（车辆工程专业论文）工程车辆运行参数实时监测报警系统的研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 本文介绍了工程车辆监控及故障诊断系统的发展状况，指出了工程车辆运行参数实 时监测的必要性。选择了工程车辆运行监测参数确定了报警参数及报警值。简述了本 监损报警系统的结构、组成及原理。详细阐述了本监铡报警系统的硬件设计方案，包括 传感器的选择、信号处理电路、单片机的选择、f l a s h 存储器的扩展、实时时钟电路、 人机接口通道的设计。详细介绍了本监狈4 报警系统所需实现的功能、系统软件资源分配、 软件的设计方案及具体实现方法。阐述了各软件功能模块，包括数据采集模块、数据处 理模块、显示功能模块、键功能模块、故障存储模块及三级报警故障诊断模块。阐述了 本监测报警系统的抗干扰设计及调试过程中遇到的闯题及解决方法。实现了对工程车辆 运行参数的实时监测对故障参数的三级报警，及对故障参数的存储与查询。 关键词：工程车辆，监测，故障报警。单片机 当查塞三查耋堡圭耋堡丝兰 竺! ! 兰垒竺： a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，t h ed e v e l o p i n gs i t u m i o n so ft h er e a l - t i m em o m t o f i n ga n df a u l td i a g n o s i s t e c h n o l o g yo f c o n s t r u c t i o nv e h i c l e a r ei n t r o d u c e d t h en e c e s s i t yo f t h er e a l t i m em o n i t o r i n go f o p e r a t i n gp a r a m e t e r so fc o n s t r u c t i o nv e h i c l e i sp o i n t e do u t t h em o n i t o r e dp a r a m e t e r sa l e s p e c i f i e d f u r t h e r m o r e ，t h ea l a r mp a r a m e t e r sa n d t h ea l a r mv a l u e sa r ed e f i n e d t h es t r u c t u r e ， f r a m ea n dp r i n c i p l eo f t h e m o n i t o r i n ga n d a l a r ms y s t e ma r ei n t r o d u c e di nb r i e f t h eh a r d w a r e d e s i g np r o j e c ti se x p l a i n e di nd e t a i l ，w h i c hi n c l u d e st h es e n s o rs e e c t , t h es i g n a lp r o c e s s i n g c i r c i l i t ，t h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rs e l e c t ，t h ee x t e n s i o no ft h ef l a s hm e m o r i z e r , t h e r e a l t i m ec l o c kc i r c u i ta n dt h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea c c e s sd e s i g n a st h ec o u n t e r p a r t , t h e s o f t w a r ef u n c t i o nm o d u l ei se x p l a i n e d 船w e l l ，w h i c hc o n s i s t so ft h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ， t h ed