工程機械一體化檢測與故障診斷係統設計

 

    現有工程機械檢測診斷設備主要采用各種不同類型、不(bu)同(tong)型(xing)號(hao)的(de)監(jian)測(ce)儀(yi)表(biao)組(zu)合(he)而(er)成(cheng)，製(zhi)造(zao)廠(chang)家(jia)依(yi)據(ju)各(ge)種(zhong)機(ji)械(xie)的(de)實(shi)際(ji)需(xu)求(qiu)
，采(cai)用(yong)外(wai)購(gou)或(huo)合(he)作(zuo)生(sheng)產(chan)方(fang)式(shi)選(xuan)用(yong)其(qi)它(ta)廠(chang)家(jia)生(sheng)產(chan)的(de)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)為(wei)自(zi)己(ji)的(de)機(ji)械(xie)配(pei)裝(zhuang)

，由(you)於(yu)所(suo)配(pei)儀(yi)表(biao)來(lai)自(zi)不(bu)同(tong)的(de)生(sheng)產(chan)廠(chang)家(jia)和(he)單(dan)位(wei)，且(qie)種(zhong)類(lei)各(ge)異(yi)，工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)不(bu)同(tong)
，其(qi)可(ke)靠(kao)性(xing)也(ye)有(you)很(hen)大(da)差(cha)異(yi)；另外，受各廠家技術水平的影響，即使同一類設備也會出現不同的效果，並且易於失效和損壞。

 

    工程機械上常有的檢測內容主要是電流、氣壓
、油壓、油溫、水溫與轉速等，而對於一些十分需要的項目卻沒有相應的測量設備或儀表，如電壓、工作時間計數、流量、卸載高度及負荷重量等。又由於其種類、型xing號hao各ge異yi，造zao成cheng在zai儀yi表biao盤pan上shang布bu置zhi困kun難nan，有you的de機ji械xie上shang麵mian多duo達da十shi餘yu個ge儀yi表biao
，大da小xiao不bu同tong

，樣yang式shi不bu同tong，使shi整zheng個ge儀yi表biao盤pan看kan起qi來lai零ling亂luan，而er且qie不bu便bian於yu觀guan察cha，既ji增zeng加jia了le安an裝zhuang布bu置zhi的de複fu雜za性xing，也ye降jiang低di了le使shi用yong上shang的de可ke靠kao性xing。

 

    工gong程cheng機ji械xie現xian有you的de智zhi能neng診zhen斷duan係xi統tong一yi般ban都dou基ji於yu計ji算suan機ji係xi統tong，有you的de還hai需xu要yao計ji算suan機ji網wang絡luo來lai實shi現xian，而er工gong程cheng機ji械xie實shi際ji作zuo業ye大da多duo在zai野ye外wai進jin行xing
，由you於yu很hen難nan具ju備bei上shang述shu所suo需xu的de條tiao件jian，這zhe將jiang導dao致zhi現xian有you的de許xu多duo診zhen斷duan技ji術shu不bu能neng在zai時shi機ji中zhong應ying用yong。如ru何he解jie決jue野ye外wai條tiao件jian下xia對dui有you故gu障zhang的de機ji械xie進jin行xing快kuai速su檢jian測ce和he維wei修xiu，已yi成cheng為wei目mu前qian應ying用yong中zhong需xu解jie決jue的de問wen題ti。

 

    基(ji)於(yu)上(shang)述(shu)原(yuan)因(yin)

