（中國人民解放軍95483部隊，成都611430）

C8051F320在轉軸狀態(tài)測量中的應用

劉鑫

（中國人民解放軍95483部隊，成都611430）

轉軸角加速度是旋轉機構轉動時的一項重要參數，旋轉體的角加速度在實踐中有著廣泛和重要的應用。對角加速度的測量原理、方法進行了研究，尋求一種高精度連續(xù)測量角加速度可行的方法。設計了基于C8051F320的USB數據采集設備。利用這款單片機具有信號上升或下降沿自動捕獲比較的功能，為轉速信號周期的連續(xù)測量提供了便利；這款單片機自帶USB模塊，簡化了USB數據采集系統(tǒng)的組成和提高了系統(tǒng)的可靠性。

轉軸角加速度測量方波脈寬USB數據采集C8051F320

1 前言

隨著工業(yè)與故障診斷技術的發(fā)展，大型機械設備的故障診斷和監(jiān)控中，通過對轉軸轉動狀態(tài)的測量來反映設備的運行狀態(tài)變得逐漸普遍起來。其中對旋轉機械轉速和角加速度的測量是常見的兩種方法，對這兩個參數的測量可以反映設備運行的瞬時狀態(tài)和性能情況。

而目前在國內成熟的轉軸角加速度測量產品不多，這方面的技術還不成熟。原因在于轉軸一般是高速轉動的旋轉體，轉速高，測量瞬時角加速度必須在很短的時間內不斷地對瞬時轉速信號采樣，而且要求采用非接觸測量。這樣對測量系統(tǒng)的硬件和軟件的要求很高，在實現(xiàn)上存在一定的難度。

本文將從原理，結構上闡述一種理論簡單、方便實現(xiàn)的、基于USB數據采集的轉軸角加速度測量系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)原理

2.1 系統(tǒng)組成

轉軸轉動參數的測量包括瞬時轉速和角加速度的測量，這二者都是軸轉動的參數，而轉速的測量是角加速度測量的基礎。系統(tǒng)采用磁電式轉速傳感器檢測軸轉動的信號，用單片機C8051F320作轉速信號的采集和傳輸單元，同時完成轉速的實時顯示。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)主要任務有：（1）單片機接收上位機PC通過USB總線發(fā)送的命令，完成系統(tǒng)工作參數的設置；（2）采集轉速信號，測量轉速信號的周期；（3）將采集到的信號通過單片機的USB接口上傳到上位機；（4）驅動LED顯示瞬時轉速。轉速信號前處理模塊對采集到的轉速信號進行必要的處理，如過零比較整形。上位機實現(xiàn)各種圖形界面的操作和角加速度計算與圖形顯示功能。

2.2 測量機理

現(xiàn)代的轉速傳感器可以方便地測量齒輪的轉速信號，如磁電式轉速傳感器。安裝磁電式傳感器時，使其探頭平面正對齒輪，離開齒輪很小距離，確保齒輪在轉動時不碰到轉速傳感器。當齒輪轉動時，由于齒輪是磁性材料，當每個齒牙在接近和離開轉速傳感器時做切割磁力線運動，改變了轉速傳感器探頭的磁通量，在轉速傳感器的輸出端以電壓或電流的形式反映出來，這類信號經過信號調理和整形后成為反映轉速的方波信號。這些方波信號的周期與轉速成反比，齒輪在轉動過程中，轉速的變化將反映在轉速信號脈沖寬度上。所以，通過測量每個轉速信號的脈沖寬度，就可以間接地測量齒輪的轉速，也可以進一步測量齒輪轉動時的角加速度，方波信號的波形見圖2。

圖2 方波信號示意圖

設轉軸上齒輪圓盤的齒輪分布均勻，其齒數為N，每相鄰兩齒之間的角度差為=2π/N，設第到i+1齒之間所用的時間為Ti，設第i+1到i+2齒之間所用的時間為+1，在期間飛輪的轉動角速度為＝θ/，在+1期間飛輪的轉動角速度為+1＝θ/+1，則飛輪在這這段時間的平均角加速度為：

式中，

Ti——第i個方波的周期；

θ——任意兩個齒之間的角度差，為一定值。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件組成：磁電式轉速傳感器、單片機C8051F320、通用PC、安裝在轉軸上與軸同軸的標準齒輪圓盤。磁電式轉速傳感器檢測轉軸的轉速信號。齒輪圓盤上的齒輪分布均勻且等高，當軸轉動時齒輪改變轉速傳感器處的磁阻，使磁電式傳感器輸出大小不斷變化近似于正弦波的電信號。

