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工程机械一体化检测与故障诊断系统设计

1 研究意义

现有工程机械检测诊断设备主要采用各种不同类型、不同型号的监测仪表组合而成，制造厂家依据各种机械的实际需实验机开机时有15秒的检测时间求，采用外购或合作生产方式选用其它厂家生产的测量设备为自己的机械配装，由于所配仪表来自不同的生产厂家和单位，且种类各异，工作原理不同，其可靠性也有很大差异；另外，受各厂家技术水平的影响，即使同一类设备也会出现不同的效果，并且易于失效和损坏。

工程机械上常有的检测内容主要是电流、气压、油压、油温、水温与转速等，而对于一些十分需要的项目却没有相应的测量设备或仪表，如电压、工作时间计数预估需要200亿元、流量、卸载高度及负荷重量等。又由于其种类、型号各异，造成在仪表盘上布置困难，有的机械上面多达十余个仪表，大小不同，样式不同，使整个仪表盘看起来零乱，而且不便于观察，既增加了安装布置的复杂性，也降低了使用上的可靠性。

工程机械现有的智能诊断系统一般都基于计算机系统，有的还需要计算机络来实现，而工程机械实际作业大多在野外进行，由于很难具备上述所需的条件，这将导致现有的许多诊断技术不能在时机中应用。如何解决野外条件下对有故障的机械进行快速检测和维修，已成为目前应用中需解决的问题。

基于上述原因，我们认为有必要开发一套全新概念上工程机械状态检测与故障诊断系统，从而可以有效提高工程机械状况检测的准确性及可靠性。为此，文章应用数据采集、信号处理分析、专家系统等技术，研制并开发了一套全新概念的工程机械监测系统，可通过对机械状态测试、数据分析与故障诊断，确定机械的实时工作状态及所需的各种参数，确定机械的故障形式和故障部位，直至给出发生故障的零部件或元器件，从而对有故障的机械（特别是电路系统）进行快速监测和维修。

2 系统总体设计

2.1 系统的硬件组成

工程机械一体化监测与故障诊断系统的硬件部分主要由传感器、中央处理器、显示装置、控制装置4大部分组成，实现信号采集、显示管理和时钟计时。它能对通信部分、键盘部分以及参数库的传递进行管理。由于该系统所要测量的参数较多，且类型不同，所以要采用的传感器大力发展利用可再生能源与工业余热的塑料造粒机技术也就依具体情况来选用，但总体的原则是均采用现代电子式传感器，既可提高测量精度，也有利于对信息的传递与处理。如选用电磁式速度传感器、热电偶温度传感器、半导体压力传感器、涡流流量传感器、流量传感器等。系统总体结构设计如图1所示。

2.2 系统工作原理

系统电工器材工作原理如图2所示，此系统集监测、诊断、学习于一体，在默认状态下，系统的缺省工作模式为监测模式。系统工作时，各传感器将采集到的信号转换后送至处理器(Msp430)，处理器通过专家系统调用数据库，进行综合比较判断分析，如果可以确认系统为正常状态，则继续对系统进行检测；反之，若判断异常，则报警并进入诊断模式，如果根据数据库中已有的案例集，可以判断故障原因， 则给出故障原因，并提示维修方法；如果判断不出故障原因，则进入学习模式，记录机械的状态参数，并借助专家的帮助建立新的故障案例，扩展知识库。

3 系统硬件设计及各部分工程实现

3.1 信号采集部分

信号采集部分可采集机械电路部分的交直流电压、电流、阻抗、电容和点火装置的点火延时等参数，采集的数据既可供本监测系统诊断使用，也可将数据传递给主计算机以供进一步的诊断。电路信号采集的原理图见图3。

3.2 实时时钟部分

系统在运行时需要实时时钟信息，因此在本系统设计时，给系统增加了实时时钟，采用了一个RI-COH(理光而更重要的是)的实时时钟芯高拍仪片RS5C372。RS5C372是一种12C总线的串行接口的实时时钟芯片，它具有工作电压范围宽(1.4~6V)、维持电流小、能提供毫秒、秒、分、小时、时期和年等的实时计数的特点。

3.3 键盘管理部分

单片机的键盘部分的实现方法通常由直接译码法，或是行、列扫描法。前者的优点是电路简单、程序实现容易，但缺点是所占用系统的I/O口线多，要实现n个按键就需要n条I/O口线。因此该方法只适用于按键较少及系统资源较多的场合。而后者由于使用了行、列扫描，因此用较少的I/O口线可以实现较多的按键，比如，使用2n根I/O口线可实现n×n个按抛光布轮键。此方法适用于那些系统资源缺乏，但同时需要大量按键的场合。由于行、列扫描法为了得到按键值，需要对键盘不停的扫描，这样一方面要占用MCU的时间，另一方面，又增加了系统的功耗。因此在本系统中，充分利用了Msp40强大的中断功能，以中断方式实现了行列式管理键盘。