，我(wo)們(men)認(ren)為(wei)有(you)必(bi)要(yao)開(kai)發(fa)一(yi)套(tao)全(quan)新(xin)概(gai)念(nian)上(shang)工(gong)程(cheng)機(ji)械(xie)狀(zhuang)態(tai)檢(jian)測(ce)與(yu)故(gu)障(zhang)診(zhen)斷(duan)係(xi)統(tong)，從(cong)而(er)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)提(ti)高(gao)工(gong)程(cheng)機(ji)械(xie)狀(zhuang)況(kuang)檢(jian)測(ce)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)及(ji)可(ke)靠(kao)性(xing)。為(wei)此(ci)，文(wen)章(zhang)應(ying)用(yong)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)、信號處理分析
、專家係統等技術，研製並開發了一套全新概念的工程機械監測係統，可通過對機械狀態測試、數shu據ju分fen析xi與yu故gu障zhang診zhen斷duan，確que定ding機ji械xie的de實shi時shi工gong作zuo狀zhuang態tai及ji所suo需xu的de各ge種zhong參can數shu，確que定ding機ji械xie的de故gu障zhang形xing式shi和he故gu障zhang部bu位wei，直zhi至zhi給gei出chu發fa生sheng故gu障zhang的de零ling部bu件jian或huo元yuan器qi件jian，從cong而er對dui有you故gu障zhang的de機ji械xie（特別是電路係統）進行快速監測和維修。

 

    2係統總體設計

 

    2.1係統的硬件組成

 

    工程機械一體化監測與故障診斷係統的硬件部分主要由傳感器、中央處理器、顯示裝置、控製裝置4大部分組成，實現信號采集、顯示管理和時鍾計時。它能對通信部分、鍵(jian)盤(pan)部(bu)分(fen)以(yi)及(ji)參(can)數(shu)庫(ku)的(de)傳(chuan)遞(di)進(jin)行(xing)管(guan)理(li)。由(you)於(yu)該(gai)係(xi)統(tong)所(suo)要(yao)測(ce)量(liang)的(de)參(can)數(shu)較(jiao)多(duo)
，且(qie)類(lei)型(xing)不(bu)同(tong)，所(suo)以(yi)要(yao)采(cai)用(yong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)也(ye)就(jiu)依(yi)具(ju)體(ti)情(qing)況(kuang)來(lai)選(xuan)用(yong)，但(dan)總(zong)體(ti)的(de)原(yuan)則(ze)是(shi)均(jun)采(cai)用(yong)現(xian)代(dai)電(dian)子(zi)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)，既(ji)可(ke)提(ti)高(gao)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)，也(ye)有(you)利(li)於(yu)對(dui)信(xin)息(xi)的(de)傳(chuan)遞(di)與(yu)處(chu)理(li)。如(ru)選(xuan)用(yong)電(dian)磁(ci)式(shi)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)
、熱電偶溫度傳感器、半導體壓力傳感器、渦流流量傳感器、熱線流量傳感器等。係統總體結構設計如圖1所示。

 

    2.2係統工作原理

 

    係統工作原理如圖2所示，此係統集監測、診斷、學習於一體，在默認狀態下，係統的缺省工作模式為監測模式。係統工作時，各傳感器將采集到的信號轉換後送至處理器(Msp430)，處理器通過專家係統調用數據庫
，進行綜合比較判斷分析
，如果可以確認係統為正常狀態，則繼續對係統進行檢測；反之，若判斷異常，則報警並進入診斷模式，如果根據數據庫中已有的案例集
，可以判斷故障原因
，則給出故障原因
，並提示維修方法；如果判斷不出故障原因
，則進入學習模式，記錄機械的狀態參數
，並借助專家的幫助建立新的故障案例，擴展知識庫。

 

    3係統硬件設計及各部分工程實現

 

    3.1信號采集部分

 

    信號采集部分可采集機械電路部分的交直流電壓
、電流、阻抗、dianronghedianhuozhuangzhidedianhuoyanshidengcanshu
，caijideshujujikegongbenjiancexitongzhenduanshiyong，yekejiangshujuchuandigeizhujisuanjiyigongjinyibudezhenduan。dianluxinhaocaijideyuanlitujiantu3。

 

    3.2實時時鍾部分

 

    係統在運行時需要實時時鍾信息，因此在本係統設計時，給係統增加了實時時鍾，采用了一個RI-COH(理光)的實時時鍾芯片RS5C372。RS5C372是一種12C總線的串行接口的實時時鍾芯片，它具有工作電壓範圍寬(1.4~6V)、維持電流小
、能提供毫秒、秒
、分
、小時、時期和年等的實時計數的特點。

 

    3.3鍵盤管理部分

 

