（车辆工程专业论文）嵌入式微处理器在装载机控制系统中的应用研究.pdf

摘要 自从新兴的嵌入式技术丌始大量的介入到各种传统工业中以来。嵌入式系统 技术以高集成度、高性能的1 6 位、3 2 位处理器为核心，在多传感器技术、人机 接口以及控制算法等方面具有特殊的优势。但在国内还很少有厂商生产类似产 品。为此我们以3 2 位a r m 为核心处理器，研究了嵌入式微处理器在1 工程机械 控制器上的应用，希望利用先进的嵌入式系统技术，配备丰富的外围接口，建立 友好的人机界面并且力争提高其稳定性，并降低成本，生产出我们自己的工程 机械控制产品。使整机的技术水平赶上或超过国外知名厂家的技术水平。 本文通过对装载机的电子监控系统的研究与探讨，介绍了电子监控系统及故 障诊断系统的主要功能，分析了各种监控参数的确定方法，阐述了故障诊断系统 的软硬件设计方法及其可靠性与抗干扰性的验证。通过选用基于a r m 架构的嵌 入式微处理器为控制系统的处理器，实现对装载机压力及温度等物理量的动态实 施测量和显示，并将采集到的结果与标准数据对比进行逻辑分析与判断，将计算 结果以故障码显示出来，实现故障诊断功能。本文对组成系统的软、硬件选型与 设计，各功能模块的工作原理、软硬件结构设计方法都作了详细探讨。 该控制器通过检测，可以方便地实现对各功能部件的主要参数进行实时控制 及故障诊断与报警，使机器的维护和安全运行达到新的水平，除能长时间连续作 业外还可以使机器始终处于最佳工作状念。它的应用提高装载机整机性能，降低 操作者的劳动强度，延长机器使用寿命。提高劳动生产率，降低燃油消耗，使机 器维护与保养更加方便。 关键词：嵌入式控制器；装载机电子监控系统：故障诊断与报警； a b s t r a c t s i n c et h en e w l ya r i s e nb u i l t i nt e c h n i q u eb e g i nt og e ti n v o l v e di ng r e a tq u a n t i t i e st ov a r i o u s t r a d i t i o n a l i n d u s t r y , b u i l t - i ns y s t e mt e c h n i q u ew i t hh i g hg a t h e rd e g r e e ，h i g hp e r f o r m a n c eo f1 6 ，3 2 p r o c e s s o r sf o rc o r e ，h a st h es p e c i a la d v a n t a g ea tm u l t i p l e s e n s o r st e c h n i q u e ，m a n - m a c h i n et o c o n n e c ta n dc o n t r o lc a l c u l a t ew a ye t c ，b u tt h e r ea r ef e wf a c t o r i e st op r o d u c et h es i m i l a rp r o d u c ti n t h ed o m e s t i c s ow et a k e3 2a r m sa st h ec o r ep r o c e s s o r , r e s e a r c h i n gt om a n u f a c t u r et h eb u i l t i n e n g i n e e r i n gm a c h i n ec o n t r o l l e r , t h eb u i l t - i ns y s t e mt e c h n i q u et h a th o p et om a k eu s eo ft h e f o r e r u n n e r , t h eo u t e rc i r c l et h a te q u i p m e n te n r i c hc o n n e c t s ，e s t a b l i s h m e n ta m i t yo fm a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，a n dw o r kh a r dt or a i s ei t ss t a b i l i t y , a n dd e c l i n el o wc o s t , p r o d u c eo u ro w ne n g i n e e r i n g m a c h i n ec o n t r o lp r o d u c t ，a n dm a k et h et e c h n i q u el e v e lo ft h ew h o l em a c h i n ec a t c hu po re x c e e d t h et e c h n i q u el e v e lo f t h ef o r e i g nw e l l k n o w nf a c t o r i e s