基于NXP微控制器的柴油机监控系统

基于LP2214微控制器的柴油机监控系统李致金[1]赵远东[1]葛小宇[1]吴文娟[2]（1南京信息工程大学电子与信息工程学院江苏南京2100442南京林业大学数理学院江苏南京210017）摘要：本文介绍了基于LPC2124的柴油机监控系统。本系统设计了柴油机转速、增压器转速测量电路，温度测量电路，压力测量电路等电路。主控系统将测量的速度、温度、压力等数据适时和系统设置的报警数据比较，当测量数据超过设置的报警数据，系统发出相应的报警信号以及停车信号，并记录报警信息，确保机器正常、安全运转。即使发生报警，亦可根据报警信息及时修复。关键词：LPC2124超速报警温度报警压力报警中图分类号：TP368.1文献标识码：B文章编号ThemonitorsystemofdieselbasedonNXPmicrocontrollerLizhijin[1]Zhaoyuandong[1]GeXiaoyu[1]Wuwenjuan[2](1CollegeofElectronic&InformationEngineering，NanjingUniversityOfInformationScience&Technology;2CollegeofScience，NanjingForestryUniversity)Abstract:ThispaperdesignsthemonitorsystemofdieselbasedonLPC2124.Inthismonitorsystem,somecircuitsaregiven,suchasmeasuringcircuitofdieselrotatespeedandsuperchargerrotatespeed,measuringcircuitoftemperatureandairpressure,andsoon.Themonitorsystemcomparesthemeasuringdataofdieselwiththepresetalarmdata.Themonitorsystemwillgiveoutthealarmsignals,ifthemeasuringdataexceedthepresetalarmdata.Whenthemonitorgivesoutalarmsignals,themonitorsystemsavesthealarmdatatoo.Keywords:LPC2124over_speedalarmtemperaturealarmairpressurealarm1、引言目前船舶动力以柴油机为主，柴油机电子控制系统主要问题有：（1）缺少具有自主知识产权的品牌产品；（2）系统集成能力弱；（3）产品和技术越来越不适应新规范、新标准的要求，有待升级换代与更新；（4）高端设备研制滞后。我国船用柴油机主要采用位置式供油系统，电控系统以电子调速系统为主，系统各部分功能相互独立，缺乏统一，因此制约柴油机性能的优化。针对这一问题，本系统在研制中发挥系统集成的优势，对电子调速、相继增压、缸排断油、状态参数以及故障诊断信息等进行综合处理。如根据故障诊断信息实施紧急停机、停机、降速、降负荷、维持状态等不同的控制策略，实现燃油、增压器和齿轮箱离合器综合协调优化控制，实现柴油机的稳定工作，充分发挥柴油机的性能，有效地保证柴油机的运行安全。2、系统设计柴油机的电控系统的主要目的：（1）提高柴油机的可靠性；（2）提高排放控制的灵活性；（3）降低燃油和润滑油的消耗。提高柴油机的可靠性就是通过在线监控以确保各缸负荷分布均衡，确保柴油机热负荷不至于超标，或者说对正在发展中的故障早期预警，并触发相应报警、停车等信息【1】。本系统设计主要包括（1）RS485通信电路；（2）柴油机、增压器转速测量电路；（3）温度、压力在线检测电路；（4）柴油机、增压器速度数模转换电路；（5）继电器输出电路；（6）主备用电源切换电路等。2.1主控系统本系统采用NXP系列64脚的LPC2124【2】芯片为主控芯片，在64脚的封装中，最多可使用46个GPIO。本系统设计中有9路的A/D转换，因此本设计为节约资源一个11路A/D转换芯片TLC1543。报警信息存储至24CXX系列中，信息量大时，可换用其他的容量大的IIC总线芯片。本系统将LPC2124的TXD和RXD0设计为扩展口，实现和另外一块控制板直接扩展连接。2.2RS485通信电路【3】系统中显示控制部分采用触摸屏。触摸屏分为本地和远程两部分。远程监控室里触摸屏主要是显示功能，在本机触摸屏工作时，远程触摸屏操作功能被屏蔽。为设计简单统一，本地和远程的触摸屏控制都采用RS485驱动，驱动隔离电路如图1所示。图1RS485通信电路LPC2124的的UART串口的RXD、TXD通过光电隔离电路连接MAX485的RO、DI引脚，控制信号R/D同样经光电隔离电路控制MAX485R的DE和/RE引脚。LPC2124输出的R/D信号通过光电隔离器件控制MAX485的发送器/接收器使能：R/D信号为“1”，则MAX485的DE和/RE引脚为“1”，发送器有效，接收器禁止，此时LPC2124向RS-485总线发送数据字节；R/D信号为“0”，则SP485R芯片的DE和/RE引脚为“0”，发送器禁止，接收器有效，此时LPC2124接收来自RS-485总线的数据字节。任一时刻，MAX485R中的“接收器”和“发送器”只能够有1个处于工作状态。连接至A引脚的下拉电阻R108、B引脚的上拉电阻R107用于保证无连接的MAX485处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS-485节点与网络的可靠性。