a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，t h ed i s p l a yf u n c t i o nm o d u l e , t h ek e yf u n c t i o nm o d u l e ，t h ef a u l t m e m o r ym o d u l ea n d t h et h r e e l e v e la l a r mm o d u l eo i lf a u l tp a r a m e t e r s t h er e a l i z e df u n c t i o n s o f t h em o n i t o r i n ga n da l a r m s y s t e m ，t h es o f t w a r e r e s o u r c ed i s t r i b u t i o n , a n dt h es o f t w a r e d e s i g n p r o j e c ta n d i t sc o n c r e t er e a l i z e dm e t h o d sa r ea l li l l u m i n a t e di nd e t a i l t h e a n t i - j a m m i n gd e s i g n , a n dt h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ed e b u g g i n gp r o c e s sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa r e s t a t e d t h et h e s i sr e a l i z e dt h er e a l - l i m em o n i t o r i n go f t h eo p e r a t i n g1 7 陋a l l e t e r s ，t h et h r e e l e v e l a l a r mo nt h ef a u l tp a r a m e t e r sa n dt h em e m o r i 血ga n d i n q u i r i n go f t h e f a u l tp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o n v e h i c l e ，m o n i t o r i n g ，f a u l ta l a r m ，s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r 山东理工大学硬士学位论文 第五章抗干扰没 及渭试 有一个高抗干扰稳压电源作为系统的动力保障。本系统的电源电路如图5 2 所示，输入 电压范围为9 3 0 v 的交流或直流电压，输出为5 v 的直流电压。 图5 1 系统接地线路 5 2 软件抗干扰设计 图5 2 系统电源电路 微机应用系统在采取硬件抗干扰措施之后，强干扰仍会冲破层层硬件抗干扰防护层 进入系统，对系统形成干扰。此时的干扰不能造成硬件系统的损坏但常常使微机系统 不能正常运行，致使检测数据出错或控制失灵，造成重大事故。为此，必须从软件上采 取抗干扰措施。 监测系统采集的信号经常会受到干扰，为了提离采样的可靠性，减少虚假信号的影 响，在本程序中采用数字滤波的方法。 对程序监视，一旦程序失控，便自动复位保护。在本软件设计中采用两种方法，软 件陷阱法和软硬件相结合的方法。 5 2 1 软件陷肼法 罢翠自 山东理工大学硕士学位论文第五章抗干扰设计及调试 任何正常工作的微机，运行的是正确的程序流程，程序跑飞意味着执彳亍非正确流程 程序，故可在程序模块问及程序之后，增设有若干个空操作指令和一条无条件跳转指令 组成的陷阱，旦程序跑飞，跌落陷阱，便进入初始程序或有关的失控恢复程序，从而 恢复程序的正确流程。一般在程序中设置8 。1 0 个陷阱，就能有效地起作用，该方法无须 增加硬件开支，适用性较强。 5 2 2 软硬件相结合的方法 由于干扰的随机性，微机失控后的现象无法预料，故软件陷阱法存在定的缺陷。 例如若微机出现避开陷阱的非法死循环，那就会失去监视保护的意义，而采用软硬件相 结合的方法，可获得更为可靠的监视保护。