便携式柴油机诊断仪的研制

TheDevelopmentaboutPocketDieselDiagnosisInstrumentAbstract:Introducingadevelopingmethodaboutthepocketmarinedieseldiagnosisinstrument.ItusestheETR100Emodulewithlowerpower.AnADsamplingchipsamplestheshipdieseltransientspeedsignalsbyserialbus.Wecananalysisthesamplingtransientspeedsignalsbythewaysoftimedomainandfrequencydomain.ABatteryofferstheinstrument’spower.Thiscanoffertomeasurethelocaldiesel.Fromalotoflocaltest,itcandiagnosethedieselworkingstateexactly.Soithasthevalueofpracticalityandpopularity.KeyWords:DieselDiagnosisInstrument；Instantaneousspeed；PocketInstrument摘要：介绍了一种便携式船舶柴油机诊断仪的研制方法，采用低功耗ETR100E模块，利用低功耗、串行接口输出的ad芯片实现船舶柴油机瞬时转速信号的采集。对采集的数据通过时域、频域信号分析，进而提取诊断信息。仪器使用电池供电，功耗低,方便现场测量。同时能对柴油机气缸的运行状态能进行准确诊断。具有实用与推广价值。关键词：柴油机诊断仪；瞬时转速；便携式仪器船舶柴油机是一个集摩擦学、热力学、动力学以及机械学为一体的复杂的机械系统，基于瞬时转速信号诊断与分析的船舶柴油机故障诊断技术是目前研究的热点。对船舶柴油机的瞬时转速信号进行监测和分析处理，可及时发现柴油机气缸运行状态。对于昂贵的船舶柴油机运行故障的诊断能减少船舶运行成本，便于及时发现故障，防止突发性事故发生。从而大大提高船舶航行的安全性、可靠性及经济性。船舶柴油机诊断仪正是基于上述情况研发的，本仪器主要有转速信号，上止点信号实现诊断信号的采集，并具有建模功能、通信功能等。1.系统总体结构本文采用ETR100E智能模块作为主控制器，ETR100E是一款基于Intel386EX的嵌入式PC模块，配有Flash、串口、GPIO、ISA总线等板载资源。系统采用了全静态设计来降低模块功耗，全速运行的功耗在140mA～165mA，而模块进入PowerDown模式时的待机功耗在55mA～85mA，系统可通过板上的定时中断从待机状态返回运行状态。模块体积小(94mm×58mm)功耗低、可叠层，适合嵌入设计[2]。同时，该模块与广泛流行的PC/AT体系相兼容，开发人员可以受益于熟悉的操作系统、编程语言和开发工具。能够大大缩短开发周期、减少技术风险。所以，本仪器选用ETR100E模块作为主控制器。其总体结构如图1所示。2.硬件结构硬件结构主要有信号调理电路、信号采集电路和通信接口。信号调理电路主要对上止点传感器、转速传感器等现场信号进行放大、滤波、隔离和保护,将传感器的信号电平调整为与AD转换器匹配的信号电平,同时保护系统不受外部干扰信号的侵袭。电路采用可编程运算放大器和可编程滤波器以满足不同信号的不同放大倍数和滤波频率的要求。信号采集电路采用低功耗串行接口芯片ADS7822，如图2所示。ADS7822是一种可在2.7～3.6V的电源电压下工作的12位A/D转换器，根据情况的不同也在2.0～5V的电源电压下工作，考虑的仪器地功耗的要求，系统选用3.3V点源电压；A/D变换的结果通过串行口输出，通过模块的GPIO读入数据；采样速率达75kHz时为0.54mW，采样速率有串行时钟DOUT的大小决定(10kHz时对应的转换速度为625Hz，1.2MHz时对应为75kHz)。低电压、微功耗、结构简单和体积小的特点特别适用于电池供电和其它需要微功耗的工作系统。