CN102545845A

CN102545845A - 船舶机舱转速传感器信号调理模块

Info

Publication number: CN102545845A
Application number: CN2012100381521A
Authority: CN
Inventors: 宋杰; 李晶; 吴帆; 孙聚川; 张平; 陈嘉雄
Original assignee: 711th Research Institute of CSIC
Current assignee: Shanghai shine Heavy Industry Co., Ltd.
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: CN102545845B

Abstract

本发明公开了一种船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特点是，包括至少一过零转速信号调理支路和/或至少一不过零转速信号调理支路；过零转速信号调理支路包括滤波电路、过零转速信号调理电路、基准信号发生电路、比较电路、防抖电路；不过零转速信号调理支路包括滤波电路、不过零转速信号调理电路、基准信号发生电路、比较电路、防抖电路。滤波电路的输入端与转速传感器的输出端电连接，其输出端与调理电路的输入端电连接；基准信号发生电路的输出端与比较电路的基准信号输入端电连接；调理电路的输出端与比较电路的调理信号输入端电连接；比较电路的输出端与信号采集电路的输入端电连接。具有通用性强、体积小、功耗低、稳定性高、供电灵活等特点。

Description

船舶机舱转速传感器信号调理模块

技术领域

本发明涉及船舶机舱自动化领域，尤其涉及一种将船舶机舱不同转速传感器信号转换成标准信号的通用转换模块。

技术背景

随着高新技术的不断发展，柴油机已经广泛应用于石油钻井、动力发电、铁路牵引、工程机械、各种船舶动力和汽车动力等领域，其运行状态的好坏，直接影响到整套机组的工作状况。而船用柴油机是船舶的主要动力设备，其工作状态对保障航运安全、提高运输效率、节约能源和降低消耗都是至关重要的。因此，必须对其进行状态监测，以确保系统处于最佳运行工况，这对提高设备的工作效率和维修质量是十分必要的。

柴油机转速信号蕴含了丰富的与柴油机各缸工作性能有关的信息，反映了气缸的工作状态和工作质量，因此转速信号是监测柴油机状态的重要参数。船舶机舱不同厂商对柴油机安装不同的转速传感器，这些转速传感器输出的转速信号的波形、幅值以及是否过零点都不相同，而大多转速采集模块只能采集标准方波信号，所以开发一种能够将不同转速传感器发出的信号转化为标准方波信号的通用转换模块具有重要的现实意义。

发明内容

本发明是为了解决现有技术存在的上述问题，而提供的一种具有通用性强、体积小、功耗低、稳定性高、供电灵活等特点的船舶机舱转速传感器信号调理模块。本模块可将外围传感器信号，包括各种幅值的正弦波信号或方波信号，通过滤波、降压、钳位、比较、整形输出等步骤，转换成标准0-5伏方波信号或0-24伏方波信号输出。通过本模块调理后的输出信号经过滤波和整形后将系统上信号的干扰消除，避免了采集偏差。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特点是，包括至少一过零转速信号调理支路和/或至少一不过零转速信号调理支路；过零转速信号调理支路和/或至少一不过零转速信号调理支路；其中：

所述的过零转速信号调理支路包括滤波电路、过零转速信号调理电路、基准信号发生电路、比较电路、防抖电路；所述的滤波电路的输入端与转速传感器的输出端电连接，该滤波电路的输出端与调理电路的输入端电连接；所述比较电路包括一基准信号输入端和一调理信号输入端；所述基准信号发生电路的输出端与比较电路的基准信号输入端电连接，所述过零转速信号调理电路的输出端与比较电路的调理信号输入端电连接；所述比较电路的输出端与信号采集电路的输入端电连接；所述防抖电路连接在所述比较电路的输出端与该比较电路的基准信号输入端之间；

所述的不过零转速信号调理支路包括滤波电路、不过零转速信号调理电路、基准信号发生电路、比较电路、防抖电路；所述的滤波电路的输入端与转速传感器的输出端电连接，该滤波电路的输出端与不过零转速信号调理电路的输入端电连接；所述比较电路包括一基准信号输入端和一调理信号输入端；所述基准信号发生电路的输出端与比较电路的基准信号输入端电连接，所述不过零转速信号调理电路的输出端与比较电路的调理信号输入端电连接；所述比较电路的输出端与信号采集电路的输入端电连接；所述防抖电路连接在所述比较电路的输出端与该比较电路的基准信号输入端之间。

