基于無線技術(shù)的液壓油泵測試裝置設(shè)計(jì)

莊 浩，蘇燕辰，傅莉萍

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

液壓泵是整個(gè)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(huì)對系統(tǒng)壓力與流量帶來一系列影響[1]。因此，對液壓泵進(jìn)行故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測尤為重要，借助計(jì)算機(jī)對液壓泵性能進(jìn)行智能測控是當(dāng)今液壓技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。

該文設(shè)計(jì)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(yùn)行過程中的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)

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(lán)牙技術(shù)建立了一套完整的無線傳輸試驗(yàn)的檢測技術(shù)、方法與規(guī)程，采集的數(shù)據(jù)可以通過藍(lán)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(yùn)行過程中的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保液壓油泵安全工作。同時(shí)，實(shí)時(shí)向地面檢測系統(tǒng)報(bào)告液壓油泵的工作狀態(tài)，地面分析系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行工作狀態(tài)判斷，對設(shè)備狀態(tài)具有報(bào)警功能?？刂贫瞬捎肞C機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)與采集器的藍(lán)牙無線通信，對采集器進(jìn)行無線控制和數(shù)據(jù)傳輸，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和顯示。

設(shè)計(jì)采用的在線狀態(tài)監(jiān)測方法是提高液壓設(shè)備運(yùn)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(hào)，來判斷液壓系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。

所設(shè)計(jì)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(dòng)運(yùn)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(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，以提高數(shù)據(jù)的使用率。（3）人機(jī)交互功能。

圖1 液壓測試系統(tǒng)框圖

整個(gè)測試系統(tǒng)由3部分組成，包括PC機(jī)、上位機(jī)接口電路、下位機(jī)數(shù)據(jù)采集通信電路。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)壓力、流量、油溫等液壓信號(hào)的采集以及和藍(lán)牙模塊BlueRS+MF3之間的數(shù)據(jù)傳輸；上位機(jī)接口電路負(fù)責(zé)下位機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制；PC機(jī)實(shí)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(jì)

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

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)TLC2543的A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入C8051F330單片機(jī)的輸入端，再通過無線傳輸向上位機(jī)送出采集信號(hào)。TLC2543的I/O時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、片選信號(hào)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(shí)安裝壓力和溫度傳感器，并對各傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行變換、處理，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)中的流量、壓力、溫度等參數(shù)的同時(shí)、同點(diǎn)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(dāng)被測流體流過傳感器時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(hào)[2]。這種頻率信號(hào)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(hào)的頻率f即可確定流體的流量，計(jì)算公式為

式中：Q——流量，L/min；

f——頻率，Hz；

a，b——傳感器標(biāo)定參數(shù)。

（2）信號(hào)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(jī)的接口電路。TLC2543芯片與C8051單片機(jī)通過SPI總線進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的傳輸。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

C8051單片機(jī)集成增強(qiáng)型SPI串口SPI0。單片機(jī)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(lán)牙通信電路。藍(lán)牙模塊和PC機(jī)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(lán)牙模塊和PC機(jī)接口之間必須要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換[4]。為了與藍(lán)牙模塊電平匹配，采用MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。對藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)傳輸控制只需要連接2個(gè)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(jī)接口電路原理圖如圖6所示。

圖5 TLC2543與C8051F330的接口電路

藍(lán)牙模塊和單片機(jī)間的通信：C8051F330單片機(jī)擁有串行通信口，可以直接與其進(jìn)行通信，但是由于單片機(jī)采用的信號(hào)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(jìn)行電源的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)和藍(lán)牙模塊的接口電路如圖7所示。

圖6 藍(lán)牙模塊和上位機(jī)接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

（1）下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)上電后，首先要進(jìn)行初始化設(shè)置，包括系統(tǒng)復(fù)位方式、時(shí)鐘源、電壓基準(zhǔn)、中斷、UART、SPI、ADC的設(shè)置以及用交叉開關(guān)對I/O端口進(jìn)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(jìn)行。

在主程序的結(jié)尾處形成一個(gè)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(jī)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(shí)器T0產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)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(jī)軟件設(shè)計(jì)。通過上面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在上位機(jī)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(gè)量的數(shù)字信號(hào)。通過設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序，利用采集的這3個(gè)模擬量的數(shù)字信號(hào)可以畫出這3個(gè)量實(shí)時(shí)的時(shí)間-幅值圖，同時(shí)也可以繪制出該被測試液壓泵的時(shí)域分析圖以及生成所需要的檢測報(bào)告。

圖7 單片機(jī)和藍(lán)牙模塊的接口電路

上位機(jī)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(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測并顯示上述參數(shù)；提供趨勢和差值測試分析報(bào)告的自動(dòng)生成和查詢及打印功能；可以實(shí)現(xiàn)各狀態(tài)參數(shù)的越界報(bào)警。

（3）上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)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(shí)現(xiàn)上位機(jī)應(yīng)用程序和下位機(jī)單片機(jī)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(jī)連接，它的另一端插入目標(biāo)板的標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口上。C8051Fxxx的適配器U-EC2既是一個(gè)在線調(diào)試器也是一個(gè)編程工具，它將程序?qū)懭隒8051Fxxx單片機(jī)，并且提供實(shí)時(shí)代碼執(zhí)行、分步執(zhí)行和斷點(diǎn)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(shí)現(xiàn)[6]。

圖8 調(diào)試系統(tǒng)連接示意圖

（2）藍(lán)牙芯片測試。首先測試藍(lán)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(lán)牙能工作，再驗(yàn)證其是否能搜索其他藍(lán)牙設(shè)備及建立連接。

（3）筆記本與藍(lán)牙模塊的連接調(diào)試。首次和藍(lán)牙連接時(shí)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(huì)出現(xiàn)藍(lán)牙配對對話框，輸入配對密碼。藍(lán)牙密碼配對成功后將會(huì)出現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)置選項(xiàng)，點(diǎn)擊設(shè)置按鈕可以進(jìn)行藍(lán)牙屬性的設(shè)置。同時(shí)可以通過打開接有被連接藍(lán)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(yàn)證下位機(jī)通信程序是否正確，通過串口助手向下位機(jī)發(fā)送一條啟動(dòng)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(jī)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)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(jī)對準(zhǔn)傳感器的輸入口迫使渦輪流量傳感器的葉輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)溫度傳感器將感應(yīng)環(huán)境溫度，在上位機(jī)顯示界面觀察輸出信號(hào)。當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)與傳感器間距離減小時(shí)，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(shí)驗(yàn)只是對該儀器做了一個(gè)定性的分析，由于實(shí)驗(yàn)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(jī)性較大，有待后續(xù)解決。

圖9 輸出曲線圖

5 結(jié)束語

在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過多次軟、硬件結(jié)合的調(diào)試改進(jìn)過程，設(shè)計(jì)基本上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測液壓油泵狀態(tài)。

由于理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限以及時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，設(shè)計(jì)還存在一些有待改進(jìn)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(yuǎn)程監(jiān)測可以利用無線局域網(wǎng)（WLAN）以及GPRS無線移動(dòng)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(shí)驗(yàn)條件限制，系統(tǒng)還未在現(xiàn)場進(jìn)行過測試，由于機(jī)械運(yùn)行過程中液壓油泵出現(xiàn)故障的情況較為復(fù)雜，隨機(jī)性也較大，還會(huì)出現(xiàn)較多在設(shè)計(jì)測試中未發(fā)現(xiàn)的問題，有待后續(xù)設(shè)計(jì)解決。

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