淺談嵌入式柴油機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

柴油機(jī)故障診斷技術(shù)是一種了解和掌握柴油機(jī)在使用過程中的狀態(tài)，確定其整體或局部是否正常或異常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。以船舶系統(tǒng)為例，現(xiàn)代船舶發(fā)電柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)一般由機(jī)艙巡回監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。柴油機(jī)故障診斷是一種了解和掌握機(jī)器在運(yùn)行過程的狀態(tài)，確定其整體或局部正常或異常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。油液監(jiān)測、振動監(jiān)測、噪聲監(jiān)測、性能趨勢分析和無損探傷等為其主要的診斷技術(shù)方式。診斷技術(shù)發(fā)展幾十年來，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，成為各國研究的熱點(diǎn)。從診斷技術(shù)的各分支技術(shù)來看，美國占有領(lǐng)先地位。美國的一些公司，如Bently，HP等，他們的監(jiān)測產(chǎn)品基本上代表了當(dāng)今診斷技術(shù)的最高水平，不僅具有完善的監(jiān)測功能，而且具有較強(qiáng)的診斷功能，在宇宙、軍事、化工等方面具有廣泛的應(yīng)用。美國西屋公司的三套人工智能診斷軟件（汽輪機(jī)TurbinAID，發(fā)電機(jī)GenAID，水化學(xué)ChemAID）對其所產(chǎn)機(jī)組的安全運(yùn)行發(fā)揮了巨大的作用。還有美國通用電器公司研究的用于內(nèi)燃電力機(jī)車故障排除的專家系統(tǒng)DELTA；美國NASA研制的用于動力系統(tǒng)診斷的專家系統(tǒng)；Delio Products公司研制的用于汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)噪聲原因診斷的專家系統(tǒng)ENGING COOLING ADCISOR等。近年來，由于微機(jī)特別是便攜機(jī)的迅速發(fā)展，基于便攜機(jī)的在線、離線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)日益普及，如美國生產(chǎn)的M6000系列產(chǎn)品，得到了廣泛的應(yīng)用。

1 監(jiān)測裝置功能及原理

一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡單，如手機(jī)上的一個微小型的電機(jī)，當(dāng)手機(jī)處于震動接收狀態(tài)時(shí)打開；也可以很復(fù)雜，如SONY 智能機(jī)器狗，上面集成了多個微小型控制電機(jī)和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動作和感受各種狀態(tài)信息。

圖1 是一種船舶發(fā)電柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的硬件圖。該系統(tǒng)是運(yùn)用信息融合原理，利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號和現(xiàn)有巡回監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的熱工參數(shù)，船舶發(fā)電柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要包括：1）磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，拾取發(fā)電柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號；2）嵌入式柴油機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測裝置，采集瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行信號處理，進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)診斷，通過現(xiàn)場總線將診斷數(shù)據(jù)輸送到上位微機(jī)系統(tǒng)；3）信號接口裝置，采集船舶電站系統(tǒng)已有的熱工參數(shù)，并完成與系統(tǒng)的隔離；4）嵌入式在線監(jiān)測與診斷裝置，是一個以嵌入式工業(yè)微機(jī)為主體的數(shù)據(jù)處理和故障診斷專家系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)管理和故障診斷功能。

圖1 在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)硬件原理框圖

嵌入式柴油機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測裝置為船舶發(fā)電柴油機(jī)故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的核心。可以實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等參數(shù)的采集，并通過現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)輸送到嵌入式微機(jī)系統(tǒng)。它是以TMS 320C 2407a數(shù)字信號處理器（簡稱DSP）為主的現(xiàn)場采集和數(shù)據(jù)處理的小型專家系統(tǒng)。DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。

該裝置診斷原理：DSP以定頻率采集柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行齒平均、數(shù)字濾波和整周期平均計(jì)算，求取瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)作快速傅里葉變換，求出頻域相關(guān)特征值。DSP結(jié)合熱工參數(shù)，由專家系統(tǒng)得到結(jié)果。

2 監(jiān)測裝置硬件設(shè)計(jì)