上述船舶机舱转速传感器信号调理模块，其中，每一过零转速信号调理支路或每一不过零转速信号调理支路还各包括一信号输入接口和一信号输出接口；所述的转速传感器的输出端通过所述的信号输入接口与所述的滤波电路的输入端电连接；所述的比较电路的输出端通过所述的信号输出接口与所述的信号采集电路的输入端电连接。

上述船舶机舱转速传感器信号调理模块，其中，还包括一将24V输出电平转换为5V输出电平的输出电平转换电路，所述的输出电平转换电路包括相串联的一第一稳压芯片和一第二稳压芯片，所述的第一稳压芯片的输入端与比较电路的输出端输出幅值为24V电平的端口电连接，所述的第二稳压芯片的输出端输出5V电平。

上述船舶机舱转速传感器信号调理模块，其中，所述的过零转速信号调理支路的滤波电路与不过零转速信号调理支路的滤波电路相同，均由一电阻R1和一电容C1组成。

上述船舶机舱转速传感器信号调理模块，其中，所述的过零转速信号调理电路由一电阻R2与两个反向并联的二极管D1、D2组成的并联电路、以及与该并联电路相串联的一可调电阻RP1构成。

上述船舶机舱转速传感器信号调理模块，其中，所述的不过零转速信号调理电路由一电阻R1和另一电阻R4组成的分压电路构成。

上述船舶机舱转速传感器信号调理模块，其中，所述的过零转速信号调理支路的基准信号发生电路与不过零转速信号调理支路的基准信号发生电路相同，均由可调节的电阻构成。

上述船舶机舱转速传感器信号调理模块，其中，所述的基准信号发生电路均由电阻R3和一可调电阻RP2组成的分压电路构成。

上述船舶机舱转速传感器信号调理模块，其中，所述的过零转速信号调理支路的比较电路与不过零转速信号调理支路的比较电路相同，均由一运算放大器或一集成电路构成。

上述船舶机舱转速传感器信号调理模块，其中，所述的过零转速信号调理支路的防抖电路与不过零转速信号调理支路的防抖电路相同，均由一正反馈电阻R5构成。

由于本发明采用了以上的技术方案，其产生的技术效果是明显的：

1、本船舶机舱转速传感器信号调理模块可将外围传感器信号，包括各种幅值的正弦波信号或方波信号，通过滤波、降压、钳位、比较、整形输出等步骤，转换成标准0-5伏方波信号或0-24伏方波信号输出。可根据转速传感器输出的不同信号选择相应的信号调理模块或信号调理模块中的信号调理支路，扩大了信号调理的波形范围；

2、通过本模块调理后的输出信号经过滤波和整形后将系统上信号的干扰消除，避免了采集偏差；

3、由于船舶机舱监测系统供电电压不可能稳定不变，例如24伏供电系统，现场电压可能是18-36伏之间任一电压值。为满足调理信号输入端的电压是以基准信号输入端的电压电位为基准的脉冲信号，现场可调节电位器RP1、RP2，使电阻匹配满足要求；

4、当输入信号是不过零点信号（如5～15V）时，通过电阻R1、R4将输入信号降压，形成信号调理信号输入端的电压，进入比较电路的比较负端（调理信号输入端）；电阻R3、电位器 RP2对电源电压分压后形成的比较基准信号，进入比较电路的比较正端（基准信号输入端）；通过电阻匹配使输入信号调整到比较电路的芯片可接受范围，并保证输入电压范围在基准电压上下；