它的原理是，利用软件程序令c p u 经常访阅 某一硬件，若c p u 在规定的时间内没有访问，则硬件将自动迫使c p u 恢复正常工作。 在本系统中，利用c p u 本身所带的监督定时锻w a t c h d o gt i m e r ) 实现对系统的 保护。监督定时器是一种具有实时监控功能的定时器，计数器，该定时器检测对其控制寄 存器的两次特定写操作的时间间隔，如果这个时问间隔超过了编程的极限值，将产生一 个w d t 复位，强制c p u 进入复位状态，防止系统失控。 5 3 软硬件调试 系统在经过硬件分析、设计，以及软件分析、设计后要进行系统调试。系统调试 是工程设计的最后一个阶段，也是一个项目能否由理论上升到实践的关键一步。从软件 周期当中可以看出，软件的单元测试和综合测试占到总工作量的6 0 ；现代的软件开发 有专门的程序测试员，由此可见调试的份量。通过软硬件调试，经过处理，可使软件子 程序、模块、硬件等变为能为用户接受的正常运行的成功的统一整体。 5 , 3 1 调试方法 硬件的调试主要依靠经验，调试人员需要通过不断的硬件调试来积累和提高。硬件 电路的调试内容归纳起来有两项：脱机检查和联机调试。脱机检查主要是检查电源系统 的极性，是否有短路故障和硬件电路的地址总线、数据总线以及控制总线是否有短路、 开路或错位情况。联机调试是全面测试数据存储器、程序存储器、i o 接口和i o 设备、 晶体振荡器电路和复位电路是否正常。 软件调试通常有以下几种方法： 1 、程序会审和口头宣读 山东理工大学硕士学位论文第五章抗干扰设计及调试 程序会审和口头宣读的方式可以互相启发灵感，思维活跃，通常成批的发现错误， 并能正确发现出这些错误的性质和位置，提出合理的纠错方法，因丽测试效率非常高。 本软件的开发多次采用这种方式，尤其是遇到疑难问题的时候，不仅改正和解决了 好多理论上的问题，而且改正和改进了程序。 2 、白盒测试法 白盒测试法的特点是：比较擅长发现逻辑错误，但容易遗漏非逻辑错误。本软件的 子程序的调试大多采用白盒测试法。 3 、黑盒测试法 黑盒测试的特点是：容易发现功能错误，但无法发现逻辑错误。本软件中的模块测 试多用黑盒测试。 4 、自顶向下测试法 它的优点是：可以最早看到系统的整体功能轮廓，对于增加工作信心比较有利；缺 点是需要编写虚模块。本软件的主框图的测试即采用此法。 5 、自底向上测试法 它的特点是：不必编写和测试虚模块，但必须为每个模块写一个驱动模块来替代它 的上级模块，不过驱动模块的编制比虚模块还是要容易得多。本软件的各模块即采用此 法。 5 3 2 具体调试 a d 转换的通道及存储单元是否与设计中的一致，报警灯及报警值是否与选定的一 致，各个开关的功能是否可行，a d 转换精度如何等等，均需要经过调试才能得到证实。 本文中的调试只是实验室中的电模拟，即各个参数的输入为o 5 v 的直流电压，撇开了 带传感器的实况模拟，其目的是验证软件的正确性。 5 3 2 1a d 转换的调试 1 ) 通道调试 调试方法是在9 路a d 转换中，每次只将l 路接入2 4 v 电压，而将其他8 路接地， 然后检查接2 4 v 伏电压的那一通道，其结果是否存在对应的存储单元，a d 转换结果是 否约为0 3 f f h ，如果是，则调试通过。依次改变接2 4 v 伏电压的通道，使9 路通道都 能得到调试。 2 ) 精度检验 参数显示的精度取决于多种因素，它与a d 转换的精度，数制转换的精度等有关， 这里摘录一组现场记录，如表5 1 5 4 所示。由表可见，这样的精度在工程车辆上已能 满足要求。当然，如果考虑传感器本身的误差，这时可以通过硬件或软件来进行修正。 生查矍三奎兰矍圭耋堡篁兰里三薹苎三篓堡竺垒堡薹 表5 - 1 发动机机油压力的调试记录( 单位：b a r ) 表5 - 2 发动机冷却水温的调试记录( 单位：o c ) 表5 - 3 液压油油温的调试记录( 单位：o c ) 4 9 丝至塑三奎耋堡圭兰堡堡塞矍薹圣鎏三苎塞茎墨堡兰 表5 - 4 制动器气压的调试记录( 单位：b a r ) 5 3 2 2 报警灯及报警极限值的调试 调试方法是先将所有的报警灯调成熄灭状态，然后次使一个参数超限，检查对应 报警灯是否发亮。依次改变超限参数，使所有报警参数及报警灯都得到调试，如果调试 合格，则通过。 