裝置硬件組成原理如圖2所示。圖中作為輔助分析的熱工參數(shù)通過信號調(diào)理模塊，由DSP的A/D模塊轉(zhuǎn)換即可。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是通過安裝在飛輪處的磁電傳感器獲取，發(fā)火上死點(diǎn)由輸油管上的壓力傳感器經(jīng)過電荷放大器獲取。裝置工作流程：1）DSP的A/D模塊采集熱工參數(shù)；2）DSP的A/D模塊結(jié)合其時(shí)鐘管理器參考油壓觸發(fā)信號以定頻率采集瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；3）由DSP對瞬時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行處理，結(jié)合輔助熱工參數(shù)由DSP內(nèi)部專家系統(tǒng)進(jìn)行診斷分析，得出柴油機(jī)是否有故障。如有故障，則專家系統(tǒng)列出所有可能故障，分析其原因，確定處理方案；4）通過DSP的CAN模塊，將故障數(shù)據(jù)，以及專家系統(tǒng)分析出的方案上傳給上位微機(jī)，做數(shù)據(jù)保存及日后分析。

圖2 監(jiān)測裝置硬件原理框圖

3 程序設(shè)計(jì)

監(jiān)測裝置的程序設(shè)計(jì)可分為4 部分：1）熱工參數(shù)采集；2）瞬時(shí)轉(zhuǎn)速提取；3）專家系統(tǒng)分析；4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳。其各部分實(shí)現(xiàn)方法為：

1）將信號調(diào)理到A/D轉(zhuǎn)換模塊合適的幅值范圍，利用DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊可實(shí)現(xiàn)對熱工參數(shù)的采集。

2）利用DSP的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)合定時(shí)器功能，過程為：（1）設(shè)置全局通用定時(shí)器控制寄存器GPTCONA 的位8或7通用定時(shí)器；（2）啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換事件（T1TOADC）由周期中斷標(biāo)志來啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換；（3）設(shè)置定時(shí)器的周期寄存器。具體大小應(yīng)通過DSP的外部時(shí)鐘源及內(nèi)部鎖相環(huán)的值而定；（4）設(shè)置定時(shí)器控制寄存器，確定記數(shù)模式為連續(xù)增，調(diào)整輸入時(shí)鐘的欲定標(biāo)系數(shù)以及時(shí)鐘源；（5）清零記數(shù)器，屏蔽事件管理器中斷；（6）復(fù)位ADC模塊，設(shè)置轉(zhuǎn)換通道個數(shù)及排序器順序，禁止ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。

具體代碼為

void adinit（ void ）

{

* GPTCONA = 0x0100；

* T1PR = 0x018f；

* T1CON = 0x100c；

* T1CNT = 0x 0000；

* EVAIMRA = 0x0000；

* EVAIFRA = 0xffff；

* ADCTRL1 = 0x4000；

* MAX_CONV = 0x0001；

* CHSELSEQ1 = 0x3221；

* ADCTRL1 = 0x0000；

* ADCTRL2= 0x4300；

}

完成對定頻率采集的DSP初始化設(shè)置后，可以通過啟動定時(shí)器和查詢ADCTRL2的PS9位狀態(tài)來得到采集結(jié)果。

3）專家系統(tǒng)是由推理系統(tǒng)、解釋系統(tǒng)、知識獲取系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫和知識庫5個模塊組成。這里，數(shù)據(jù)庫是指經(jīng)過處理的采集數(shù)據(jù)，而知識庫是固化在DSP中的判斷條件。

dSP通過數(shù)據(jù)庫中的處理數(shù)據(jù)，利用本身的知識庫即可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的故障分析。當(dāng)然知識庫是在大量的實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的。專家系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。DSP系統(tǒng)是一個小型的處理系統(tǒng)，其在片的資源遠(yuǎn)沒有系統(tǒng)微機(jī)完備，所以，它只能完成專家系統(tǒng)的部分功能。整套的專家系統(tǒng)還是要結(jié)合上位微機(jī)來實(shí)現(xiàn)。例如：測量各缸爆發(fā)壓力時(shí)，輔機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，推理時(shí)可以只要調(diào)用當(dāng)前的其他參數(shù)；而維修時(shí)測得的數(shù)據(jù)，需要調(diào)用歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來綜合診斷，此時(shí)單憑DSP已經(jīng)無能為力，所以推理系統(tǒng)是由上位機(jī)進(jìn)行。

圖3 專家系統(tǒng)的工作流程圖

4）數(shù)據(jù)上傳主要實(shí)現(xiàn)DSP于上位微機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

4 結(jié) 語

該套嵌入式柴油機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測裝置能夠運(yùn)用自身的專家系統(tǒng)獨(dú)立實(shí)時(shí)在線診斷柴油機(jī)工作狀態(tài)，并通過其CAN總線接口將數(shù)據(jù)上傳給上位診斷系統(tǒng)，減少上位系統(tǒng)工作[5]。該套監(jiān)測裝置若配有顯示模塊，同樣可作為獨(dú)立的監(jiān)測報(bào)警裝置用于機(jī)車、汽車及其他場合。