5、具有通用性强、体积小、功耗低、稳定性高、供电灵活等特点。

附图说明

图1是本发明信号调理模块的实施例之一的结构示意图。

图2是本发明信号调理模块的实施例之二的结构示意图。

图3是本发明信号调理模块的实施例之三的结构示意图。

图4是本发明信号调理模块的实施例之四的结构示意图。

图5是本发明信号调理模块的实施例之五的结构示意图。

图6是本发明的输出电平转换电路的电原理图。

图7是本发明信号调理模块中其中一个过零点转速信号调理支路的电方框图。

图8是本发明信号调理模块中其中一个过零点转速信号调理支路的一实施例的电原理图。

图9是本发明信号调理模块中其中一个不过零点转速信号调理支路的电方框图。

图10是本发明信号调理模块中其中一个不过零点转速信号调理支路的一实施例的电原理图。

图11是本发明信号调理模块的再一种实施例的电原理图。

具体实施方式

本发明的具体结构由以下的实施例并结合附图进一步详细说明。

请参阅图1，图1是本发明信号调理模块的实施例之一的结构示意图。本发明船舶机舱转速传感器信号调理模块1，该信号调理模块1包括一过零转速信号调理支路11，还包括一信号输入接口12、一信号输出接口13；所述的比较电路的输出端输出幅值为5V或24V的电平，通过所述的信号输出接口与所述的信号采集电路的输入端电连接。本实施例输出5V电平。

请参阅图2，图2是本发明信号调理模块的实施例之二的结构示意图。本发明船舶机舱转速传感器信号调理模块2，该信号调理模块2包括两个过零转速信号调理支路211、212，每一过零转速信号调理支路还包括一信号输入接口22、一信号输出接口23；所述的比较电路的输出端输出幅值为5V或24V的电平，通过所述的信号输出接口与所述的信号采集电路的输入端电连接。由于船舶中供电系统多为24V电源，所以本实施例采用输出24V的输出电平。

请参阅图3，图3是本发明信号调理模块的实施例之三的结构示意图。本发明船舶机舱转速传感器信号调理模块3，该信号调理模块3包括一不过零转速信号调理支路31，还包括一信号输入接口32、一信号输出接口33；所述的比较电路的输出端输出幅值为5V或24V的电平，通过所述的信号输出接口与所述的信号采集电路的输入端电连接。本实施例输出24V电平。当然也可选择为输出5V电平。

请参阅图4，图4是本发明信号调理模块的实施例之四的结构示意图。本发明船舶机舱转速传感器信号调理模块4，该信号调理模块4包括两个不过零转速信号调理支路411、412，每一不过零转速信号调理支路还包括一信号输入接口42、一信号输出接口43；所述的比较电路的输出端输出幅值为5V或24V的电平，通过所述的信号输出接口与所述的信号采集电路的输入端电连接。本实施例选择输出24V的输出电平。为满足后级信号采集电路使用的电平信号要求，本实施例将其中一不过零转速信号调理支路441输出的24V电平通过一输出电平转换电路9转换为5V电平输出。这样，可根据需要连接不同输出电平例如5V或24V的电平到信号采集电路。

请参阅图5，图5是本发明信号调理模块的实施例之五的结构示意图。本发明船舶机舱转速传感器信号调理模块5，包括两个过零转速信号调理支路511、512和两个不过零转速信号调理支路513、514，每一过零转速信号调理支路和每一不过零转速信号调理支路均还包括一信号输入接口52、一信号输出接口53；所述的比较电路的输出端输出幅值为5V或24V的电平，通过所述的信号输出接口与所述的信号采集电路的输入端电连接。本实施例选择输出24V的输出电平；其中，一个过零转速信号调理支路511和一个不过零转速信号调理支路513输出24V电平后再通过一输出电平转换电路9输出5V电平，另一个过零转速信号调理支路512和另一个不过零转速信号调理支路514输出24V电平。这样，可根据需要连接不同输出电平例如5V或24V的电平到信号采集电路。

上述各实施例中，由于船舶机舱现场多为24VDC供电，而转换模块输出TTL电平时需要5VDC电压，因此必须采用输出电平转换电路输出电平转换电路9将24VDC转换为5VDC。本发明的将24V输出电平转换为5V输出电平的输出电平转换电路9可使用三端稳压芯片作转换，三端稳压芯片具有线形好、噪声低的优点。但是，为避免三端稳压芯片承受高压降时使芯片发热过高，本实施例所述的输出电平转换电路采用两个相串联的第一稳压芯片U2(LM7809)和第二稳压芯片U3(LM7805)，逐级降压，如图6所示，图6是本发明的输出电平转换电路的电原理图。本实施例中，所述的第一稳压芯片的输入端与比较电路的输出端输出幅值为24V电平的端口电连接，所述的第二稳压芯片的输出端输出5V电平。