t h i st e x tp r o c e e d st h o r o u g hr e s e a r c ha n ds t u d yt ot h el o a d e re l e c t r o n i cm o n i t o rs y s t e m ， i n t r o d u ct h em a i nf u n c t i o na n dw o r kp r i n c i p l e so fe l e c t r o n i cm o n i t o r , a n a l y z et h em a n gk i n d so f m o n i t o rp a r a m e t e r , e x p a t i a t ea ne x a l t a t i o nf o ra d o p t i n gc a l c u l a t o re x a m i n e sa n df a u l td i a g n o s i s s y s t e md e p e n d a b l ea n di n t e r f e r e n c em e t h o di ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n t h ep r o c e s s o ro f t h e c o n t r o l l e rs y s t e mi ss a m s u n g $ 3 c 4 4 8 0 x _ b a s e do nt h ea r mt h es t r u c t u r et oc o n s t i t u t et oc o n t r o l t h es y s t e mi n t ot h et y p em i c r o p r o c e s s o r , i tc a nm a k es y s t e mr e a l i z e dt om e a s u r ea n ds h o wt ot h e l o a d e rp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ee t c p h y s i c sp a r a m e t e r t h es y s t e md a t ai nt h es o f t w a r ew i l lh a n d l e c o l l e c to ft h er e s u l ta n dp r o c e e dt ol o g i ca n a l y s i sa n dj u d g m e n tw i t hs t a n d a r dd a t a , d i s p l a yt h e d i a g n o s i sc o d ep a s s i n gt h el e dd i s p l a y , r e a l i z et h ef u n c t i o no ff a u l td i a g n o s i s t h es y s t e mc a n s t i l lp a s st h ek e y b o a r di n p u tt or e a l i z ed i a l o g u eb e t w e e np e r s o na n dm a c h i n e i tc a nk e e pa n dr e a d e v e r yk i n do fh i s t o r yd a t a t h i st e x tm a d et h ed e t a i l e ds t u d yt ot h et y p ea n dd e s i g no fs y s t e ms o f t ， t h eh a r d w a r e ，t h ew o r kp r i n c i p l eo fe a c hf u n c t i o n ，s o f th a r d w a r ec o n s t r u c t i o nd e s i g nm e t h o do f e a c hf u n c t i o nm o l d t h a tc o n t r o l l e rp a s s i n gt h et e s tc a nr e a l i z et op r o c e e dt oc o n t r o la n df a u l td i a g n o s i st ot h e m a i np a r a m e t e ro f e a c hf u n c t i o np a r te x p e d i e n t l ya n dm a k em a i n t e n a n c eo f t h em a c h i n ea n d o p e r a t i o ns a f e t ya t t a i nan e wl e v e l i tc a na l s om a k et h em