3.1 信號調理

轉速傳感器輸出的信號經過一定距離傳輸后會受到一些干擾，會使原信號出現(xiàn)一些毛刺。為了消除這些毛刺，對轉速信號整形，以便于單片機測量轉速信號的周期。在本系統(tǒng)中設計了一個過零比較電路，詳見圖3。

圖3 轉速信號整形原理圖

3.2 C8051F320接口設計

單片機C 8051F320是Cygnal公司的一款高性能的混合信號單片機。它實際上是一款小型片上系統(tǒng)（SOC）集成芯片，集成了傳統(tǒng)的8051內核和全速USB控制器。它具有與MCS-51內核及指令集完全兼容的微控制器，高速的流水線操作，使大部分指令能夠在一個或兩個周期內完成，帶有USB收發(fā)器，完全遵循USB協(xié)議2.0，支持12Mbps的全速傳輸或1.5Mbps的低速傳輸，可時鐘恢復，不需額外的晶振，提供有8個端點（endpoint），且每個端點的傳輸類型、傳輸方向均可自由配置。另外，它還集成有1 KB的USB SRAM和USB收發(fā)器，內置的16 KB的在系統(tǒng)（ISP，In-System Programming）Flash存儲器和256 B的內部RAM，還可以訪問外部數據存儲器RAM，即XRAM。它還可以為固件提供足夠的存儲空間，不需要再擴展外部存儲器。

角加速度測量系統(tǒng)用到了C 8051F320的16位可編程計數器/定時器陣列（PCA）的特殊功能模塊——捕獲/比較模塊，每個模塊都可配置為獨立工作，有六種工作方式：邊沿觸發(fā)捕獲、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位脈寬調制器和16位脈寬調制器。在設置為邊沿觸發(fā)捕獲時，對應模塊的CEXn引腳上出現(xiàn)某種電平跳變（可設置為上升沿或下降沿）時，觸發(fā)PCA捕捉中斷，這時由硬件自動完成將PCA計數器/定時器的值裝入到對應模塊的16位捕捉/比較寄存器（PCA0CPLn和PCA0CPHn）。利用這種自動捕獲的功能來測得轉速信號的周期，為角加速度的測量做好準備。在本系統(tǒng)中，只使用一個捕獲比較模塊CEX0。

在C8051F320單片機內部，有可編程數字I/O和交叉開關，數字交叉開關允許將內部數字系統(tǒng)資源映射到端口I/O引腳?？赏ㄟ^設置交叉開關控制寄存器，將片內的計數器/定時器、串行總線、硬件中斷、比較器輸出以及微控制器內部的其它數字信號配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳豐富的I/O資源。由于這一特點，在設計硬件系統(tǒng)時須結合系統(tǒng)需要來配置端口I/O和交叉開關，通過設置I/O交叉開關寄存器、I/O端口輸入、輸出設置寄存器、跳過寄存器和各種功能I/O的接線優(yōu)先級來確定各端口的設置。在本系統(tǒng)中設置XBR0=00000011b，XBR1=01100001b，允許UART、CEX0、T2、SPI和/INT，開放交叉開關。其余的I/O端口作通用I/O接口，P2.0-7作LED的數據接口。CEX0接整形后的方波信號，T2也接整形后的方波信號，SPI接口作單片機的調試編程接口。

圖4 單片機接口設計

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括C8051F320程序設計、USB固件設計、USB驅動程序設計和上位機應用程序設計。

4.1 C8051F320程序設計

單片機的主要任務是初始化、管理單片機的各種資源，在系統(tǒng)上電或復位操作后，主程序初始化I/O端口、寫I/O端口設置寄存器來配置I/O，開放全局中斷，清單片機數據存儲區(qū)，接收上位機應用程序發(fā)出的各種命令，在上位機發(fā)出測量角加速度指令時，啟動角加速度測量程序；若發(fā)出測量轉速指令時，啟動轉速測量程序，并在LED上按照一定的刷新率顯示實時轉速。在開始測量角加速度時，由開放CEX0引腳的捕獲中斷，在主程序中建立事件標志，以結合中斷標志控制轉速信號周期的連續(xù)測量，主程序CEX0對應的捕獲寄存器的值送到USB的FIFO寄存器對應端口的數據緩沖區(qū)，當緩沖區(qū)滿時產生一次傳輸中斷，向上位機傳送數據。而這個過程對轉速信號周期的測量沒有影響。單片機大部分時間運行轉速的測量，速度測量采用定時1 s，計算每秒鐘之內測得的方波信號的數量來確定的。主程序的流程見圖5。