5 - 3 2 3 实时时钟的调试 在c 8 0 5 1 f 0 2 2 的外部r a m 中开辟7 个字节单元作为时间缓存区，分别存放年、月、 e t 、星期、时、分、秒( 均为b c d 码) ，把以上数据写入时钟，然后延时- 4 , 段时间， 最后将数据从实时时钟读出，若两次时间值之差等于延时时间长度，则调试通过。 5 3 2 4 故障存储及查询的调试 在c 8 0 5 1 f 0 2 2 的外部r a m 中开辟9 个字节单元，分男q 存放数据：年、月、日、星 期、时、分、秒、报警值( 占2 个字节) 。把这9 个数据看成是要存入f l a s h 存储器的故 障码，系统按照上述数据进行周期性循环存储，最后把数据从闪速存储器中读出，若读 出的数据和预期的相吻合，则调试成功。 在硬软件调试过程中，出现过好多问题，这些问题的解决不管是作为教训也好，经 验也好，相信对于后来者将有不少借鉴。 1 ) 在进行时钟调试时，写入一个时间值后，延时一段时间，再读出时，发现两次时 问之差并不等于延时时闻长度，而且尽管只延时几秒钟，还是得不到想要的结果，经分 析发现问题出在实时时钟接收和发送数据的传送方向上，若将要写入的时间值循环移位 后再写入1 2 c 串行总线的移位数据寄存器，执行数据传送后，得到正确结果。 2 ) 液晶程序编好后，单步运行没有问题，但不能把程序全速脱机运行。最终发现问 题在c p u 和液晶显示器速度不匹配，在液晶程序的读、写、使能指令后调用个合适的 延时子程序，问题得以解决。这个问题在课题进展的关键时刻困扰我们半月之久。 山东理工大学硕士学位论文 第六章总结 第六章总结 本文针对工程车辆的运行状况，根据用户提出的功能要求，经过现场调研并分析当 前工程车辆的检测现状，从全新的角度找到了一种更简单、有效地实现工程车辆运行参 数实时监测报警的方法。在此基础上确定工程车辆运行参数实时监测报警系统的实施方 案，并根据系统方案进行硬件设计与软件开发。经过安装与调试，达到了预期的目标 成功地研制出了一套工程车辆运行参数实时监测报警系统。 该系统具有自动监测功能，能进行定时采样、数据处理、实时显示、报警查询、故 障诊断等。不但对工程车辆运行进行了非常有效的管理，而且大大节省了人力和财力， 避免了光凭经验、带有极大盲目性的定期维修，为维护工程车辆的运行提供了有力的保 障。通过最后的模拟试验和调试，得出如下结论： 1 、系统总体设计方案是合理可行的。工程车辆运行参数实时监铡报警系统集信号测 取，数据传输，特征提取，三级报警诊断于一体，基本实现了原定的功能要求。系统直 接安装在工程车辆上，实时采样相应的运行参数并作简单的预处理，提取出管理和维修 人员所需的特性信息，存储在非易失性数据存储器中。在出现异常和故障时，会用不同 的方式提醒操作人员。系统上的l c d 显示屏平时循环显示各项参数值，丽出现故障时 配合声光报警显示异常参数和故障时间。操作人员也可以通过小键盘主动查询故障记录， 随时了解工程车辆的运行状况。人机接口的友好，操作方便直观，易于实现复杂操作功 能。 2 、该系统不仅满足了工程车辆野外恶劣条件下的数据采集及实时报警，而且能大量、 实时、完整地存储数据，特别是可反映工程车辆工作过程中的数据变化规律，为工程车 辆的故障诊断奠定了良好的基础。 3 、可靠性好，在恶劣的环境下抗干扰能力强，能稳定、可靠的运行。 4 、具有良好的扩展性，在设计时为将来的扩展预留了一定的余地。 本系统可适用于所有工程车辆运行参数的实时般测，具有很大的经济效益和推广价 值，而且随着机电技术的迅猛发展，工程车辆要提高其性能，配各功能完善的运行参数 实时监测及故障诊断系统，已成当务之急。 本文作为工程车辆运行参数实时监测报警方面的一个尝试，离最后的实用化、产品 化还有一段距离，还有一些地方需要继续研究和完善： 1 、随机安装的系统，采用点阵式彩色液晶显示器，动态显示工程车辆的各项运行参 数，并用汉字提示故障，提高产品的档次和人机界面的友好简易性。 2 、为了进一步提高工程车辆的实用性和可靠性，促进工程车辆的智能化发展，可 在本监测报警系统的基础上，增加系统故障诊断功能，建立基于专家系统的故障诊断方 山东理工大学硕士学位论文第六章总结 法，在线监视控制系统，利用知识库和数据库支持的诊断程序，并综合运用各种规则， 进行一系列的推理，最后快速地直接找到最终故障或是最有可能的故障，这样就真正实 现了工程车辆维护的自动化。 