a c h i n eb e i n gp l a c e di nt h eb e s tw o r k i n g c o n d i t i o na l w a y si na d d i t i o nt oc o n t i n u eo p e r a t i n gf o ral o n gt i m e i t sa p p l i c a t i o ni n c r e a s et h e w h o l em a c h i n ef u n c t i o no fl o a d e r ，k e e p i n gl o w e rl a b o rs t r e n g t ho f o p e r a t o r , e x t e n s i o no f m a c h i n es e r v i c el i f e ，i n c r e a s i n gl a b o rr a t eo f p r o d u c t i o n ，l o w e rt h ef u e ld e p l e t i o n ，m a k i n g m a c h i n es u p p o r t sa n dm a i n t a i n i n gc o n v e n i e n te t c k e yw o r d s ：b u i l t i nc o n t r o l l e r ；l o a d e re l e c t r o n i cm o n i t o rs y s t e m ；f a u l td i a g n o s i sa n dm a n n 嵌入式微处理器扪：装载 j i l 控制系统巾的戍用l j f 究 l 绪论 1 1 孳l 亩 瓿8 0 年代，f 鳓，工程税械瀚控涮系统效液趋向予电液荦元控潮，其驻著标 志是涎用传感器一 毽予羧涮零元与渡莲疆臻执行辊攀； 寿甏结合靛模式，欷代传统瀚 液压一虮械控制单元的模式，大大攫赢了整桃魏性能。 进入9 0 年代以来，工程机械的电予控制程度进一步提高，逐潺演变到集成 电子液压控制模式，使操作糟的势动强度稿i 机器的工作效率及熊耗得到遴一步 改善，各公司枉其产品系列上普遍聚川微i i j , j l l i f 集嘻j k 测控制系统 随着中国w t of l 勺加入，围外。l ：剧机械逃入- t - 囡m 场的门槛也逐渐降低，国 内装载机鬻想继续占领闰内市场，并在阐际市场占有一席之地，必须在整机的技 术水平上缝上绒超遵国辩知名厂家的技术水s 乎。因此装载机电予髓控系统的开发 与研究也簸盈褥特别重要秘遗切。 i 2 国内蛰工程枕械控制器琥状 作为工程辊械鹣控镧孩心控稍器，京各稀复杂工程祝械巾占据极箕重簧 熬逑位，出予我国零赛静梭戳亿永，乎桷对毙较落瑟，生产豹工程辍摄技术含量不 离，多采理传统的继电器、歼关支接控制，蕊露。爨翦枣场躲激烈毙争使褥各厂麓 往往通过廉价离产米获锝最大利澜，所以工投机城控制器也未有更大的发展。锻 是随蕾国外产t 镪进入中国市场，危机的1 7 益加剧和市场l _ l 勺趋予饱和，馒得一些工 程机械厂商，1 ：始认识到仅仅依靠廉价质低的产品难以获得更大的发展，他们尝试 在使用先进的智能化设错方面进行了一烛：l ：作。在这种背景下，- 丌始出现了一些 国内生产的工程机械智能控制产品，并且逐步获得了一定的认可。 萌前阐外的髓控器产品几乎占领了网内的全部市场，像芬兰的e p e c 、同本 静h i t a c h i 、三菱、镣国弱西门予。力乐公司静工程梳穰专用p l c 控稍器，上 甄的这些控划器，性能稳定可靠，闲此农控铡系统中使用非棠广泛。以往蛉工程 机械监控器功能比较简单，所实现的功能只是将面板的按钮转换为系统指令，以 及监测系统状态、数据采集等。这魏监控器力求稳定可靠，并且尽可能使控制简 肇快捷。餐是翔今隧着社会节奏蜀髓j j l 毫憝，入们委舞注重掇商工作毅察，并量筏 监控爨的界藤更加人性化，所以现在螅监控器不仅强调本地控制功能，还皮具备 各种接口，包括网络、总线、显示接口等，最先进的还带有无限通讯模块，可 以将本机状态发送到远程控制中心，在大屏幕上实时显示。 嵌入式徽簸理器在装裁帆挖胡系统中的廊墒研究 上蕊懿这照控裁瓣，瞧筑稳定；目纛，闲熬在控割系绞中健矮 鬻广泛。叛往 的工程机械监控器功能比较简单，所实现的功能只是将面板的按钮转换为系统指 令，以及监测系统状态、数撰采集等。这些悠控器力求稳定靠，薨嚣尽可能经 控制简单快捷。但是如今随着社会节凑r 益栅陕，人们更加波重提高工作效率， 并且傻监控嚣的界面鼹加入 生化，所以现在鸵赡控器不仅强诞本地控囊4 功能，还 应具备各种接口，包括网络、总线、显示接口等，最先迸的还带有无限通讯模 块，可以将本枫状态发送到邈程控制中心，在大屏幕上实时曼示。但是这些模块 价格穰高，箕售价可以达到万元左右，很难在工程机械中实际应用1 3 毋j 。 l 。3 本课题提出的蜚景与意义 在未来几年内，传统的采用一般控制技术的工程机械出于价格因索，仍然会 是市场主泼。但由于这类产熬技本舍辍较低，厂亵竟擎激烈，市场会缀快趋予饱 和。