張麗

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710100）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，機車設(shè)備需要更好的﹑能夠識別早期故障的新技術(shù)為機車檢測提供服務(wù)，以確保人身和設(shè)備的安全；維修部門也要求預(yù)知和跟蹤機車設(shè)備各組成部分的故障發(fā)展狀態(tài)，以便科學(xué)的安排檢修計劃，杜絕突發(fā)事故。為了解決這些問題，也需要對機車設(shè)備進行實時檢測與故障診斷研究的支持。

內(nèi)燃機車在線檢測系統(tǒng)要對多個信號進行采集。對多路信號采集通常有兩種方式，一種是每個通道使用一個獨立的采樣單元，每個通道可獨立地設(shè)定采樣頻率、采樣啟動和停止時間、采樣數(shù)據(jù)的保存方式以及采樣單元和數(shù)據(jù)處理計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。這種方式一般用于較大的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，每個通道的采樣數(shù)據(jù)量較大，采樣頻率較高；另一種方式是多個通道采用共享A/D轉(zhuǎn)換器的方式，該方式下的各個通道共用一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，按某一時間間隔，依次將各個通道的信號輸入到采樣保持電路，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠處理的數(shù)字信號。

1 內(nèi)燃機車檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

在內(nèi)燃機車在線監(jiān)測系統(tǒng)中，機車數(shù)據(jù)采集是其基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。其基本任務(wù)是將機車設(shè)備中可以體現(xiàn)故障狀態(tài)的物理量采集出來，并傳給上位機進行存儲、運算和處理。系統(tǒng)中包括機車設(shè)備狀態(tài)量的選擇，傳感器輸出信號的傳輸，多路模擬信號A/D轉(zhuǎn)換采集電路設(shè)計，多路數(shù)字信號采集電路設(shè)計。

此次設(shè)計的機車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是整個“機車故障診斷系統(tǒng)”中的一個子系統(tǒng)，整個“機車故障診斷系統(tǒng)”包括3個子系統(tǒng)：機車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與故障診斷系統(tǒng)。無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的作用是將本系統(tǒng)采集的設(shè)備運行數(shù)據(jù)用無線的方式傳輸?shù)降孛娴恼{(diào)度室與檢修部門中的數(shù)據(jù)處理與故障診斷系統(tǒng)中；故障診斷系統(tǒng)的作用是將收到的數(shù)據(jù)進行處理，分析機車的故障情況并）1＝給出合理的施修方案，還對長期積累的數(shù)據(jù)進行綜合分析以給出機車設(shè)備最合理的檢修方案。

本系統(tǒng)的基本功能是在不影響機車原有設(shè)備正常工作的條件下選擇合適的監(jiān)測點與監(jiān)測量，在線檢測機車設(shè)備的狀態(tài)信息并進行故障信息的錄波，以實現(xiàn)那些只在運行過程中可以出現(xiàn)的故障的記錄，并實現(xiàn)這些信息與無線數(shù)據(jù)通信直接的通信。

硬件電路的總體流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Whole system structure diagram

對64路I/O信號用8片74LS373分成8組然后分時地傳送給CPU；9路模擬量要求相互之間采用光耦隔離后傳送到CPU的A/D通道。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本次設(shè)計針對內(nèi)部電路的設(shè)計，在選擇系統(tǒng)下位機CPU芯片時，考慮到C8051系列容易調(diào)試、功能強大、使用簡便，而在8051系列中C8051F021的使用最為簡潔，運行速度很快，功能也極為強大，所以被選做本次設(shè)計的CPU芯片。對9路模擬量電路進行調(diào)理，首先對信號進行分壓處理（要求分壓處理后保持在≤2.5 V），為了提高輸入阻抗以及保證不影響分壓采用跟隨器電路，然后對信號進行濾波放大以及V/F轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生頻率信號，使用TLP521對其進行光耦隔離，再把共地的頻率信號轉(zhuǎn)換回電壓信號，然后再傳送到8051f021的A/D通道。而在64路I/O信號的處理過程中，64路I/O信號分別接入到8片74LS373中，即分為8組，然后將得到的8路I/O信號使用74LS138通過CPU對其進行端口選通，分時的傳送到CPU中。

