基于FPGA的船用中低速柴油机气缸压力在线监测系统技术领域
本发明涉及柴油机性能监测技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的船用中低速柴油
机气缸压力在线监测系统。
背景技术
柴油机气缸压力示功图是描述柴油机缸内工作状态的重要参数。测量气缸压力示
功图的实质是测量气缸中气体压力随时间(或曲轴转角、气缸容积)变化过程，利用气缸压
力示功图可研究柴油机缸内的燃烧过程、气体与缸壁传热过程、进排气过程以及提取故障
信息用于诊断柴油机状态。
气缸压力在线监测系统可实现柴油机多个气缸压力的同时在线测量、气缸压力示
功图和特征参数显示，便于技术人员实时对比分析缸内工作状态监测和故障诊断，因此开
发一套船用中低速柴油机气缸压力在线监测系统具有工程应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于FPGA的船用
中低速柴油机气缸压力在线监测系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于FPGA的船用中低速柴油机
气缸压力在线监测系统，包括：
传感器，所述传感器包括用于获取气缸缸内压力数据的缸压传感器、用于获取柴
油机上止点脉冲信号的上止点传感器和用于获取柴油机曲轴转角信号的曲轴转角传感器；
信号调理单元，所述信号调理单元包括缸压调理模块和触发信号调理模块，所述
缸压调理模块用于将气缸压力传感器的输出调理为2.5V范围内的电压信号供采集控制单
元采集；触发信号调理将上止点和曲轴转角传感器的信号输出调理为标准的TTL信号；
采集控制单元，用于对信号调理单元处理的船用柴油机多缸缸压信号进行等曲轴
转角同步采集和预处理；所述预处理包括断线检测、曲轴转角脉冲畸变点判断、瞬时转速计
算和缸压信号周期平均；
所述采集控制单元的等曲轴转角同步采集方法如下：船用中低速柴油机多缸缸内
压力等曲轴转角同步测量，曲轴转角信号接入FPGA某一全局时钟引脚，通过其他多个全局
时钟引脚同步输出作为A/D转换器的数据采集触发信号，A/D转换器数据输出的同步时钟由
控制器FPGA产生，系统以上止点和曲轴转角信号触发采集，从而实现柴油机多缸气缸压力
的同步等曲轴转角采集。
上位机，用于通过预处理后的缸压数据，并进行分析处理、计算气缸压力特征参
数，对比显示各缸示功图。
按上述方案，所述缸压传感器为电流型传感器，采集缸内压力，输出4-20mA电流信
号接入调理板调理标准TTL信号。
按上述方案，所述采集控制单元中，单个单元配置6路缸压数据采集通道。
按上述方案，所述所述气缸压力在线监测系统还包括通信模块，用于实现采集控
制单元和上位机之间的数据传输。
按上述方案，所述气缸压力在线监测系统包括多个采集控制单元，各采集控制单
元之间通过同一上止点信号开始采集，曲轴转角信号触发采集。
本发明产生的有益效果是：
1.本发明以FPGA为控制器，利用FPGA内部的逻辑可编辑，I/O模块可配置的并行构
架，对船用柴油机多缸缸压信号进行等曲轴转角同步采集和预处理，具有电路设计简单，
PCB面积少，系统稳定性高等特点。
2.本发明以FPGA为控制器，进行传感器断线检测和对曲轴转角信号进行畸变点检
测，提高了系统的工程现场适用性。
3.本发明可以同时测量柴油机多个缸的气缸压力示功图，同步显示各缸示功图曲
线，便于在线监测柴油机各缸状态。
4.本发明可以通过设置与显示单元修改采集控制器的参数化数据，提高了系统的
通用性。
5.本发明可以通过本地设置与显示单元查看预处理后的各缸缸压信号，便于系统
调试。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的系统结构示意图；
图2是本发明实施例的采集控制单元结构示意图；
图3是本发明实施例的系统工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明
进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限
定本发明。
如图1所示，本发明的基于FPGA船用中低速柴油机在线气缸压力测试系统,主要包
括电源、传感器、信号调理单元、采集控制单元、设置与显示单元、上位机软件。
具体如下：
电源，输入24VDC，经过电源转换芯片产生系统各模块所需电源及标准基准电压。
传感器，包括缸压传感器、曲轴转角传感器和上止点传感器；多个缸压传感器安装
在柴油机各缸示功阀上，传感器输出电流信号。
信号调理单元包括缸压调理单元和触发信号调理单元，缸压调理模块的信号依次
经过以下几个电路模块处理：电流信号转电压信号电路(针对电流型气缸压力传感器)，或
放大器(针对电压型气缸压力传感器)、滤波电路滤除缸压信号的毛刺和畸变，电压跟随器
增强信号的驱动能力，分压电阻将电压转换成A/D转换器参考电压范围内。触发信号调理模
块的信号依次经过以下几个电路模块处理：电压跟随器电路增强信号驱动能力，可调电压
阈值的电压比较器电路，通过调节比较器的电压阈值来满足不同上止点和曲轴转角传感器
