莊 浩，蘇燕辰，傅莉萍

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

液壓泵是整個液壓系統(tǒng)的心臟，泵的性能直接影響著液壓系統(tǒng)的性能。其損壞主要發(fā)生在工作期間，會對系統(tǒng)壓力與流量帶來一系列影響[1]。因此，對液壓泵進行故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測尤為重要，借助計算機對液壓泵性能進行智能測控是當今液壓技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。

該文設(shè)計研制了一種基于無線技術(shù)的液壓油泵測試裝置，對液壓油泵在正常運行過程中的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，可診斷液壓油泵是否出現(xiàn)故障等。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

以新華龍公司的C8051F330作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心芯片，利用藍牙技術(shù)建立了一套完整的無線傳輸試驗的檢測技術(shù)、方法與規(guī)程，采集的數(shù)據(jù)可以通過藍牙傳到地面系統(tǒng)，能夠在不拆卸液壓設(shè)備且不影響液壓油泵正常工作的情況下，對液壓油泵在正常運行過程中的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，確保液壓油泵安全工作。同時，實時向地面檢測系統(tǒng)報告液壓油泵的工作狀態(tài)，地面分析系統(tǒng)可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行工作狀態(tài)判斷，對設(shè)備狀態(tài)具有報警功能?？刂贫瞬捎肞C機，主要實現(xiàn)與采集器的藍牙無線通信，對采集器進行無線控制和數(shù)據(jù)傳輸，并對采集的數(shù)據(jù)進行處理、分析和顯示。

設(shè)計采用的在線狀態(tài)監(jiān)測方法是提高液壓設(shè)備運行可靠性與安全性的一種有效手段。該文介紹的是將渦輪流量傳感器置于液壓系統(tǒng)的油路中，通過監(jiān)測壓力、流量、油溫等液壓信號，來判斷液壓系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。

所設(shè)計的液壓油泵測試裝置應(yīng)具備如下功能：（1）數(shù)據(jù)處理功能，能自動運算和邏輯判斷，如差值分析等。（2）通信功能，可將采集的壓力、流量、溫度3路數(shù)據(jù)送到上位機進行進一步的分析，以提高數(shù)據(jù)的使用率。（3）人機交互功能。

圖1 液壓測試系統(tǒng)框圖

整個測試系統(tǒng)由3部分組成，包括PC機、上位機接口電路、下位機數(shù)據(jù)采集通信電路。下位機實現(xiàn)壓力、流量、油溫等液壓信號的采集以及和藍牙模塊BlueRS+MF3之間的數(shù)據(jù)傳輸；上位機接口電路負責下位機和上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制；PC機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、結(jié)果的顯示功能。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計整體結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要，將從渦輪流量傳感器出來的溫度、流量、壓力3種信號經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)TLC2543的A/D轉(zhuǎn)換后，進入C8051F330單片機的輸入端，再通過無線傳輸向上位機送出采集信號。TLC2543的I/O時鐘、數(shù)據(jù)輸入、片選信號由C8051F330的P0.3、P0.2、P0.0提供，轉(zhuǎn)換結(jié)果由P0.1口串行讀出。

（1）傳感裝置選型。選用英國HEDLAND公司生產(chǎn)的Flo-tech系列渦輪流量傳感器，該傳感器是在流量傳感器的主體上同時安裝壓力和溫度傳感器，并對各傳感器的輸出信號進行變換、處理，實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)中的流量、壓力、溫度等參數(shù)的同時、同點測量。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

渦輪流量傳感器的工作原理：渦輪流量傳感器測定液壓流體和可混溶液體的流速。當被測流體流過傳感器時，在流體的作用下，葉輪受力而旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與液體流速成正比，葉輪轉(zhuǎn)動引起磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值周期性變化，檢測線圈中的磁通隨之產(chǎn)生周期性變化，產(chǎn)生周期性感應(yīng)電動勢，使裝在殼外的非接觸式磁電轉(zhuǎn)速傳感器輸出頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號[2]。這種頻率信號與流速成正比，且可轉(zhuǎn)換成4～20mA輸出。因此，只要測出傳感器輸出脈沖信號的頻率f即可確定流體的流量，計算公式為

式中：Q——流量，L/min；

f——頻率，Hz；

a，b——傳感器標定參數(shù)。

（2）信號調(diào)理電路。電路中的R1和C1組成低通濾波器[3]。

圖3 渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)圖

由于渦輪流量傳感器輸出電流范圍為4～20mA，12位精度A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543采樣電壓范圍為0～5V，則選用的分壓電阻阻值為