随着科学技术的迅猛发展，工程机械产品为了适殿人们越来越快的社会节奏 和满足人类对安全、舒适、方便、可靠等性能越来越糍魄要求，在产灏中日藏广 泛地采用各种高新技术，特别是电子技术，已成为时代的潮流，成为朱来发展的 方向。 装载机电子监控系统是机电液一体纯在工程杌械中的其体应用，可以实现单 纯机械部件或液压部件无法实现的复杂的自动控制问题，可以方便地实现对各功 锈部佟静主要参数进行实耩寸控制及敖簿诊断，使祝器的维护稻安全运行达至l 了新 的水平，可以长时间连续作业，使机器始终处于最佳工作状态。它的应用对提高 装载税整橇整能，降低操手# 者豹劳萄强度，延长季凡器後麓寿命，提高舅动生产率， 降低燃油消耗将具有十分重要的意义川。 控靠l 器系统静凳趱器建溺了s a m s u n g $ 3 c 4 4 b o x 一基手a r m 絮擒豹嵌入式 微处理器组成控制系统，通过其本身自带的8 路十位a d 转换器，使系统能够 实褒对装载掇压力及滋度等渤瑾参数爨静韵悫实辩溺麓稻显示。系统较 孛中豹数 据处理模块将采集的结果与标准数据孟挂行逻辑分析、判断，将计算结粜通过l e d 显示器显示敫簿饯码，实瑗故簿渗凝凑戆。系统还髭逶i 霪键蠢输入实瑰人掇对潺， 并能保存和都区各种历史数据。希望利用先进的嵌入式系统技术，配备丰富的外 盈接口，建立友好的入援器露，菸且力争提赢其稳定性，劳黪低成本，生产熬我 们自己的工程机械控制产品。 嵌入式微处理器n ：黻栽机控制系统中的应用研究 2 装载机电子监控系统功能介绍 2 1 装载机电子监控系统的组成 装载机电子监控系统是由传感器、电子控制器( e c u ) 和执行器三部分组成 的，是一个以单片微型计算机( 简称单片机) 为中心而组成的微型计算机控制系 统，组成框图如图2 1 所示，其中电子控制器e c u 是控制系统的核心部件。 输入 e c u输出 模i ；| 曩l ； 拟i 1 订 存储器 数输 入 处 “。i1 甜 理 l 乜 路 图2 1 装载机电子监控器的基本组成 f i g u r e2 1t h eb a s i cc o n s t i t u t i o no fl o a d e re l e c t r o n i cm o n i t o r 控制系统中的e c u 使用了从普通电路到大规模集成电路等各种器件，结构简 单可靠可以灵活方便地适应需求变化，迅速扩充新的功能。随着控制技术电子化 程度的进一步提高和微电子技术的迅速发展，控制系统的控制功能也在不断增 强，并逐步由单一控制向集中控制方向发展。 2 2 装载机电子监控系统的基本功能 通过考察各种装载机的控制系统中的核心控制器我们可以得到控制器的基本 功能如下： 2 2 1 输入处理电路 控制系统的输入信号主要有三种形式，即模拟信号、数字信号( 包括开关信 号) 、脉冲信号。模拟信号必须通过a d d 转换为数字信号后才能为微处理器处理。 由于控制系统往往要求模数信号转换具有较高的分辨率和精度，所以经常采用 1 0 位以上的a d d 转换器。对于装载机系统，运行参数比较多，包括发动机转速、 车速、机油压力及温度、水温及温度等，这些参数通过不同的传感器传送到控制 器的采集接口。因此对应不同的传感器，控制器必须有足够的各种传感器接口， 其中输入接口有：a d 、i o 脉冲输入等，输出接口有：i o 、p w m 、d a 等。由于 车在电源一般为2 4 v ，所以i o 接口一般高电平为2 4 v ；a d 传感器多数的输出 范围是0 - 5 v ，相应控制器接口指标也是这样。控制器采用查询或者中断的方法 嵌入式微处理器在装载帆控制系统中的应用研究 获得i o 、a d 和脉冲输入，通过简单的计算得到机体运行参数。 2 2 2 参数显示 获得参数后，还应该具有人机接口，现在大多数控制器都配备有l c d 液晶 显示模块，通过总线或者数据线将各种结果送到上面显示，以便于用户直观地得 到系统的信息。显示功能是控制其功能的重要组成部分，除了正常的显示参数， 再出现异常时，l c d 可以对用户提示，在使用控制功能时，界面可以辅助用户 进行参数选择。目前l c d 一般采用s t n 灰度或者单色屏，鉴于工程机械多为户 外作业的特点，光照比较强烈，s t n 的彩色屏和t f t 屏都难以满足背光的要求， 所以很少采用。 2 2 3 控制功能 控制功能是工程机械控制器最主要的功能单元。系统通过i o 可以直接控制 各种继电器，通过p w m 控制电机，通过d a 控制各种比例阀。更高级的控制可以 实现闭环控制，即实时获取反馈传感器的信号，通过计。算得出校正信号。 2 2 4 错误处理 控制器本身应具备专家数据库或者简单的差错标准，结合机体本身的状态作 出报警或者自动纠错的功能。报警可以是声音的或者闪烁的，便于引起注意。 2 2 5 通讯功能 现在的施工中，由于施工现场范围r 益扩大，机种越来越多，机群的调度管 理逐渐成为提高施工效率、合删! 配苒：资源的重要于段，这就要求工程机械除了具 备传统的局部总线之外，还应该具有远程通讯的功能，主要是无线通讯，通讯方 式可以是数传，g p r s g s m ，无线局网等，国外的很多控制器已经配备有相应的模 块，但由于成本问题，目前还不可能在工程车辆中大规模使用。 