    單片機的鍵盤部分的實現方法通常由直接譯碼法，或是行

、列掃描法。前者的優點是電路簡單、程序實現容易，但缺點是所占用係統的I/O口線多
，要實現n個按鍵就需要n條I/O口線。因此該方法隻適用於按鍵較少及係統資源較多的場合。而後者由於使用了行
、列掃描
，因此用較少的I/O口線可以實現較多的按鍵，比如
，使用2n根I/O口線可實現n×n個按鍵。此方法適用於那些係統資源缺乏，但同時需要大量按鍵的場合。由於行

、列掃描法為了得到按鍵值，需要對鍵盤不停的掃描，這樣一方麵要占用MCU的時間，另一方麵
，又增加了係統的功耗。因此在本係統中，充分利用了Msp40強大的中斷功能，以中斷方式實現了行列式管理鍵盤。

 

    3.4通信接口模塊

 

    為了能充分發揮機算機強大的計算

、存貯以及顯示能力
，並且隨時根據需要對本係統內高容量MMC卡中存貯的各種數據庫的數據進行數據更新，以適應新機械設備的診斷或是對原機械設備增加新的測試項目、增加新的診斷經驗等
，設置了一個與機算機進行通信的標準串行通信接口

，可以傳輸多種資料如各種漢字庫、圖片庫和參數庫等。標準串行通信接口的原理如圖4所示，圖中電路采用了RS232的接口芯片MAX32232
，且周圍電路也是標準的。利用這個電路
，監測係統就可以和機算機進行各種數據交換或是采集數據的傳輸了。

 

    為了提高傳輸效率，確保通信的可靠性，特為此製定了一個通信協議。為協議主要由握手過程
、傳輸控製命令過程和數據傳輸過程等組成。

 

    從圖4種zhong可ke以yi看kan出chu

，在zai每mei一yi次ci傳chuan輸shu數shu據ju前qian，由you數shu據ju的de傳chuan輸shu方fang發fa出chu傳chuan輸shu控kong製zhi命ming令ling，由you接jie收shou方fang進jin行xing應ying答da，然ran後hou再zai進jin行xing數shu據ju的de傳chuan輸shu
，接jie收shou方fang接jie收shou完wan數shu據ju後hou進jin行xing應ying答da。若ruo接jie收shou方fang所suo接jie收shou數shu據ju的deCPC校驗錯誤，則以應答方式通知發送方進行數據的重發，確保數據傳輸的準確性。數據傳輸階段一次數據傳輸的最大長度是521字節，若數據長度超過521字節，則必須重複數據傳輸階段多次，直到數據傳輸完成。

 

    3.5液晶現實部分

 

    由於要用液晶顯示器現實較複雜的圖形和文字，所以采用了Sed1335液晶控製器控製的320×240點陣的液晶屏。Sed控製器是同類液晶控製器中功能最強大的控製器，它有較強功能的I/O緩衝器，可以進行圖形和文字的混合顯示，能滿足本儀器對現實的要求和方式。

 

    要在液晶顯示屏上顯示圖形和文字，必須對液晶控製器進行初始化操作
，隻有進行合適的初始化操作後
，才能進行圖形、文字以及圖形文本的混合顯示。對Sed1335液晶控製器的初始化操作過程如圖5所示。

 

    為了在液晶屏上顯示漢字
，首先要從漢字庫中取出該漢字的顯示字模數據，然後將該字模數據送至相應的現實緩衝區中。

 

    3.6高容量存貯部分

 

    液晶顯示器需要的24×24點陣、16×16點陣的不同字體的字庫文件，智能測試所需要的各種資料庫、圖片庫等都非常龐大，需要大量的存貯空間。比如一個標準的國標24點陣的漢字庫就至少需要467Kbit，又比如顯示一幅320×240點陣的測試圖片，需要9.4Kbit的存貯空間
，若有1000幅這樣的測試圖片
，則所需的空間將是近10Mbit。加上其它的診斷知識、規則和數據等，所需的空間是非常大的。

 