输出信号的类型，使触发信号调理模块输出标准TTL信号，磁偶隔离电路隔离干扰。
采集控制单元用于对信号调理单元处理的船用柴油机多缸缸压信号进行等曲轴
转角同步采集和预处理；图2是本发明实施例的采集控制单元结构示意图；
柴油机多缸缸内压力同步等曲轴转角测量，曲轴转角信号接入FPGA某一全局时钟
引脚，通过其他多个全局时钟引脚及PCB等长布线同步输出作为A/D转换器的数据采集触发
信号，A/D转换器数据输出的同步时钟由控制器FPGA产生，且周期远小于曲轴转角周期。系
统以上止点信号开始采集，曲轴转角信号触发采集，从而实现柴油机多缸气缸压力的同步
等曲轴转角采集。
A/D转换器是采用16位精度，采样率在100-500Kbps可选择的SPI三线制串行模式
数据输出，其采样率远远满足等曲轴转角采样的速度要求。
采集控制单元配置有DDR3数据缓存器，数据经过串并转换、重排合并位宽后经
DDR3缓存后，由相应的读取模块读取DDR3的数据通过通信模块向外发送给上位机和设置与
显示单元。
通信模块，包括以太网通信和USB通信，以太网通信模块由以太网PHY芯片和RJ45
以太网接口组成，PHY芯片MII或GMII接口与FPGA相连，以太网可配备100Mbps或1000Mbps速
率，USB通信模块由USB微控制器芯片和接口组成。通过以太网通信实现控主控制单元和上
位机之间的数据传输，通过USB通信实现主控制单元与设置与显示单元之间的数据传输，
设置与显示单元用于显示各缸气缸压力示功图对比图和柴油机特征参数等，执行
上位机相同功能，其调试模式下可配置采集控制单元的参数，包括柴油机飞轮齿数(通过飞
轮齿数确定一个周期示功图数据的采样点数)，数据周期平均数(根据实际精度要求情况确
定多少周期平均)，曲轴转角倍频数等(计算转速时需要的参数)，以适用于更多柴油机。
采集控制单元可通过扩展适用于6缸以上柴油机进行气缸压力采集，采集控制单
元扩展口是针对6缸以上柴油机气缸压力采集时外接从控制器，主从单元基于同一上止点
开始，同一曲轴转角信号触发采集，主采集控制单元处理采集的数据并发送至上位机和设
置与显示单元。此设计方法可适应高温、高湿度、振动和电磁干扰等恶劣坏境。
所述运行状态指示灯主要包括DDR3初始化成功指示灯，红色灯亮代表初始化成功
并一直亮知道断电或复位，以太网数据发送完成绿灯1亮闪一次，USB数据发送完成绿灯2亮
闪一次，电源指示灯正常状态一直亮，在线调试红灯闪亮，长时间不接网线红灯一直亮只掉
网线接通等等。
所述可通过扩展适用于6缸以上柴油机进行气缸压力采集，通过控制单元扩展口
外接一个控制单元，并将其中一个设置为从单元，一个主单元，从单元将采集的数据传送给
主单元，主从控制单元之间的数据线包括电源线，上止点信号线，曲轴转角信号线，串行数
据线，状态线和使能线等。
采集控制单元上电后对接入信号的状态进行检测，每路接入信号通道都设置有状
态指示灯，根据传感器信号线与地线构成回路的特点，在上电断线检测阶段，施加一高电
平，如果外部传感器输出端未接入控制器相应输入通道时，LED灯所在线路无法构成通路，
所有通道指示灯都不亮，反之一直处于亮状态，直到断开，通过此来判端传感器信号线是否
连接控制器，系统运行过程中，上止点和曲轴转角信号接入通道指示灯不停闪烁，表明两传
感器均能接收正常信号，若只是一直亮而不闪烁表明传感器出现故障。
采集控制单元进行曲轴转角脉冲畸变点判断，FPGA采用高频计数法测量瞬时转速
脉冲周期，对输入曲轴转角信号的要求较高。在实际船条件下，信号总会产生一定的干扰，
且受齿轮表面损伤以及剖分析齿轮结合面间隙等齿距误差的影响，瞬时转速的信号中会引
入部分脉冲性干扰信号，即畸变点，由于瞬时转速波动的平稳性，相邻两点的转速波动差不
应该超过某个值，根据这一特点可判断是否是畸变点，系统需要通过编程将畸变点剔除，得
到可靠的气缸压力示功图。
所述缸压信号周期平均预处理，控制器将采集的数据做周期平均后由通信模块向
外发送，具体实现多少个周期平均，通过设置与显示模式在调试模式下配置的周期平均数
参数。通过在下位机采集控制器实现周期平均，可以简轻上位机负担，提高程序运行效率。
所述上位机软件设置为客户端，采集控制器为服务端，上位机软件调用以太网通
信模块与采集控制器以太网实现数据的接收与发送，上位机一直侦听以太网端口，一旦网
络接通(即服务器端与客户端存在联接)，上位机便实时接收当前采集的数据，并进行分析
处理、计算气缸压力特征参数，对比显示各缸示功图等，若长久未联接且数据量超过了DDR3
的存储容量，则通过指示灯发出警报指示，并清空DDR3历史数据，重新接收新数据。
所述瞬时转速计算是通过输入FPGA的曲轴转角信号计算柴油机当前转速。可通过
等精度测频法原理和测周期法原理编程实现转速的测量。
本发明实施例的系统工作流程图如图3所示。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，
而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。