5V/20mA=250Ω

所以，電路中電阻R2阻值選取為250Ω。其電路圖如圖4所示。

（3）AD芯片與單片機的接口電路。TLC2543芯片與C8051單片機通過SPI總線進行命令和數(shù)據(jù)的傳輸。

圖4 信號調(diào)理電路

C8051單片機集成增強型SPI串口SPI0。單片機和ADC的接口電路如圖5所示，SPI0工作在四線單主方式下。

（4）藍牙通信電路。藍牙模塊和PC機的通信采用RS232串口，由于RS232電平與TTL和CMOS電平相反，邏輯0電平規(guī)定為+5～+15V之間，邏輯1電平為-15～-5 V之間，因此在藍牙模塊和PC機接口之間必須要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換[4]。為了與藍牙模塊電平匹配，采用MAX3232進行電平轉(zhuǎn)換。對藍牙模塊的數(shù)據(jù)傳輸控制只需要連接2個引腳就能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的收發(fā)控制。RXD輸入接收數(shù)據(jù)到UART；TXD是從UART輸出發(fā)射數(shù)據(jù)。上位機接口電路原理圖如圖6所示。

圖5 TLC2543與C8051F330的接口電路

藍牙模塊和單片機間的通信：C8051F330單片機擁有串行通信口，可以直接與其進行通信，但是由于單片機采用的信號電平為5V，而BlueRS+MF3模塊工作電壓采用的是3.3V，因此兩者之間需要電平轉(zhuǎn)換。采用AMS1117-3.3芯片進行電源的轉(zhuǎn)換，單片機和藍牙模塊的接口電路如圖7所示。

圖6 藍牙模塊和上位機接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

下位機部分的軟件設(shè)計完成數(shù)據(jù)采集和通信兩大任務(wù)，采用匯編語言進行編程；而上位機軟件除了與數(shù)據(jù)采集器通信外還必須進行數(shù)據(jù)運算、圖形顯示等模塊設(shè)計，采用C++Builder進行編寫。

（1）下位機的軟件設(shè)計。系統(tǒng)上電后，首先要進行初始化設(shè)置，包括系統(tǒng)復(fù)位方式、時鐘源、電壓基準、中斷、UART、SPI、ADC的設(shè)置以及用交叉開關(guān)對I/O端口進行配置，這些設(shè)置可通過設(shè)置相應(yīng)特殊功能寄存器（SFR）來進行。

在主程序的結(jié)尾處形成一個死循環(huán)，目的是等待串口中斷發(fā)生。串口中斷服務(wù)程序主要作用是讀取上位機發(fā)送的命令，并調(diào)用命令分析子程序分析這些命令。命令分析子程序通過判斷接收到的命令碼來決定執(zhí)行相應(yīng)的操作。

采樣過程為通過定時器T0產(chǎn)生一個定時中斷，在中斷服務(wù)程序中調(diào)用采樣子程序完成采樣，采樣子程序中調(diào)用A/D子程序完成A/D轉(zhuǎn)換。

（2）上位機軟件設(shè)計。通過上面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在上位機通過串口讀取BUF里的數(shù)據(jù)，可以得到壓力、溫度、流量3個量的數(shù)字信號。通過設(shè)計的上位機程序，利用采集的這3個模擬量的數(shù)字信號可以畫出這3個量實時的時間-幅值圖，同時也可以繪制出該被測試液壓泵的時域分析圖以及生成所需要的檢測報告。

圖7 單片機和藍牙模塊的接口電路

上位機軟件程序?qū)崿F(xiàn)的功能有：具備門禁與歡迎系統(tǒng)；可以同時監(jiān)測出壓力、流量、溫度等狀態(tài)參數(shù)；以圖形和數(shù)據(jù)的形式實時監(jiān)測并顯示上述參數(shù)；提供趨勢和差值測試分析報告的自動生成和查詢及打印功能；可以實現(xiàn)各狀態(tài)參數(shù)的越界報警。

（3）上位機通信程序設(shè)計。上位機程序采用C++編寫，編譯器為BORLAND公司的C++Builder6.0。在C++Builder6.0中安裝第三方控件SPComm，該控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)上位機應(yīng)用程序和下位機單片機之間的通信功能，利用該控件可以快速建立高效的通信程序[5]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