请参阅图7，图7是本发明信号调理模块中其中一个过零点转速信号调理支路的电方框图。所述的每一过零转速信号调理支路6包括滤波电路61、过零转速信号调理电路62、基准信号发生电路63、比较电路64、防抖电路65；所述的滤波电路的输入端与转速传感器100的输出端电连接，该滤波电路的输出端与调理电路的输入端电连接；所述比较电路包括一基准信号输入端和一调理信号输入端；所述基准信号发生电路的输出端与比较电路的基准信号输入端电连接，所述过零转速信号调理电路的输出端与比较电路的调理信号输入端电连接；所述比较电路的输出端与信号采集电路200的输入端电连接；所述防抖电路连接在所述比较电路的输出端与该比较电路的基准信号输入端之间。

所述的转速传感器的输出端通过所述的信号输入接口601与所述的滤波电路的输入端电连接；所述的比较电路的输出端通过所述的信号输出接口602与所述的信号采集电路的输入端电连接。

请参阅图8，图8是本发明调理模块中一个过零点转速信号调理支路的一实施例的电原理图。本实施例中，R1、C1组成一阶RC滤波电路，将现场的高频干扰信号滤出，保证有效信号的品质。转速传感器发出的信号通过信号输入接口AI+输入到本模块，通过电阻R1和电容C1组成的低通滤波电路有效地去除了高频的干扰信号。

所述的过零转速信号调理电路由一电阻R2和两个反向并联的二极管D1、D2组成的并联电路和一可调电子RP1相串联构成。D1、D2两个反方向二级管将转速信号钳位在正负0.7伏之间，并保持波形不变。比较电路在单端供电时无法承受-0.3伏以下的电压，所以R2、RP1将信号电平整体抬高。抬高后的高电平电压为[（Vcc-0.7）×R2∕（R2+RP1）+0.7]伏，低电平电压为[（Vcc-0.7）×R2∕（R2+RP1）-0.7]伏。

所述的基准信号发生电路比较基准信号是Vcc通过R3和RP2分压得到的，因此基准电平为Vcc×[R3∕(R3+RP2)]伏。

所述的比较电路由一运算放大器UI1例如LM339的其中一比较器构成。其基准信号输入端为U+端（5脚），调理信号输入端为U-端（4脚）。

所述的防抖电路由正反馈电阻R5构成，防止比较电路输出脚形成震荡。

当转速信号为过零点的正负信号时，无论幅值是多少，经过D1、D2构成的限幅电路均被钳位在正负0.7伏之间，形成调理输入信号U-。由于船舶机舱监测系统一般是单端供电，比较电路在单端供电时无法承受-0.3伏以下的电压。因此由电源VCC、电阻R2、电位器RP1组成升压电路，将调理输入信号在保持波形不变时电位整体抬高，进入比较电路的比较负端。电阻R3、电位器 RP2对电源电压分压后形成的比较基准信号，进入比较电路的比较正端（5脚）。比较电路输出0-VCC的矩形波信号。

请参阅图9，图9是本发明信号调理模块中其中一个不过零点转速信号调理支路的电方框图。所述的每一不过零转速信号调理支路8包括滤波电路81、过零转速信号调理电路82、基准信号发生电路83、比较电路84、防抖电路85；所述的滤波电路的输入端与转速传感器的输出端电连接，该滤波电路的输出端与调理电路的输入端电连接；所述比较电路包括一基准信号输入端和一调理信号输入端；所述基准信号发生电路的输出端与比较电路的基准信号输入端电连接，所述不过零转速信号调理电路的输出端与比较电路的调理信号输入端电连接；所述比较电路的输出端与信号采集电路的输入端电连接；所述防抖电路连接在所述比较电路的输出端与该比较电路的基准信号输入端之间。

所述的转速传感器的输出端通过所述的信号输入接口801与所述的滤波电路的输入端电连接；所述的比较电路的输出端通过所述的信号输出接口802与所述的信号采集电路的输入端电连接。

