現有工程機械檢測診斷設備主要采用各種不同類型、不同型號的監測儀表組合而成，制造廠家依據各種機械的實際需求，采用外購或合作生產方式選用其它廠家生產的測量設備為自己的機械配裝，由于所配儀表來自不同的生產廠家和單位，且種類各異，工作原理不同，其可靠性也有很大差異；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，并且易于失效和損壞。

 

    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，而對于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。又由于其種類、型號各異，造成在儀表盤上布置困難，有的機械上面多達十余個儀表，大小不同，樣式不同，使整個儀表盤看起來零亂，而且不便于觀察，既增加了安裝布置的復雜性，也降低了使用上的可靠性。

 

    工程機械現有的智能診斷系統一般都基于計算機系統，有的還需要計算機網絡來實現，而工程機械實際作業大多在野外進行，由于很難具備上述所需的條件，這將導致現有的許多診斷技術不能在時機中應用。如何解決野外條件下對有故障的機械進行快速檢測和維修，已成為目前應用中需解決的問題。

 

    基于上述原因，我們認為有必要開發一套全新概念上工程機械狀態檢測與故障診斷系統，從而可以有效提高工程機械狀況檢測的準確性及可靠性。為此，文章應用數據采集、信號處理分析、專家系統等技術，研制并開發了一套全新概念的工程機械監測系統，可通過對機械狀態測試、數據分析與故障診斷，確定機械的實時工作狀態及所需的各種參數，確定機械的故障形式和故障部位，直至給出發生故障的零部件或元器件，從而對有故障的機械（特別是電路系統）進行快速監測和維修。

 

    2系統總體設計

 

    2.1系統的硬件組成

 

    工程機械一體化監測與故障診斷系統的硬件部分主要由傳感器、中央處理器、顯示裝置、控制裝置4大部分組成，實現信號采集、顯示管理和時鐘計時。它能對通信部分、鍵盤部分以及參數庫的傳遞進行管理。由于該系統所要測量的參數較多，且類型不同，所以要采用的傳感器也就依具體情況來選用，但總體的原則是均采用現代電子式傳感器，既可提高測量精度，也有利于對信息的傳遞與處理。如選用電磁式速度傳感器、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。系統總體結構設計如圖1所示。

 

    2.2系統工作原理

 

    系統工作原理如圖2所示，此系統集監測、診斷、學習于一體，在默認狀態下，系統的缺省工作模式為監測模式。系統工作時，各傳感器將采集到的信號轉換后送至處理器(Msp430)，處理器通過專家系統調用數據庫，進行綜合比較判斷分析，如果可以確認系統為正常狀態，則繼續對系統進行檢測；反之，若判斷異常，則報警并進入診斷模式，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，并提示維修方法；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，并借助專家的幫助建立新的故障案例，擴展知識庫。

 

    3系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、電容和點火裝置的點火延時等參數，采集的數據既可供本監測系統診斷使用，也可將數據傳遞給主計算機以供進一步的診斷。電路信號采集的原理圖見圖3。

 

    3.2實時時鐘部分

 

    系統在運行時需要實時時鐘信息，因此在本系統設計時，給系統增加了實時時鐘，采用了一個RI-COH(理光)的實時時鐘芯片RS5C372。RS5C372是一種12C總線的串行接口的實時時鐘芯片，它具有工作電壓范圍寬(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，但缺點是所占用系統的I/O口線多，要實現n個按鍵就需要n條I/O口線。因此該方法只適用于按鍵較少及系統資源較多的場合。而后者由于使用了行、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。此方法適用于那些系統資源缺乏，但同時需要大量按鍵的場合。由于行、列掃描法為了得到按鍵值，需要對鍵盤不停的掃描，這樣一方面要占用MCU的時間，另一方面，又增加了系統的功耗。因此在本系統中，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，并且隨時根據需要對本系統內高容量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，監測系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，特為此制定了一個通信協議。為協議主要由握手過程、傳輸控制命令過程和數據傳輸過程等組成。

 

    從圖4種可以看出，在每一次傳輸數據前，由數據的傳輸方發出傳輸控制命令，由接收方進行應答，然后再進行數據的傳輸，接收方接收完數據后進行應答。若接收方所接收數據的CPC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，則必須重復數據傳輸階段多次，直到數據傳輸完成。

 

    3.5液晶現實部分

 

    由于要用液晶顯示器現實較復雜的圖形和文字，所以采用了Sed1335液晶控制器控制的320×240點陣的液晶屏。Sed控制器是同類液晶控制器中功能最強大的控制器，它有較強功能的I/O緩沖器，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，必須對液晶控制器進行初始化操作，只有進行合適的初始化操作后，才能進行圖形、文字以及圖形文本的混合顯示。對Sed1335液晶控制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，然后將該字模數據送至相應的現實緩沖區中。

 

    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：只讀存貯器(EPROM)、靜態存貯器(SRAM)、閃爍存貯器(FLASH)、串行或并性電可改寫貯存器(E2PROM)，這幾種擴展外部空間的方法各有優點：制度存貯器不能在線更新其中的資料；靜態存貯器由于要用后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(比如大于10Mbit)。

 

    根據實際情況，本裝置需要擴展到64M的數據存貯空間，我們采用了多片器件進行級聯的解決方案。但這樣做不僅會增加了儀器電路的復雜程度及印刷電路板的面積，使研制成本增加，而且還會對今后容量的進一步擴展和儀器的升級帶來了困難。因此，在最初對數據存儲空間進行設計時，應對其進行科學的評估與優化，以把儲存空間選擇一個適當的值。

 

    4系統軟件設計

 

    系統軟件利用中央處理器自身的控制指令，用匯編語言編寫，通過編成器進入CPU，軟件系統流程圖如圖7所示。

 

    機械啟動后，該系統自動加電啟動，經對各端口及寄存器進行初始化后，開始接收各傳感器傳來的數據，比規格數據進行處理，經端口檢驗，將加收到的數據與該端口的測量參數的故障極限數據進行比較，若超出正常數據值，則經聲光方式給予報警，若所測數據在正常范圍內，則不予報警，并將數據存入RAM，然后將數據送入顯示模塊進行顯示。

 

    為有效利用該系統的功能，各測量數據由軟件設計自動存入其RAM內，需要時可通過系統的輸出接口輸入到外部計算機內，在計算機上對數據進行詳細分析，以進一步了解其工作狀況及故障發生時的情況。

 

    5結論

 

    從整體上講，該系統采用目前較為成熟的電子技術與產品，具有較高的可靠性，成本相對較低，且采用全固定器件，能夠適應工程機械野外惡劣工作環境時的需求，是對目前工程機械狀態監測與故障診斷設備的一種換代設計，更加有利于工程機械的使用與維護。(end)