上述功能要求，决定了在工程机械控制系统中，要在尽可能小的空间中集成数据 采集、处理，人机界面，各种总线通讯等多功能，传统的单片机由于功能单一， 往往无法满足要求，或者即使可以实现也需要使用大量的c p u 协同工作，在 信号连接、编程和减少体积方面，都会遇到不小的困难。如果使用嵌入式系统技 术，则可以使用单片嵌入式c p u ，集成多种功能，大大减少了设计的困难。所 以目前新型的工程机械控制器多采用1 6 位、3 2 位高性能的处理器，辅助阻必要 的外围接口实现f 2 5 】。 嵌入式微处理器化装城机挖制系统中的应用1 i 】| = 究 3 载机电子监控逻辑模型的建立 3 1 确定监控参数与监控状态 监控系统的监控状态是根据监控对象的具体工作过程的典型特征决定的。构 成机器的各功能部件的工况由工作参数反映其特性。取个功能部件的主要工作参 数作为监控参数具有完备性，经组合确定的监控状态具有唯一性。即监控参数体 现监控对象的典型特征，监控状态反映了机器的工作状态。 因此，确定监控参数和监控状态是构成监控逻辑的首要问题。从系统的观点 看：监控参数是系统的输入，监控状态是系统的输出。设计监控系统的前提，必 须确保监控参数的完备与监控状念的唯一。这样才能保证最优化，设计的简单与 工作的稳定。否则由于系统存在冗余，会造成监控结果的不确定。 设x 代表监控参数，y 代表监控状态 x = ( x l ，x 2 ，x n ) x 对( n = l ，2 ，n ) y 2 ( y l ，y 2 ，y 。) 1 y r l ”f n l = l ，2 ，m 1 式中r n 一系统工作参数域 r ”系统_ - l 4 t j 状态域 n 一骼控参数维数 m 一隘控状态维数 则y = c x ( 1 ) 式中c 一相关系数阵，c = c i j ，i _ 1 ，2 ， ，m ， j 2 1 ，2 ， ，n 当时( 1 ) 满足p a u s e v a l 方程 2 时，j l 在控参数x 完全币交，监控状念具备唯 m2 2 y j = c i jx i i = 1 ( 2 ) 其中，c 是构成系统监控逻辑的基础与依据。当监控参数为开关量时，c i j 取0 或l ；当监控参数为连续量时，c “取0 1 ；相应的系统为并行逻辑系统和串 行数字系统( 微处理器) 。n 、m 决定了系统的规模。 对于广泛应用的工程机械产品的电子j 隘控，如装载机、推土机、挖掘机，其 构成整机的主要功能部件相似，可分成柴油机、传动系统、液压系统、供油及冷 却系统、电气控制系统、操纵控制单元等，各部分协调工作，组成机器的正常工 况。由于外部环境、工作过载、供给失衡以及一系列不可确定因素的影响，导致 某一功能部件工作出现故障，需及时维护与维修，完备的监控参数和唯一的监控 状态可以简洁、有效地提供故障位置与故障等级，达到优化整机工作过程的目的。 分析机器的工作过程和工作机理，可以确定典型的监控参数：如冷却水温度、 嵌入式微处理器n 墩城帆扮制系统中的心用州究 冷却水液位、发动机转速、液压油油温、液压油液位、液压油油压、制动器油压、 制动器气压、制动器油温、液压油污染度、蓄电池电压、发电机电压及变矩器油 温等；监控状态：如冷却水温度、发动机故障、液压油油温、液压系统故障、制 动器浦压、制动器故障、变矩器油温、变矩器故障、发电机故障及供油系统故障 等。 监控逻辑的设计要根据具体监控参数的特征进行，使其具有针对性，并做到 准确性与可靠性的统一。 3 2 建立参数验证与抗干扰逻辑 传感器监测到的监控信号经低通滤波器送入监控逻辑单元。在实际监控系统 中，监控参数的传输伴随着干扰和噪声，验证监控参数的真伪是监控逻辑的第一 步。 对被控对象进行分析可以看出：其变化过程一般为一阶或二阶惯性过程，即 使存在高阶过程，经过前端低通滤波器后，其成分亦被大幅衰减，可以忽略。因 此，由信号系统原理可知：信号持续时间大于系统过渡时间时，才能被确认是稳 定的监控信号。对于一阶或二阶系统，反映动态过程时间量的典型参数是时间常 数t ，惯性过程的变化形式是指数形式。存工程上，当t 4t 时，指数形式趋 近于稳态。从而构成参数验证逻辑的准则： i ft 4tt h e n监控参数敢t i ft m 时每一输出状 态与相应的输入状态相关，为 y 1 = f ( x l ，x 2 ，。一，x i ) m o d m 式中y j 第j 个输出状态，它是i 个输入状念x i ，x 2 ，x i 的以输出状 态数m 为模的逻辑函数值。 测试逻辑的任务是检测输出状态y 。是否j , jr m 域中的值，即i fy j r m t h e n y j t ，说明相应的逻辑函数“) 功能正常。其次是检测 y k = f ( x k ，x k + l ，x k 十i ) m o d m 式中y 。一输山状态的个位，它是与i 个输入状态x l ，x 2 ，x 不相关的 输入状态x k ，x ，x 以输出状态数i t i 为模的逻辑函数值 测试逻辑要抑制输出状态y k 成为r m 域中的值，即i fy k r ”t h e n y k ：t ，说明相应的逻辑函数f ( ) 输出是唯一的，达到容错的目的。 