（1）調(diào)試系統(tǒng)的連接。C8051Fxxx的調(diào)試系統(tǒng)連接示意圖如圖8所示。C8051Fxxx的U-EC2適配器通過USB端口和PC主機連接，它的另一端插入目標板的標準JTAG接口上。C8051Fxxx的適配器U-EC2既是一個在線調(diào)試器也是一個編程工具，它將程序?qū)懭隒8051Fxxx單片機，并且提供實時代碼執(zhí)行、分步執(zhí)行和斷點等調(diào)試功能。其調(diào)試功能是通過內(nèi)置調(diào)試電路與邊界掃描功能電路實現(xiàn)[6]。

圖8 調(diào)試系統(tǒng)連接示意圖

（2）藍牙芯片測試。首先測試藍牙模塊是否能工作，通過串口助手發(fā)送測試命令，在串口助手觀察其返回命令，若藍牙能工作，再驗證其是否能搜索其他藍牙設(shè)備及建立連接。

（3）筆記本與藍牙模塊的連接調(diào)試。首次和藍牙連接時需配對，若連接成功，以后可以隨連隨用。選擇所要連接的設(shè)備后會出現(xiàn)藍牙配對對話框，輸入配對密碼。藍牙密碼配對成功后將會出現(xiàn)藍牙設(shè)置選項，點擊設(shè)置按鈕可以進行藍牙屬性的設(shè)置。同時可以通過打開接有被連接藍牙的電腦的串口助手，觀察是否連接成功，連接成功則返回RING CONNECT，否則返回NO CARRIER。

（4）通信程序測試。為了驗證下位機通信程序是否正確，通過串口助手向下位機發(fā)送一條啟動AD采樣命令，根據(jù)通信協(xié)議應(yīng)該返回“55+02+C5+AA”。通過串口助手觀察其返回命令為“55+02+C5+AA”，證明下位機通信協(xié)議工作正常，依次輸入其他各條命令，調(diào)試方法與上面相同，結(jié)果正確。

（5）系統(tǒng)測試。為了檢測該系統(tǒng)工作是否正確，在實驗室環(huán)境下進行。

將傳感器組的輸出接到采集模塊的一組輸入通道，用鼓風(fēng)機對準傳感器的輸入口迫使渦輪流量傳感器的葉輪旋轉(zhuǎn)，同時溫度傳感器將感應(yīng)環(huán)境溫度，在上位機顯示界面觀察輸出信號。當鼓風(fēng)機與傳感器間距離減小時，傳感器所受風(fēng)量就大，轉(zhuǎn)速就快，顯示的壓力也就大，其輸出工作曲線如圖9所示。該實驗只是對該儀器做了一個定性的分析，由于實驗條件限制無法做定量研究，而且現(xiàn)場測試情況復(fù)雜，隨機性較大，有待后續(xù)解決。

圖9 輸出曲線圖

5 結(jié)束語

在實驗室經(jīng)過多次軟、硬件結(jié)合的調(diào)試改進過程，設(shè)計基本上實現(xiàn)了實時監(jiān)測液壓油泵狀態(tài)。

由于理論水平和實踐經(jīng)驗有限以及時間和實驗條件的限制，設(shè)計還存在一些有待改進和優(yōu)化的地方：

（1）該系統(tǒng)目前還只能用于短距離監(jiān)測，對于遠程監(jiān)測可以利用無線局域網(wǎng)（WLAN）以及GPRS無線移動網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建系統(tǒng)，這樣就能應(yīng)用于更多的特殊場合。

（2）由于實驗條件限制，系統(tǒng)還未在現(xiàn)場進行過測試，由于機械運行過程中液壓油泵出現(xiàn)故障的情況較為復(fù)雜，隨機性也較大，還會出現(xiàn)較多在設(shè)計測試中未發(fā)現(xiàn)的問題，有待后續(xù)設(shè)計解決。

[1]王世明.工程機械液壓系統(tǒng)故障監(jiān)測診斷技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].機床與液壓，2009，37（2）：175-180.

[2] 徐科軍.傳感器原理及檢測技術(shù)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 遠坂俊昭.測量電子電路設(shè)計：濾波器篇：從濾波器設(shè)計到鎖相放大器的應(yīng)用[M].彭軍，譯.北京：科學(xué)出版社，2006.

[4] 錢志鴻，楊帆，周求湛.藍牙技術(shù)原理、開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[5] 劉暢，汪道輝.利用SPComm控件實現(xiàn)的PC機與單片機串口通訊[J].微計算機信息，2005，21（12-2）：89-91.

[6]潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.