B0505S产生与LPC2124电路完全隔离的电源输出，用于向RS-485收发器电路提供+5V电源。电路中光耦器件的速率将会影响RS-485电路的通讯速率，因此需要选用响应速度更快的光耦器件，比如Agilent公司的超高速光耦元件。2.3柴油机、增压器转速测量电路系统中需要检测柴油机的转速，测量范围为0~1200转/分钟，每转的计数脉冲为253个。当柴油机转速达到最高速的85%时发出I级报警信息，达到最高速的100%时发出II报警信息，达到最高速的115%时发出III报警信息，并发出停车命令。增压器的转速控制同柴油机转速控制。计数转速时，为节约LPC2124的定时/计数的应用，采用外置12位计数器CD4040实现计数，测周和测频方法相结合实现精确计数。电路如图3所示。计数时，为节约LPC2124的I/O口，利用LS245的方向可控性对LPC2124的I/O口分时复用。当1OE=0，2OE=1时读取第1路数据，当1OE=1，2OE=0时读取第2路数据。计数器CD4040复位端由LPC2124读取数据前给出，使其从0开始计数。INT1、INT2经过或门接至LPC2124的外部中断脚，辅助计数。图2转速计数电路2.4温度、压力检测电路【4】【5】【6】本系统设计有5路温度信号采集和4路气体压力信号采集，共9模数转换信号。测量的温度在0~1250C范围，精度为0.50C,分辨率为1252500.5，即8位AD转换器即可。压力测量亦然。由于LPC2124最多只有8路10位AD转换接口，因此系统中选择具有11路10位模数转换的TLC1543芯片实现。TLC1543为串行数据输入输出，进行AD转换时，先通过地址口写入进行AD转换的4位通道地址号。转换结束后，再通过AD转换的数据输出口串行读取转换的数据。具体说明详见参考文献。TLC1543和LPC2124接口图如图3所示。图3TLC1543和微控制器接口图温度信号采用WIKA的PT100温度传感器测量，由于采集点和数据处理控制点距离较远，为克服导线电阻对PT100精度的影响，本系统采用桥式电路进行精确测量，如图5所示。气压信号选用WIKA的A-10系列压力传感器，该系列传感器有三线、二线等接线制式，有0~10V电压输出和4~20ma电流输出。由于采集点和数据处理控制点距离较远，本系统选用二线制的4~20ma电流输出方式。具体电路如图4所示。图4温度测量电路R217、R216、PT100、R215构成桥式电路。R215调整电桥平衡，调整该电路的温度测量范围。OP07接成差分放大线路，放大倍数依据实际情况修改相关的参数。图5压力测量电路图5中4~20ma电流信号通过R251转换成电压信号，电压信号取值为：251(0.64~3.2)viRV。OP07接成跟随电路，增加信号的驱动能力。2.5柴油机、增压器速度数模转换电路【7】图6DAC转换电路本系统要求将测量的转速数字信号转成相应的0~10V的电压信号，设计中选用10位的数模转换芯片TLC5615。TLC5615第1脚(DIN)为数据输入端，第2脚（SCLK）为DAC转换时钟端，第3脚（CS）为片选端，第6脚（REFIN）为输出电压参考输入端，DAC输出最大电压等于该脚的电压的2倍。第7脚（OUT）为DAC的输出端。具体接线图如图7所示。DAC输出电压值是参考端（REFIN）的两倍，调整R302，可调整输出电压的范围。2.6继电器输出电路当柴油机转速、增压器电机转速以及各检测温度、压力超过报警值时，系统发出声光报警信息，同时发出停车驱动信号。RO_1为LPC2124发出的停车信号，高电平有效。当RO_1=1时，光耦触发导通，三极管Q601（9013）触发导通，继而继电器导通输出停车信号。施密特触发器、光耦、三极管为准确、稳定触发继电器而设计，电路如图7所示。图8继电器驱动电路3、软件设计LPC2124软件在KeiluVision4环境下编程实现。本系统通过J_LINK仿真器实现在线仿真，调试完成后下载至LPC2124的FLASH中。软件程序包括：（1）RS485通信程序；（2）ADC转换程序；（3）DAC转换程序；（4）报警信息存储程序；（5）扩展口通信程序等子程序以及各个按键、输出信号灯的控制程序。4、结束语本系统的数据采集精度完全满足实际的工程要求。在实际实用中，系统还设计有主、备用电源的自动切换电路、传感器断线保护等辅助电路，按键控制电路，输出信号灯控制电路等电路。触摸屏中为防止误设置，触摸屏操作设计有使用权限口令，确保只有允许的专业人员方可改变系统的参数。本系统设计优化、可靠，已为协作单位带来很好的经济效益。参考文献：[1]高朝辉陈勤学船舶柴油机电子控制的发展现状[J]交通科技2001，6：41~45[2]LPC2114/2124/2212/2214使用指南[3]RS485使用手册与指南[4]MeasuringinsertforresistancethermometerModelTR10-AWIKAdatasheetTE60.0103/2013[5]PressuretransmitterforgeneralindustrialapplicationsModelA-10WIKAdatasheetPE81.6002/2012[6]TLC1542I,TLC1542M,TLC1542QTLC1542C,TLC1543C,TLC1543I,TLC1543Q10-bitAnalog-To-Digitalconverterswithserialcontroland11Analog-To-Digitalinputs[7]TLC5615C,TLC5615I10-bitDigital-To-Analogconverters