

4.本發明可以通過設置與顯示單元修改采集控制器的參數化數據，提高了系統的通用性。

5.本發明可以通過本地設置與顯示單元查看預處理后的各缸缸壓信號，便于系統調試。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發明實施例的系統結構示意圖；

圖2是本發明實施例的采集控制單元結構示意圖；

圖3是本發明實施例的系統工作流程圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

如圖1所示，本發明的基于FPGA船用中低速柴油機在線氣缸壓力測試系統,主要包括電源、傳感器、信號調理單元、采集控制單元、設置與顯示單元、上位機軟件。

具體如下：

電源，輸入24VDC，經過電源轉換芯片產生系統各模塊所需電源及標準基準電壓。

傳感器，包括缸壓傳感器、曲軸轉角傳感器和上止點傳感器；多個缸壓傳感器安裝在柴油機各缸示功閥上，傳感器輸出電流信號。

信號調理單元包括缸壓調理單元和觸發信號調理單元，缸壓調理模塊的信號依次經過以下幾個電路模塊處理：電流信號轉電壓信號電路(針對電流型氣缸壓力傳感器)，或放大器(針對電壓型氣缸壓力傳感器)、濾波電路濾除缸壓信號的毛刺和畸變，電壓跟隨器增強信號的驅動能力，分壓電阻將電壓轉換成A/D轉換器參考電壓范圍內。觸發信號調理模塊的信號依次經過以下幾個電路模塊處理：電壓跟隨器電路增強信號驅動能力，可調電壓閾值的電壓比較器電路，通過調節比較器的電壓閾值來滿足不同上止點和曲軸轉角傳感器輸出信號的類型，使觸發信號調理模塊輸出標準TTL信號，磁偶隔離電路隔離干擾。

采集控制單元用于對信號調理單元處理的船用柴油機多缸缸壓信號進行等曲軸轉角同步采集和預處理；圖2是本發明實施例的采集控制單元結構示意圖；

柴油機多缸缸內壓力同步等曲軸轉角測量，曲軸轉角信號接入FPGA某一全局時鐘引腳，通過其他多個全局時鐘引腳及PCB等長布線同步輸出作為A/D轉換器的數據采集觸發信號，A/D轉換器數據輸出的同步時鐘由控制器FPGA產生，且周期遠小于曲軸轉角周期。系統以上止點信號開始采集，曲軸轉角信號觸發采集，從而實現柴油機多缸氣缸壓力的同步等曲軸轉角采集。

A/D轉換器是采用16位精度，采樣率在100-500Kbps可選擇的SPI三線制串行模式數據輸出，其采樣率遠遠滿足等曲軸轉角采樣的速度要求。

采集控制單元配置有DDR3數據緩存器，數據經過串并轉換、重排合并位寬后經DDR3緩存后，由相應的讀取模塊讀取DDR3的數據通過通信模塊向外發送給上位機和設置與顯示單元。

通信模塊，包括以太網通信和USB通信，以太網通信模塊由以太網PHY芯片和RJ45以太網接口組成，PHY芯片MII或GMII接口與FPGA相連，以太網可配備100Mbps或1000Mbps速率，USB通信模塊由USB微控制器芯片和接口組成。通過以太網通信實現控主控制單元和上位機之間的數據傳輸，通過USB通信實現主控制單元與設置與顯示單元之間的數據傳輸，

設置與顯示單元用于顯示各缸氣缸壓力示功圖對比圖和柴油機特征參數等，執行上位機相同功能，其調試模式下可配置采集控制單元的參數，包括柴油機飛輪齒數(通過飛輪齒數確定一個周期示功圖數據的采樣點數)，數據周期平均數(根據實際精度要求情況確定多少周期平均)，曲軸轉角倍頻數等(計算轉速時需要的參數)，以適用于更多柴油機。

采集控制單元可通過擴展適用于6缸以上柴油機進行氣缸壓力采集，采集控制單元擴展口是針對6缸以上柴油機氣缸壓力采集時外接從控制器，主從單元基于同一上止點開始，同一曲軸轉角信號觸發采集，主采集控制單元處理采集的數據并發送至上位機和設置與顯示單元。此設計方法可適應高溫、高濕度、振動和電磁干擾等惡劣壞境。

所述運行狀態指示燈主要包括DDR3初始化成功指示燈，紅色燈亮代表初始化成功并一直亮知道斷電或復位，以太網數據發送完成綠燈1亮閃一次，USB數據發送完成綠燈2亮閃一次，電源指示燈正常狀態一直亮，在線調試紅燈閃亮，長時間不接網線紅燈一直亮只掉網線接通等等。

所述可通過擴展適用于6缸以上柴油機進行氣缸壓力采集，通過控制單元擴展口外接一個控制單元，并將其中一個設置為從單元，一個主單元，從單元將采集的數據傳送給主單元，主從控制單元之間的數據線包括電源線，上止點信號線，曲軸轉角信號線，串行數據線，狀態線和使能線等。

采集控制單元上電后對接入信號的狀態進行檢測，每路接入信號通道都設置有狀態指示燈，根據傳感器信號線與地線構成回路的特點，在上電斷線檢測階段，施加一高電平，如果外部傳感器輸出端未接入控制器相應輸入通道時，LED燈所在線路無法構成通路，所有通道指示燈都不亮，反之一直處于亮狀態，直到斷開，通過此來判端傳感器信號線是否連接控制器，系統運行過程中，上止點和曲軸轉角信號接入通道指示燈不停閃爍，表明兩傳感器均能接收正常信號，若只是一直亮而不閃爍表明傳感器出現故障。

采集控制單元進行曲軸轉角脈沖畸變點判斷，FPGA采用高頻計數法測量瞬時轉速脈沖周期，對輸入曲軸轉角信號的要求較高。在實際船條件下，信號總會產生一定的干擾，且受齒輪表面損傷以及剖分析齒輪結合面間隙等齒距誤差的影響，瞬時轉速的信號中會引入部分脈沖性干擾信號，即畸變點，由于瞬時轉速波動的平穩性，相鄰兩點的轉速波動差不應該超過某個值，根據這一特點可判斷是否是畸變點，系統需要通過編程將畸變點剔除，得到可靠的氣缸壓力示功圖。

所述缸壓信號周期平均預處理，控制器將采集的數據做周期平均后由通信模塊向外發送，具體實現多少個周期平均，通過設置與顯示模式在調試模式下配置的周期平均數參數。通過在下位機采集控制器實現周期平均，可以簡輕上位機負擔，提高程序運行效率。

所述上位機軟件設置為客戶端，采集控制器為服務端，上位機軟件調用以太網通信模塊與采集控制器以太網實現數據的接收與發送，上位機一直偵聽以太網端口，一旦網絡接通(即服務器端與客戶端存在聯接)，上位機便實時接收當前采集的數據，并進行分析處理、計算氣缸壓力特征參數，對比顯示各缸示功圖等，若長久未聯接且數據量超過了DDR3的存儲容量，則通過指示燈發出警報指示，并清空DDR3歷史數據，重新接收新數據。

所述瞬時轉速計算是通過輸入FPGA的曲軸轉角信號計算柴油機當前轉速。可通過等精度測頻法原理和測周期法原理編程實現轉速的測量。

本發明實施例的系統工作流程圖如圖3所示。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。