3.4 通信接口模块

为了能充分发挥机算机强大的计算、存贮以及显示能力，并且随时根据需要对本系统内高容量MMC卡中存贮的各种数据库的数据进行数据更新，以适应新机械设备的诊断或是对原机械设备增加新的测试项目、增加新的诊断经验等，设置了一个与机算机进行通信的标准串行通信接口，可以传输多种资料如各种汉字库、图片库和参数库等。标准串行通信接口的原理如图4所示，图中电路采用了RS232的接口芯片MAX32232，且周围电路也是标准的。利用这个电路，监测系统就可以和机算机进行各种数据交换或是采集数据的传输了。

为了提高传输效率，确保通信的可靠性，特为此制定了一个通信协议。为协议主要由握手过程、传输控制命令过程和数据传输过程等组成。

从图4种可以看出，在每一次传输数据前，由数据的传输方发出传输控制命令，由接收方进行应答，然后再进行数据的传输，接收方接收完数据后进行应答。若接收方所接收数据的CPC校验错误，则以应答方式通知发送方进行数据的重发，确保数据传输的准确性。数据传输阶段一次数据传输的最大长度是521字节，若数据长度超过521字节，则必须重复数据传输阶段多次，直到数据传输完成。

3.5 液晶现实部分

由于要用液晶显示器现实较复杂的图形和文字，所以采用了Sed1335液晶控制器控制的320×240点阵的液晶屏。Sed控制器是同类液晶控制器中功能最强大的控制器，它有较强功能的I/O缓冲器，可以进行图形和文字的混合显示，能满足本仪器对现实的要求和方式。

要在液晶显示屏上显示图形和文字，必须对液晶控制器进行初始化操作，只有进行合适的初始化操作后，才能进行图形、文字以及图形文本的混合显示。对Sed1335液晶控制器的初始化操作过程如图5所示。

为了在液晶屏上显示汉字，首先要从汉字库中取出该汉字的显示字模数据，然后将该字模数据送至相应的现实缓冲区中。

3.6 高容量存贮部分

液晶显示器需要的24×24点阵、16×16点阵的不同字体的字库文件，智能测试所需要的各种资料库、图片库等都非常庞大，需要大量的存贮空间。比如一个标准的国标24点阵的汉字库就至少需要467Kbit，又比如显示一幅320×240点阵的测试图片，需要9.4Kbit的存贮空间，若有1000幅这样的测试图片，则所需的空间将是近10Mbit。加上其它的诊断知识、规则和数据等，所需的空间是非常大的。

通常用来扩展外部存贮空间的方法有：只读存贮器(EPROM)、静态存贮器(SRAM)、闪烁存贮器(FLASH)、串行或并性电可改写贮存器(E2PROM)，出片制版这几种扩展外部空间的方法各有优点：制度存贮器不能更新其中的资料；静态存贮器由于要用后备电池来保持其中的数据，而且扩展的成本随着容量的增大也呈级数增大；FLASH存贮器也同E2PROM存贮器和SRAM存贮器一样，均是单片容量不能做得很大(比如大于10Mbit)。

根据实际情况，本装置需要扩展到64M的数据存贮空间，我们采用了多片器件进行级联的解决方案。但这样做不仅会增加了仪器电路的复杂程度及印刷电路板的面积，使研制成本增加，而且还会对今后容量的进一步扩展和仪器的升级带来了困难。因此，在最初对数据存储空间进行设计时，应对其进行科学的评估与优化，以把储存空间选择一个适当的值。

4 系统软件设计

系统软件利用中央处理器自身的控制指令，用汇编语言编写，通过编成器进入CPU，软件系统流程图如图7所示。

机械启动后，该系统自动加电启动，经对各端口及寄存器进行初始化后，开始接收各传感器传来的数据，比规格数据进行处理，经端口检验，将加收到的数据与该端口的测量参数的故障极限数据进行比较，若超出正常数据值，则经声光方式给予报警，若所测数据在正常范围内，则不予报警，并将数据存入RAM，然后将数据送入显示模块进行显示。

为有效利用该系统的功能，各测量数据由软件设计自动存入其RAM内，需要时可通过系统的输出接口输入到外部计算机内，在计算机上对数据进行详细分析，以进一步了解其工作状况及故障发生时的情况。

5 结论

从整体上讲，该系统采用目前较为成熟的电子技术与产品，具有较高的可靠性，成本相对较低，且采用全固定器件，能够适应工程机械野外恶劣工作环境时的需求，是对目前工程机械状态监测与故障诊断设备的一种换代设计，更加有利于工程机械的使用与维护。