山东理工大学硕士学位论文 致谢 致谢 通过这几年的学习和课题研究，我的论文也接近尾声。回顾研究生期间的学习和工 作，我受益很多，不论是在科研学术还是动手方面的能力，都取得了很大的进步。然而 所有的这些进步和能力提高都是与我的导师高松教授的悉心指导和谆谆教诲是离不开 的。高老师在科研学术上一方面对我要求严谨，另一方面又经常激励我广开思路，大胆 创新，为我今后的学习和工作奠定了科学的思想基础。在此，向高老师表示衷心的感谢! 感谢邹广德教授三年来给予的生活上的关心! 感谢测控技术实验室的李忠平同学在这个项目的研究过程中给予的大力帮助! 感谢 我的师弟李炳志给予的支持和帮助! 最后感谢所有关心和支持我学习和工作的亲人、同学和朋友，是你们的关爱激励我 不断上进，使我能够顺利完成学业。在以后的工作里，我将一如既往的努力，不辜负你 们对我的期望! 山东理工大学硕士学位论文参考文献 参考文献 1 】韩莹，工程机械工况测取及故障诊断系统的研究与开发，大连理工大学硕士学位论文， 2 0 0 0 【2 杨晓强，张梅军，苏卫忠，机械设备状态监测系统，振动、测试与诊断，1 9 9 9 ，1 9 ( 3 ) ： 1 8 3 一1 8 6 3 柏红专，关于发展我国工程机械机电一体化的探讨，凿岩机械气动工具，1 9 9 6 ( 2 ) ： 5 6 - 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h u a l i ar e v i e wo nc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sf o rd i e s e l e n g i n e s c o n d i t i o nm o n i t o r i n g 9 7 ，1 9 9 7 4x i a l l ，p r c h i n a ：p 1 5 2 7 1 6 j a c kp o c e y o i la n a l y s i sf o rm o n i t o r i n gh y d r a u l i co i ls y s t e m s as t e p - s t a g ea p p r o a c h ， j o u r n a lo f t h es o c i e t yo f t f i b i o l o g i s t sa n dl u b r i c a t i o ne n g i n e e r s 1 9 9 0 ：4 l 4 7 f 1 7 r u 听辉，装载机工作装置电子监测与控制系统的研究。吉林大学硕士学位论文，2 0 0 2 f 18 】唐金秋拖拉机作业机组仿真试验台发动机节能监控系统的研究，中国农业大学硕 士学位论文，2 0 0 0 1 9 祁学军，拖拉机作业机组仿真试验台监控系统的开发，中国农业大学硕士学位论文， 山东理工丈学硕士学位论文参考文献 2 0 0 l 【2 0 曹学成，液压挖掘机系统监测及故障诊断，建设机械技术与管理，1 9 9 9 ( 3 ) ：4 1 4 3 2 l 】何福忠，高宇，洪培恩，陈国俊，柴油机状态监测和显示系统，自动化仪表，1 9 9 6 ， 1 7 ( 5 ) ：2 1 2 3 2 2 涂群章，龚烈航，8 0 9 8 单片机在液压系统工作参数在线检测中的应用，矿山机械， 1 9 9 9 ( 2 ) ：5 2 5 3 【2 3 】宋占伟，于秀敏，诸文农，李锡璋大型装载机三级报警电子监控系统，吉林工业 大学自然科学学报，2 0 0 0 ，3 0 ( 2 ) ：1 5 1 8 c 2 4 】杨洪伟，工程机械一体化监测系统设计，辽宁工学院学报，2 0 0 1 ，2 1 ( 2 ) ：4 4 4 5 【2 5 】郑发泰专用工程机械检测车的检测系统，矿山机械，1 9 9 7 ( 1 ) ：3 5 3 8 【2 6 】丁镇生，传感器及传感技术应用，电子工业出版社 【2 7 卢文祥，杜润生主编，工程测试与信息处理，华中理工大学出版社，1 9 9 4 p 8 孙传友，孙晓斌，汉泽西，张欣，测控系统原理与设计，北京航空航天大学出版社， 2 0 0 2 【2 9 j r o n a l dj u r g e n a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sh a n d b o o k n e w