上述方案中，對9路模擬量的調(diào)理過程中，把頻率信號直接轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送到A/D通道，其操作過程非常簡單方便，在以后的調(diào)試中也較為容易，64路的I/O信號處理中，把64路I/O信號接入到8片74LS373中，利用74LS138進行端口選通，整個方案保證了系統(tǒng)功能的完整，設(shè)計合理，調(diào)試方便，運行也十分的穩(wěn)定，所以在系統(tǒng)硬件的設(shè)計中采用了上述方案。

下位機采用8051F021單片機，開關(guān)量采用TLP521光耦將信號與單片機隔離。用8片74LS373將64路I/O信號分成8組，利用74LS138對74LS373進行端口選通，分時地將64路I/O信號傳送給CPU。

2.1 總體方案設(shè)計的確定

本次設(shè)計針對內(nèi)部電路的設(shè)計，在選擇系統(tǒng)下位機CPU芯片時，考慮到C8051系列容易調(diào)試、功能強大、使用簡便，而在8051系列中C8051F021的使用最為簡潔，運行速度很快，功能也極為強大，所以被選做本次設(shè)計的CPU芯片。對9路模擬量電路進行調(diào)理，首先對信號進行分壓處理（要求A/D轉(zhuǎn)換前保持在≤2.5 V），為了提高輸入阻抗以及保證不影響分壓采用跟隨器電路，然后對信號進行濾波放大以及V/F轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生頻率信號，使用TLP521對其進行光耦隔離，再把共地的頻率信號轉(zhuǎn)換回電壓信號，然后再傳送到8051f021的A/D通道。而在64路I/O信號的處理過程中，64路I/O信號分別接入到8片74LS373中，即分為8組，然后將得到的8路I/O信號使用74LS138通過CPU對其進行端口選通，分時的傳送到CPU中。

2.2 C8051F021系統(tǒng)CPU

C8051F021器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有32個數(shù)字I/O引腳。

具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F021是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固定使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失行數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。

片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。

CIP-51有標準的8051程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，其中高128字節(jié)為雙映射。用間接尋址訪問通用RAM的高128字節(jié)，用直接尋址訪問128字節(jié)的SFR地址空間。數(shù)據(jù)RAM的低128字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問。前32個字節(jié)為4個通用寄存器區(qū)，接下來的16字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。C8051F021中的CIP-51還另有位于外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間的4K字節(jié)的RAM塊和一個可用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的外部存儲器接口（EMIF）。這個片內(nèi)的4K字節(jié)RAM塊可以在整個64K外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間中被尋址（以4K為邊界重疊）。外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間可以只映射到片內(nèi)存儲器、只映射到片外存儲器、或兩者的組合（4K以下的地址指向片內(nèi)，4K以上的地址指向EMIF）。EMIF可以被配置為地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用方式或非復(fù)用方式。MCU的程序存儲器包含64K字節(jié)的FLASH。該存儲器以512字節(jié)為一個扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的外部編程電壓。從0xFE00到0xFFFF的512字節(jié)被保留，由工廠使用。還有一個位于地址0x10000-0x1007F的128字節(jié)的扇區(qū)，該扇區(qū)可作為一個小的軟件常數(shù)表使用。

2.3 CPU及外部電路設(shè)計

系統(tǒng)選用C8051F021為CPU，其芯片及外部電路圖如圖2所示，由圖可以看出，CPU外接電路中有一個晶振，一個復(fù)位RST，還有一組輔助指示燈，在3個輔助指示燈中，有一個電源指示燈，一個系統(tǒng)運行指示燈，一個通信指示燈。其外部電路圖如圖2所示。