圖5 主程序流程示意圖

4.2 USB固件設計

固件負責輔助硬件讓設備雙向交換數據，其主要功能是，接收并處理USB驅動程序的請求及應用程序的控制指令。Cygnal公司為C8051F32X系列的單片機提供了一個含有固件庫（Firmware Lib）和固件框架（Firmware Frame）的USBXPress工具包，能用Keil C51集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，在固件庫中提供了一些常量、數據結構、宏定義、函數來簡化用戶對芯片開發(fā)和使用。用戶只需在程序中包含進USB_API.h，并且把USB_API.lib添加進項目即可，在工具包提供USB_MAIN.c的基礎上，使用C8051F320.h的頭文件。根據本系統(tǒng)傳輸數據的實際需要，選擇適合的傳輸方式，使用端點0和端點2，即采用控制傳輸和塊傳輸。在USB系統(tǒng)中，一共有4個端點，即端點0、1、2、3，分別也對應著控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸以及同步傳輸。這里用到的控制傳輸用來實現(xiàn)位于上位機的USB總線驅動程序以及編寫的功能驅動程序對設備的各種操作；而塊操作用來完成主機與設備間的大量數據傳輸即采集的數據上傳使用。

4.3 USB驅動設計

Cygnal提供的USBXPress工具包里一個通用的設備驅動程序CygF32x.sys，可用于C8051F32X系列芯片，完成基本的USB通信任務。在本系統(tǒng)中用DDK對上述驅動程序進行了修改，將不常用的函數刪除，同時根據需要添加了自己定義的函數。

4.4 上位機應用程序設計

上位機應用程序實現(xiàn)數據采集處理系統(tǒng)間的USB通信、向系統(tǒng)發(fā)送控制命令以及接收發(fā)送控制命令，以及接收系統(tǒng)傳過來的數據并進行存儲、處理與顯示。在Win32系統(tǒng)中，各個設備被抽象為文件，應用程序通過文件操作API函數實現(xiàn)驅動程序中某個設備的通信。在本系統(tǒng)的應用程序中使用CreateFile()、W riteFile()、ReadFile()、CloseFile()、DeviceIOControl()等函數。在應用程序中，只需將上述函數添加到相應的功能模塊中便可完成應用程序對USB器件即單片機的操作。主程序在VC6.0的環(huán)境中開發(fā)，其開發(fā)參照了USBXPress工具箱中提供的例子。使用了CygF32xUSB.h和CygF32xUSB.lib文件。應用程序流程圖見圖6。

圖6 應用程序流程圖

5 總結

本文介紹了一種轉軸狀態(tài)測量的方法，包括器件的選用和系統(tǒng)的搭建，提供了一套完整的方案。在試驗室調試時，對函數發(fā)生器輸出的10 Hz到10 kHz的方波的周期進行了測量，測量的精度可達99.4%。對本文的角加速度測量系統(tǒng)稍加改進，可用于發(fā)動機的故障診斷中，特別是在大中型柴油機的故障自動檢測中有較大的應用前景。

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5 CYGNAL.Readme of]USBXpressRelease Version 1.2 CYGNAL Integrated Products,Inc.(C)2002

6蕭世文.USB硬件設計[M].北京：清華大學出版社，2002.

7武安河，周利莉.W indows設備驅動程序（VxD與WDM）開發(fā)務實[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

Application ofC8051F320 in MeasurementofRotating Shaft

Liu Xin
（The People's Liberation Army 95483 Troops,Chengdu 611430,China）

Shaft angular acceleration is one of themost important parameters to indicate the state of rotation.Ithasawideand importantapplication.The theory andmethod ofmeasuringangularacceleration is researched.An approach to highly accurate and successive angular accelerationmeasurement is sought.A USB dataacquisition equipment isdeveloped based onmicrocontroller C8051F320.Themicrocontrollerhas unique function of automatically capturing the rising or falling edges of a square wave,which supplies convenience to measure the width of rotary speed signal.Furthermore,the USB module of the microcontroller simplifies thearchitectureofUSB dataacquisition system and enhances its reliability.

shaft,angular acceleration,measurement,squarewave width,USBdata acquisition,C8051F320

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.04.009

來稿日期：2010-07-08

劉鑫（1973-），男，工程師，主要研究方向為機械制造及其自動化。