在监控逻辑单元中，测试逻辑采用“与或”组合逻辑的形式加在中间级的各 逻辑单元上，当测试信号出现时，除复位信号外，所有输入作用和时序逻辑单元 中的状态失效。 监控逻辑的直接作用就是在系统出现故障报警时，消除操作人员对监控系统本身 的疑虑，提高系统可信度。 嵌入，c 微处理器祚漱拽机挣 叫系统中的心用研究 3 4 建立参数组合逻辑与状态输出逻辑 监控参数信号经过输入级后，已成为标准、稳定、可信的逻辑信号，在中间 级要实现具体的逻辑关系。输入状态与输出状态之间的逻辑关系由监控系统的真 值来表示。 分析监控对象的工作机理，可以将反映监控对象状念的监控参数分成3 类： ( 1 ) 单一的状态信号，不受控制信号的约束。 ( 2 ) 带一个控制端的状态信号，只有在控制信号有效时爿有效，或者在控制信 号的不同状态下产生不同优先级的输出。 ( 3 ) 带上下两个控制端的状态信号受。i j 一f 两个控制信号的约束，产生3 科，不 同的状态输出。 这里的状念信号既可以是丌关信号，胡i 可以是脉冲序列信号和连续信号。典 型结构的逻辑表达市为 y 3 = 圊丽n 面可u ( x 2 i 。nx ，) y j 。( x lux i ) n x i c y j = ( x ln x i c iu x i ) n x i c h 状态信号与控制信号的逻辑组合只足中m 绂的前级，反映了监控对象的固有 特性。而由于各功能部件之间存在有机的联系，因此，各监控对象之间保持着确 定的耦合特性。这要通过前级输出结果的逻辑组合来实现。 分析故障发生的原因及相互之问的关系，可以将工程机械的监控对象分成： 温度监控、压力监控、位置监控、速度监控、状态监控等。针对各类监控的固有 特点，可以总结出相应的逻辑组合关系，作为监控逻辑各类状态组合的依据。 中问级中的后级是故障特征分级输m 逻辑，其目的是根据监控输出状态参照 故障处理优先级的约束，j t 生最终反映舱控对象整体特征的不同警告级别的输出 结果。具体逻辑组合的依据是优先级输出真值表。 在工程机械电子监控系统中，故障特征输出分成3 级。即由0 0构成的具 体故障特征指示级：由主灯和构成的警高级：山喇叭、主灯和构成的紧急处 理级。 在各级逻辑单元中采用“与、或、非、d 触发器”来实现具体的逻辑运算。 设计时要考虑各种逻辑单元之间的延迟，避免发生“竞争”现象，造成不稳定因 素，设计完成后必须进行模拟仿真，通过改进设计结构，消除内部隐患。仿真时 对于大多数逻辑门采用输入计数计算法；而对二r 含有触发器、泽码器、分配器的 逻辑单元采用真值表法。 3 5 建立电子监控逻辑模型 综合各功能逻辑单元，加上时序信号发生分配单元、各级输出驱动单元及脉 嵌入，微处理器以城载机控制系统中的心用研究 冲信号计数、译码、分配单元等，构成电子监控逻辑模型。其结构如图3 1 参数调节 输入信弓 脉冲信吁 输信号 图3 1 电子监控逻辑结构功能框图 f i g u r e 3 1 t h es t r u c t u r ef u n c t i o nl y a n e - f i g u r eo fe l e c t r o n i cm o n i t o r i n gl o g i c 在监控逻辑中，时钟发生器和时序脉冲分配器由与非逻辑和d 触发器时序 逻辑构成，用来产生协调各功能逻辑单元的不同周期、不同脉宽、不同延迟的脉 冲序列信号。时钟发生器的频率由外部参数调节与确定，依据不同的整体监控对 象对应的具体监控信号的特征进行选择。 对于脉冲形式的监控信号采用时序门控信号和计数器构成的频率计进行监 控，其输出经过译码器、分配器形成不同组合的逻辑信号，送至输出驱动逻辑单 元以构成不同级别的输出报警信5 。 信号输出驱动逻辑单元控制着监控逻辑模型n 勺信号输出它是采用“与或” 逻辑单元与各种显示报警时序脉冲信号进行逻辑运算，将各监控单元的监控结果 进一步综合，产生清楚的j 艋控对象故障信息，驱动显示，报警输出。 监控逻辑的实现有软件、碰件两种模式，对应着串行处理和并行处理方法。软件 方式是利用单片微处理器构成的系统，通过抑尔运算和一系列逻辑算法编程实 现。其优点是成本低，修改、调试结构容易：缺点是抗干扰能力较差，难以完全 实现监控逻辑模型的设计思想。硬件方式是将监控逻辑模型通过专用大规模集成 电路实现。其优点是稳定可靠，抗干扰能力强，可以完美实现设计思想，适于批 量生产应用；缺点是成本高，结构修改难【2 3 , 2 5 2 7 , 2 8 , 2 9 1 。 l 往) 。- t m 世州搿 让牲f l 【j 川- i 帛瞧e 们一j 州靶 4 装载机电子监控报警系统 4 i 系统的工作原理 汁杯鄹l 嘛_ ；j ! l 段敞障渗i | 5 i 系统址硒过矗徙 ：裴投机托觚f 节帕忙撼赫时剿啦i i | l 装甑丰j 【坯 j ：i i - t 1 ( 篮蟹数o ：j 啦i i 1 ：担托f 1 ：mi 作状奈，逝址4 ：抖i f i l 以4 ：l i 。目的形 u 【：j 川i 求靴6 j l l j 以戍时水机器埏fj ：惦况。