请参阅图10，图10是本发明信号调理模块中其中一个不过零点转速信号调理支路的一实施例的电原理图。本实施例中，

所述的不滤波电路由一电阻R1和一电容C1组成组成一阶RC滤波电路，将现场的高频干扰信号滤出，保证有效信号的品质。

所述的不过零转速信号调理电路由一电阻R1和另一电阻R4组成的分压电路构成。R1和R4将输入信号降压，将信号降压为原来电平的R4/（R1+R4），

所述的基准信号发生电路由Vcc通过R3和RP2分压得到的，因此基准电平为Vcc×[R3∕(R3+RP2)]伏。

所述的比较电路由一运算放大器U21构成，其基准信号输入端为U+端（5脚），调理信号输入端为U-端（4脚）。

所述的防抖电路由一正反馈电阻R5构成，防止比较器输出脚形成震荡。

当输入信号是不过零点信号（如5~15V）时，通过电阻R1、R4将输入信号降压，形成信号调理输入信号，进入比较器比较负端（4脚）。电阻R3,电位器 RP2对电源电压分压后形成比较基准信号，进入比较电路的比较正端（5脚）。通过电阻匹配使输入信号调整到设定范围，并保证输入电压范围在基准电压上下。

请参阅图11，图11是本发明信号调理模块的再一种实施例的电原理图。该实施例包括两过零转速信号调理支路和两不过零转速信号调理支路，将四路比较电路的运算放大器集成在一个集成电路例如LM139中，使整个模块的体积大大缩小。由于LM139温度范围-55℃~125℃，可满足和适用于各种环境。本实施例中，PI1、PI2、PI3、PI4分别是本转换模块的第一输入通道、第二输入通道、第三输入通道、第四输入通道。PO1、PO2、PO3、PO4分别是本转换模块的第一输出通道、第二输出通道、第三输出通道、第四输出通道。其中：第一通道输入为过零点转速信号，输出24伏方波信号；第二通道输入过零点转速信号，输出5伏方波信号；第三通道输入不过零点转速信号，输出24伏方波信号；第四通道输入不过零点转速信号，输出5伏方波信号。这样，过零点转速信号和不过零点转速信号都可以转换成标准TTL方波信号和CMOS方波信号信号采集电路。

本发明具有通用性强、体积小、功耗低、稳定性高、供电灵活等特点。

Claims

1.船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特征在于，包括至少一过零转速信号调理支路和/或至少一不过零转速信号调理支路；其中：

2.根据权利要求1所述的船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特征在于，每一过零转速信号调理支路或每一不过零转速信号调理支路还各包括一信号输入接口和一信号输出接口；

所述的转速传感器的输出端通过所述的信号输入接口与所述的滤波电路的输入端电连接；

所述的比较电路的输出端通过所述的信号输出接口与所述的信号采集电路的输入端电连接。

3.根据权利要求2所述的船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特征在于，还包括一将24V输出电平转换为5V输出电平的输出电平转换电路，所述的输出电平转换电路包括相串联的一第一稳压芯片和一第二稳压芯片，所述的第一稳压芯片的输入端与比较电路的输出端输出幅值为24V电平的端口电连接，所述的第二稳压芯片的输出端输出5V电平。

4.根据权利要求1所述的船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特征在于，所述的过零转速信号调理支路的滤波电路与不过零转速信号调理支路的滤波电路相同，均由一电阻R1和一电容C1组成。

5.根据权利要求1所述的船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特征在于，所述的过零转速信号调理电路由一电阻R2与两个反向并联的二极管D1、D2组成的并联电路、以及与该并联电路相串联的一可调电阻RP1构成。

6.根据权利要求1所述的船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特征在于，所述的不过零转速信号调理电路由一电阻R1和另一电阻R4组成的分压电路构成。

7.根据权利要求1所述的船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特征在于，所述的过零转速信号调理支路的基准信号发生电路与不过零转速信号调理支路的基准信号发生电路相同，均由可调节的电阻构成。

8.根据权利要求7所述的船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特征在于，所述的基准信号发生电路均由电阻R3和一可调电阻RP2组成的分压电路构成。

9.根据权利要求1所述的船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特征在于，所述的过零转速信号调理支路的比较电路与不过零转速信号调理支路的比较电路相同，均由一运算放大器或一集成电路构成。

10.根据权利要求1所述的船舶机舱转速传感器信号调理模块，其特征在于，所述的过零转速信号调理支路的防抖电路与不过零转速信号调理支路的防抖电路相同，均由一正反馈电阻R5构成。