ADS7822与ETR100E的接口十分简单如图2所示，只需3根I/O口即可，IO1控制CS片选，当CS变成低电平时，启动A/D转换；IO3接串行时钟DOUT控制端，用于提供驱动时钟；IO2接DOUT串行数据输出端，在时钟的下降沿进行数据转换。芯片所需3.3V电源由TPS73033提供。键盘电路主要实现现场的人机对话功能。在安装调试状态，可以通过键盘设置上止点传感器的安装位置和柴油机发火顺序及相关的参数。也可以用键盘输入经验数据和专家知识。在运行状态，通过键盘控制诊断仪的工作模式，通过显示屏显示柴油机运行状态或显示故障报警信息。通信接口的功能主要是完成状态信息和故障信息的传送。装置提供标准RS232接口，可以与上位微机进行主从通信。将采集到的重要数据与上位微机进行数据交换，为上位机进行深层诊断提供数据。3.软件编程程序主要完成数据的采集、分析与处理及重要数据的通信功能。ADS7822的输出经过IO2口送给ETR100E智能模块。智能模块对采集的有效数据进行时域和频域分析。当柴油机出现异常状态时，输出故障显示和报警信号。最后根据需要保存柴油机状态信息和故障信息，或向上位微机传送相关的数据。开机时，CPU首先对端口进行初始化，并通过端口按照故障诊断程序的要求，规定的采样频率、柴油机的转速，设置样本长度和模拟信号的放大倍数。然后采用函数INTPUT()函数查询采样起始点信号，进行上止点信号的判断。当上止电信号满足时开始AD信号的采集，首先选通芯片AD7822，输出转换时钟信号，根据时钟频率来读取AD转换的数据，从而完成数据的采集并将数据存入智能模块的FLASH中。程序流程如图3所示。每次采样结束时，由主模块进行数据预处理,确定采集的数据为有效数据。对于采集到的数据采取存取文件的形式进行数据的保存。首先，将采集到的数据保存到ad.dat中，根据采样频率和诊断对象转速的不同求取不同长度的瞬时转速数据。在仪器的诊断中，为提高诊断的准确性，仪器必须在规定的工况条件下采集瞬时转速信号并进行故障分析。因此程序循环查询柴油机工况，并将特定的实际工况作为故障分析程序的入口条件。在工况检测过程中，仪器显示平均转速并提示系统处于非诊断状态。在诊断工况下，微机首先判断上止点信号，读入相应的瞬时转速信号，分别在时域和频域进行计算和分析，得出时域和频域的特征参数，然后通过固化在系统中的故障诊断系统模型进行综合诊断，最后进行故障定位分析并输出诊断结果。诊断流程图如图4所示。4.结束语船舶柴油机作为船舶的心脏，其运行的好坏直接决定着船舶营运的安全与效率。该方案以6260ZC型船用增压四冲程柴油机为试验对象，该机为6缸直列式，缸径260mm，活塞行程340mm，额定转速400r/min，额定功率370kw，气阀正时（以曲柄转角计）：进气阀在上止点前73º开，下止点后37º关；排气阀于下止点前45º开，上止点后65º关，进、排气行程为23.25mm。通过对气缸供油的变化模拟故障结果表明，仪器能准确的判断柴油机气缸的工作是否正常，从而对柴油机运行中的故障起到报警的作用。本文创新点在于，把先进的通讯技术和现行计算机技术，运用于船舶柴油机的故障诊断，并且实现了诊断仪的小型化、便携化。诊断仪能方便、准确的判断柴油机运行过程中的故障，避免船舶重大事故的发生，避免重大人员与经济损失。参考文献：[1]喻方平,金华标,常勇等.船舶柴油机状态监测及故障诊断仪设计.武汉理工大学学报（交通科学与工程版）,2002,6.[2]SEATECH.S104/486DXTechnicalannual[Z].2005.[3]常勇,胡以怀.船舶柴油机振动监测仪转速/负荷设置的数字输入接口设计.航海技术,2005,11[4]孙云岭,朴甲哲,李军.应用逆傅利叶变换进行内燃机瞬时转速信号提纯.内燃机工程,2004,2[5]杨雪,王秋光.ADS7822及其在CO气体浓度监测仪中的应用.电子工程师,2005,5[6]姜春宇，喻方平．基于GPRS的机车状态监测与管理系统［J］．微计算机信息，2006，22-19：106-108