“；禁整数超i | _ ：常越瀚戚 状秕持常州强过j l f 圯小警r 矬樾尚! 犍汕6 ji l 盘l l f 进f i 址f 1 1 咀断他禽捌驶g i 蠛静 j j l 越禁个永绒，t f i 媚州：汁订”l x 洲盟救附i 断永统迁抛f j ti i 1 ；然疆、他胁搡纵 舔统救脚代伊5 不，卅l | j j 婚t j 人0 3 快越地j i l j i - 墩吣艇】i 洲，lj j j l l 二l0 4 仆把瓤豫裴 魏帆l 警弛聚川i uj i 帆柠蕺缝。 i 疆，：i 缸托系统f ：_ li t l i 胀州为： u l i ：采啦的躲拧磐彀f i i i i j 捍，求统的临摊1 1 t 桂j 比，- m f 靶, t d i i l j ，喇 【3 槲雌扮逻祭j 制 臀类掣，输p i l i | 趟形式的 鼯糟纠i 聚， 托托结聚行成：绁报警十鬃急蚴控f 艇曲 【i i 曲熄火最统) 。坩| i 。缎报警键嗣操 作人随，j 以小采l i z f 哪4 j 抟施： ：蛆j 使臀址n ：垣l i jj i l ；l + , 、l ll j 父 i 耻1 三 ：j i n 烁。擞 瞒i 懈化人怕蛭膻t l 、f f f 除- 性i 翰暾懑： ：级搬斡* “：蜘f ! _ i 堪1 1 ： ；i ：义m 姗喇叭的呜 叫姓酬擞f 1 凡- 14 【! i j 址j | ! 忮吣! 1 5 j 冀帆：小i 细撤冀f l _ j1 ：剖响心n 定时n i j l l j 躺2 耵襞0 剖i u 路曩 i 1 ：川他艇动 j 【m 却讯火为川牲系统琏i l r 存储眦 挖罄黯，“卧椰敞障冷断条绒：嚣钮l c l k 致1 i ；1 1 , i ，j i n l i m 址垭mr 殴j 外挪系统 逃 数特：流， 4 2 系统的主要功能 为r 请城匙钟曲j 1 ：j 盼翁竹耻r | ：l l 措心j l 箭机f u 帆能j j 技导心的倮护j j 能 越ab v 峭穿祭个敞i u 瑞的祚个 1 【j 越部分。l 薪j i 缀撒警输丰对俺的艟水 搬警删 瑚i u 件延舢分i u 路盟求托征l i j 佯 能 乏t l , jn o 拒趣生环境fj ：侔 h n 4 i j j j 能_ | 1 吲i 见吲4 1 。 i 如槲划堪措 _ 一 m _ + li l ：- ，批n 址 也- 嚣m t 砒m 啦带l 一 _ l l i ! 黔 - 1 矩；n i i 1 孙m t 坤b ： 冲 1 i - i l l f 、 i 托础n a l 一 儿 i 也吼也nl 叫急“ j 【j ；_ i4 1i hj i j 嵌 0 羲缝j 山自 | i l 等l i 咄咐4 1n 1 m 氙舶丘孤静i 硒毗o i 搬呻1 1 i c ：肌秭咖i 唱母鼬咖 i j 荻入式徽魏理秣矗t 装裁祝羟翱系统中建塌姘究 4 。2 1 宴梭： 当将起动开关从o f f 位擞到o n 位时，系统丌始自检。幽自检结束后回到 自然状念，自梭过程全甄检查欺测系统自赛是否完好。 4 2 2 三级报警系统： 一级报警只需驾驶员了解；二级搬蛰系统灞要驾驶员做出反应：三级报警则 需要立郄停止机器运转。 下砸按计算机监测及故障诊断系统的报警级别介绍机器各系统的工作情况。 一缀报警：在该缀剐中，撩示汀点亮，据醒驾驶员濡注意机器菜个系统。这 些部件的故障尚不能危害驾驶员或引越机器零部件的严重损坏。( 1 ) 停车制动： 当瓿嚣簸在箨车裁葫获惫翻+ ，投警指示汀闲亮，爨醒驾驶受臻次超动窜时注意。 ( 2 ) 电瓶强弱电报警：当电子系统电压太i 苗或太低时报警，如果报警灯在一分 镑内憋灭，诗翼援夔测及敛障诊薮系绕螽鬻运行。过载一般发生在发魂辍 毳这运 行周期内，修币运动周期可以避免系统过载，过载将会损坏电瓶。( 3 ) 燃油油能 报警：点燃澶渡位甄予浊箍容戳靛1 8l 嚏掇餮。 = 级报警：在该报警级别中报警指示灯点巍而报警总灯闪烁，这时需要驾驶 员调整机器工作。以降低系统c 争一处或几处过离数湿度。( 1 ) 冷却滚瀵度报警； 指示冷却液温艘过高，如果表的指针处于红色隧域时，需停车落明原因。( 2 ) 变 速箱机油温度搬警：指示变速籀湿度过赢，当袭针处于娃色区域内。面报警灯涟 续闪烁约5 s 瑶，需停车查明原因。( 3 ) 液压油温度报警：指示液压油漱度过商， 如指针处于红色区域内，需降低系统的受载，如果指针仍停留在红色区域内，则 需停车褒明原翻。 三级报警：在该报警级别中，指示灯点亮，敞障报警总灯闪烁且蜂鸣器鸣响， 要求立帮停车，潋防伤密驾驶爨或者g | 藤帮t 器菜个系统严重损环。( 1 ) 发动视油 压不足报警：报警指示油压不足，如指示灯亮，应立刻停车，发动机熄火，查明 愿蠢，在敌漳j 豫蓊，梳嚣不麓工 乍。( 2 ) 麓韵器匿力遥低报警；报警指示捌动 器压力过低，如果这个灯闪烁，需停车合上停车制动后关闭机器，查明原因。( 3 ) 变速籍瓤灌滤漆器疆塞缀警：当变速褡幸莛涵滤清器瀣塞，旁通门被努开辩措示汀 亮。如果这个报警在工作时闪烁，就应立刻停帆合上停车制动，关闭发动机查明 蘸嚣。 4 2 3 故障诊断代码照示： 篮溅系统涂了采集规器上各令转感爨熬铸爨，进行处理、漫示秘掇警之磐， 利用其数字显示屏还可对工作装置控制系统和传动操纵系统的故障情况进行摄 示和盎澎。