    通常用來擴展外部存貯空間的方法有：隻讀存貯器(EPROM)
、靜態存貯器(SRAM)、閃爍存貯器(FLASH)、串行或並性電可改寫貯存器(E2PROM)
，這幾種擴展外部空間的方法各有優點：製度存貯器不能在線更新其中的資料；靜態存貯器由於要用後備電池來保持其中的數據
，而且擴展的成本隨著容量的增大也呈級數增大；FLASH存貯器也同E2PROM存貯器和SRAM存貯器一樣，均是單片容量不能做得很大(比如大於10Mbit)。

 

    根據實際情況
，本裝置需要擴展到64Mdeshujucunzhukongjian，womencaiyongleduopianqijianjinxingjiliandejiejuefangan。danzheyangzuobujinhuizengjialeyiqidianludefuzachengdujiyinshuadianlubandemianji，shiyanzhichengbenzengjia，erqiehaihuiduijinhourongliangdejinyibukuozhanheyiqideshengjidailailekunnan。yinci，zaizuichuduishujucunchukongjianjinxingshejishi，yingduiqijinxingkexuedepingguyuyouhua
，yibachucunkongjianxuanzeyigeshidangdezhi。

 

    4係統軟件設計

 

    係統軟件利用中央處理器自身的控製指令，用彙編語言編寫，通過編成器進入CPU
，軟件係統流程圖如圖7所示。

 

    機(ji)械(xie)啟(qi)動(dong)後(hou)
，該(gai)係(xi)統(tong)自(zi)動(dong)加(jia)電(dian)啟(qi)動(dong)
，經(jing)對(dui)各(ge)端(duan)口(kou)及(ji)寄(ji)存(cun)器(qi)進(jin)行(xing)初(chu)始(shi)化(hua)後(hou)，開(kai)始(shi)接(jie)收(shou)各(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)傳(chuan)來(lai)的(de)數(shu)據(ju)

，比(bi)規(gui)格(ge)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)
，經(jing)端(duan)口(kou)檢(jian)驗(yan)，將(jiang)加(jia)收(shou)到(dao)的(de)數(shu)據(ju)與(yu)該(gai)端(duan)口(kou)的(de)測(ce)量(liang)參(can)數(shu)的(de)故(gu)障(zhang)極(ji)限(xian)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)
，若(ruo)超(chao)出(chu)正(zheng)常(chang)數(shu)據(ju)值(zhi)，則(ze)經(jing)聲(sheng)光(guang)方(fang)式(shi)給(gei)予(yu)報(bao)警(jing)，若(ruo)所(suo)測(ce)數(shu)據(ju)在(zai)正(zheng)常(chang)範(fan)圍(wei)內(nei)，則(ze)不(bu)予(yu)報(bao)警(jing)，並(bing)將(jiang)數(shu)據(ju)存(cun)入(ru)RAM
，然後將數據送入顯示模塊進行顯示。

 

    為有效利用該係統的功能，各測量數據由軟件設計自動存入其RAMnei，xuyaoshiketongguoxitongdeshuchujiekoushurudaowaibujisuanjinei，zaijisuanjishangduishujujinxingxiangxifenxi，yijinyibulejieqigongzuozhuangkuangjiguzhangfashengshideqingkuang。

 

    5結論

 

    從cong整zheng體ti上shang講jiang，該gai係xi統tong采cai用yong目mu前qian較jiao為wei成cheng熟shu的de電dian子zi技ji術shu與yu產chan品pin，具ju有you較jiao高gao的de可ke靠kao性xing，成cheng本ben相xiang對dui較jiao低di


，且qie采cai用yong全quan固gu定ding器qi件jian，能neng夠gou適shi應ying工gong程cheng機ji械xie野ye外wai惡e劣lie工gong作zuo環huan境jing時shi的de需xu求qiu
，是shi對dui目mu前qian工gong程cheng機ji械xie狀zhuang態tai監jian測ce與yu故gu障zhang診zhen斷duan設she備bei的de一yi種zhong換huan代dai設she計ji

，更geng加jia有you利li於yu工gong程cheng機ji械xie的de使shi用yong與yu維wei護hu。(end)