圖2 CPU及外部電路圖Fig.2 CPU and the external circuit diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本次軟件部分的設(shè)計側(cè)重于下位機的軟件設(shè)計，下位機軟件采用C語言，利用keilC51編譯環(huán)境對64路開關(guān)量和9路模擬量進行分時采集，然后打包以串行的方式發(fā)送給上位機。

3.1 系統(tǒng)主程序

主程序調(diào)用config函數(shù)對CPU進行設(shè)置，主要設(shè)置看門狗、A/D轉(zhuǎn)換、串口初始化、中斷初始化等，然后調(diào)用初始化函數(shù)，主要設(shè)置程序運行狀態(tài)標志變量、通訊標志變量、各模擬量閾值等，之后開始對64路開關(guān)量和9路模擬量進行分時采集。將64路數(shù)字量分成8組，用8個74LS373采集，然后用74LS138通過CPU對8個74LS373進行端口選通，分時地將64路I/O信號傳送給CPU；在整個系統(tǒng)中，利用9路隔離型模擬量信號采集電路，按其信號性質(zhì)的不同，共分為5大類，分別是2路1.5 V直流電壓電路，1路900 V交流電壓電路，1路6 V（1 WHz）交流電壓信號，2路10 mA電流電路，3路110 V直流電壓電路。對9路模擬量的調(diào)理過程中，把頻率信號直接轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送到A/D通道，然后發(fā)送給CPU。在采集結(jié)束后，還會有一個延時程序。經(jīng)過多次數(shù)據(jù)采集無誤后，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位機。

3.2 采集程序

本次軟件設(shè)計的采集程序包括2部分：64路數(shù)字量的采集和9路模擬量的采集。對于數(shù)字量的采集，將64路數(shù)字量分成8組，用8個74LS373進行采集，然后用74LS138通過CPU對8個74LS373進行端口選通，分時地將64路I/O信號傳送給CPU。在這里，將74LS138的3個輸入端由A，B，C表示，設(shè)為000到111八個狀態(tài)，分別對應(yīng)8個74LS373，由74LS138通過CPU對8個74LS373進行端口選通，將采集到的值發(fā)送給CPU。

64路數(shù)字量采集程序如下：

9路模擬量要求相互隔離，首先對電壓信號分壓處理，為了提高輸入阻抗，采用跟隨器電路；然后對信號進行濾波放大處理，采用V/F得到頻率信號并用TLP521光耦將其隔離；隔離后再將共地的頻率信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，傳送到CPU的A/D通道。在整個系統(tǒng)中，利用9路隔離型模擬量信號采集電路，按其信號性質(zhì)的不同，共分為5大類，分別是2路1.5 V直流電壓電路，1路900 V交流電壓電路，1路6 V（1 WHz）交流電壓信號，2路10 mA電流電路，3路110 V直流電壓電路。對9路模擬量的調(diào)理過程中，把頻率信號直接轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送到A/D通道，然后發(fā)送給CPU。

模擬量一共需要采集9種，分別是油溫、水溫、輔壓、次發(fā)電壓、L電壓、F電壓、燃油溫度、滑油壓力和轉(zhuǎn)速。這9路模擬量的采集程序大同小異，就拿油溫采集程序加以說明，對于油溫的采集，采用了多次采集取平均值的方法。9路模擬量采集程序如下：

本段程序是9路模擬量采集中的油溫采集程序，采取了采集32次取平均值的方法。首先進行config設(shè)置，然后對油溫參數(shù)進行隔離、分時采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，進入一個判斷程序。只有在采集次數(shù)達到32次時，程序結(jié)束；當(dāng)采集次數(shù)不足32次時，循環(huán)采集直到采夠32次為止。

4 結(jié) 論

該測試系統(tǒng)采用具有高速數(shù)據(jù)采集卡的便攜式測試計算機為硬件平臺，軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護性。該測試系統(tǒng)已用于某型內(nèi)燃機車進行測試，實際應(yīng)用表明該測試系統(tǒng)具有測試準確、穩(wěn)定可靠、人機界面友好等特點，達到了設(shè)計要求。

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