这些故障售感是逶过数摄通僚线路从上述嚣个系统传达过柬鲍故障诊 断代码。 在鼹示屏上显示内容淹：发动专陲转速( r r a i n ) 或装载枧的行走速度( k i n h ) 嵌入j 黻世，11 擗 ? 毡投机柠制i 矗缱i1 勺i , w i t n c 变速牟f f j 佚念( 山阳嗣i 速度卜i i b t ：) ：敞i 罐冷断代。m i i l 踟参断代l i ， i i l i 部 分组成：a 系统模块u ! 刖伊5 ；川水ix ：分j i i 测系统、i ：f i - 装筒剐f 0 动系统i 人模块： 零部件u ! i 】l m 5 ，指, g 1 t i 应系统锁块i i 一柴个仃r 改障i f 9 1 书什或：| ；什：设障梭j i = 以别码， 指示该零仆或, , i d l - 发乍做i ；i ：t i l g l l - ：质1 7 川扑i 。 4 3 系统软、硬件设计 d ： 1 硬件电路 从蝼体l ：说，系统刈坝什, i x 蹄旧崾求址：j j 丑过十lj j 邂类，供的f 感器仆，1 1 - 、 稳定地榆测j 挺收符种帆挖参数j f ：把匕f f l 4 一换戚 1 | 应的i l x f , i 0 ，“经过柑应的 接i ii u j i ! 变换成统。j 嘭r f i j 逻t f i i ：f i i0 。为j 遁j 屺岱劣的j 1 ：境条仆，艘仆i u j | ! 应 具备抗1 扰能力及相i 腑的你 ：i - j 力能。# 7 , z , f i 个稳；、i u 拈、i ：淌i 度的f j 川i i l 路， 能i 刊时输小川| | = ；啪q i u 泺功：簪为f i l l , j ( 4 i l f i - ! i 【成椰分铋供你障，为输执 j ：机 构捉f j t f i e 源，! l 衙i ji 缴报警输4 1 1 1 , , z 的! t 永撖警驱动i u 路，此i u 踏婴稳定可 靠，j f q l k 州问化悲劣环境卜i ：f i - 。 j i f ! p i ：髂仆改小螺合州，满址1 1 钧介f 譬感器 件与执 于器件的- 能蜓水，伽什：纪所果川的i 器什心符合j + 始讹 j 2 - 水并经 过n 腻喇i 验证。f ：为 u 刑“挖系统的卡幺心部f ，| ：微处邢器心按- 训l 标准来选 型。系统n 勺临挖r 1 、，i 应密闭m - 琏n 0 甜：介企外 t i 勺j f ：jl 箭机环境彤i 州由接i i 部件。 4 3 2 软件系统设计 i 乜予j l i 挖系统软什 i 鸟 如i j i 罨 所1 j 。埘j ：骱洲俯l j c 卜j 。能包禽 ：扰成分， 造成数圳跌船，解决的办法采川滤波的打法， 【! 上堋牢成分川刈较i ：5 f l r 扰成分。 滤波i lj 以采川艇仆模拟滤波器水f i c g l 2 5 ：频牢成分们i j 以运i ijc p u 的运诈、控制 功能实现频：昝滤波。软仆滤波常彳乏川术i j 5 j 仙浊j c 原娜址：刘饰个采样点连 续采样儿次橄州所果数槲| c j 变化姚仆确定禽嫩，法来灿除偏黔数据。 j 刘4 2l 【l ，j i f 托系统软f l ：f l l l 划 i j g u r e 4 2t h ef l a m e f i g u r eo fs o f t w a r ei ne l e c t r o n i cm o n i t o r i n gs y s t e m 在4 1 算机j i “测披做障渗断系统一i ，i 扰价l j 址入系统将影i 相符利，拄制条什， 造成控制输火洪，或川安j ；! ；响输价l l 造成l m 父_ ；王斡。为了确保系统安个， 可以采川i ? 硎软什i ：扰f | i f 施。 嵌入微处耻器n 裴栽机挡制系统中的心j f j 究 ( 1 ) 软件冗余。对于监测系统，将监测参数的一次采样、处理监测输出变成 循环采样、处理控制输出。这种方法具有良好的抗偶然因素干扰的作用。 ( 2 ) 设置当前输出状态寄存单元。当干扰侵入输出通道造成输出状态错误时， 系统能及时查询寄存单元的输出状态信息，及h , j t j i 正输出状态。 ( 3 ) 设自检程序。在微处理器内的特定部位或某些内存单元设状态标志， 在运行中不断循环测试，以保证系统中信息存储、传输、运算的高可靠性。 ( 4 ) 定时对看门狗( w a t hd o g ) 技术器清零。若受到外界的干扰导致系 统崩溃时，看门狗技术器就会逸出，同时对系统复位。 4 4 环境试验与可靠性验证 作为一个全方位的电子监控系统，不仪要i i i 常工作，而且对自身要进行监控。 这就要求其具有完善的自检功能及良好的测试功能。为了保证系统的可靠性和可 信性，监控单元要具各自我保护能力，即在电气j 二要实现过压、过流、冲击、过 载、抗干扰、抗环境变化等一系列保护、适应功能，并日有部分的自恢复功能。 电子监控系统的功能测试与可靠性测试是检验和保证系统证常运行的前提和基 础。相应的测试分成静态性能测试和动念性能测试。静态性能测试包括：过压测 试、过流测