摘要:介紹了針對(duì)康明斯6BT5.9 型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體側(cè)壁產(chǎn)生的低頻振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)綜合運(yùn)用了RS232 串行通信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集技術(shù),整個(gè)設(shè)計(jì)由振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集板、PC 機(jī)應(yīng)用程序3 部分組成。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 引言

　　柴油機(jī)是往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械,其激振力主要來(lái)源于活塞－曲柄機(jī)構(gòu)周期性運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力,以及氣缸內(nèi)氣體燃燒產(chǎn)生的周期性氣壓力。將傳感器垂直安裝在氣缸體與曲軸箱的連鑄體側(cè)壁采集的機(jī)體低頻段振動(dòng)信號(hào)直接反映了柴油機(jī)工作中振動(dòng)激勵(lì)源的信息。因此,采用發(fā)動(dòng)機(jī)低頻振動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行故障測(cè)試診斷方面的研究對(duì)盡早發(fā)現(xiàn)并排除故障隱患、防止事故發(fā)生、提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前,通過(guò)PC 機(jī)的RS232 串行接口與外部設(shè)備進(jìn)行通訊,是許多測(cè)控系統(tǒng)中常用的一種通信解決方案,但當(dāng)其以查詢方式接收數(shù)據(jù)時(shí),用戶只能等候在計(jì)算機(jī)當(dāng)前界面而不能進(jìn)行其它操做, 直到數(shù)據(jù)接收完畢。本系統(tǒng)運(yùn)用VS .2008.C# 線程管理功能決了這一問(wèn)題,改善了人機(jī)交互環(huán)境, 優(yōu)化了系統(tǒng)性能。

　　2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　發(fā)動(dòng)機(jī)低頻振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)由3 部分組成:振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集板、PC 機(jī)應(yīng)用程序,整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。應(yīng)用北京通磁偉業(yè)傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ZD24(DC5V)型振動(dòng)傳感器將EQ6BT5.9 型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變成0~5V 模擬電信號(hào)。數(shù)據(jù)采集板利用AT8 9 S5 1 微控制器以采樣頻率1 . 6 kHz 驅(qū)動(dòng)ADC0832 完成A/D 變換并將數(shù)據(jù)經(jīng)美信公司的RS223接口芯片MAX232 傳輸給PC 機(jī)。PC 機(jī)上的應(yīng)用程序通過(guò)C#2008.NET 3.5 框架下的線程類和SerialPort 類很好地實(shí)現(xiàn)了PC 機(jī)與數(shù)據(jù)采集板之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信并將采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)保存為txt 文本文件供MATLAB生成的COM 組件對(duì)其進(jìn)行FFT 分析與顯示。

圖1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低頻振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 數(shù)據(jù)采集板框圖。

　　圖2 是數(shù)據(jù)采集板框圖,該板主要由單片機(jī)AT89S51、A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832、電源模塊DC/DC 等組。數(shù)據(jù)采集板采用RS232 串口方式與外界通信,其原理圖如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集板原理圖。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部份:固件程序設(shè)計(jì)、PC 機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。二者互相配合,才能完成可靠、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與傳輸。固件程序是用C51 語(yǔ)言編寫(xiě)的,主要作用是啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換、發(fā)送數(shù)據(jù),上位機(jī)程序是用最新的C# 3 . 0 語(yǔ)言編寫(xiě)。

　　4.1 固件程序設(shè)計(jì)

　　固件程序(又稱單片機(jī)程序)是指固化到徽控制器模塊內(nèi)的程序。本系統(tǒng)的固件程序是采用C51 開(kāi)發(fā)完成的, 其流程圖如圖4 所示。

圖4 固件程序流程圖。

　　固件程序設(shè)計(jì)中的核心部分是A/D 轉(zhuǎn)換程序。當(dāng)上位機(jī)準(zhǔn)備好后, 加電啟動(dòng)采集板自動(dòng)啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換。

　　具體的A/D 轉(zhuǎn)換程序如下:

　　4.2 PC 機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

圖5 PC 機(jī)數(shù)據(jù)采集界面。

　　應(yīng)用程序是系統(tǒng)與用戶的接口, 它通過(guò)線程和SerialPort 類完成對(duì)數(shù)據(jù)采集板的通信和控制。使用線程后, 程序在以查詢方式接收數(shù)據(jù)的同時(shí), 用戶則可以進(jìn)行其它操作。C# 串行類( Ser i a l Por t ) 是Vi su a lStudio.Net 2008 中一個(gè)的類,屬于System.IO.Ports 命名空間, 將它與線程結(jié)合開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序具有功能強(qiáng)大、界面友好、高效簡(jiǎn)便、通信快速、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集界面如圖5。

　　4.2.1 C# 串行類的初始化設(shè)置

　　對(duì)串口進(jìn)行初始化設(shè)置,由Ser ialPort 對(duì)象的參數(shù)可知主要包括設(shè)置串口號(hào),波特率,奇偶校驗(yàn)位, 數(shù)據(jù)位數(shù),停止位數(shù)等。以下為各參數(shù)所代表的含義并實(shí)例化一個(gè)串口對(duì)象:

　　4.2.2 讀操作

　　從串口輸入緩沖區(qū)的同步讀取一個(gè)字節(jié)操作通過(guò)執(zhí)行S e r i a l P o r t . R e a d B y t e ( ) 來(lái)實(shí)現(xiàn)的, 串口類ReadTimeout 屬性可以設(shè)置讀取操作未完成時(shí)發(fā)生超時(shí)之前的毫秒數(shù)。當(dāng)程序以查詢方式接收到數(shù)據(jù)采集板發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后, 串行類執(zhí)行此讀方法。

　　4.2.3 計(jì)算采樣頻率

　　由于固件程序是用C51 語(yǔ)言編寫(xiě)的,存在計(jì)算采集頻率的困難。本系統(tǒng)通過(guò)在C # 3 . 0 中調(diào)用Q u e r y P e r f o r m a n c e F r e q u e n c y ( ) 和QueryPerformanceCounter()兩個(gè)Windows API 函數(shù)對(duì)接收數(shù)據(jù)程序段采用精確計(jì)時(shí)的方法,巧妙的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)采樣頻率的精確計(jì)算。它們的引用代碼如下:

　　經(jīng)計(jì)算,本系統(tǒng)的采樣頻率fs=1600Hz。根據(jù)采集定理,當(dāng)信號(hào)在最高頻率fmax 時(shí),采樣頻率fs ≥ 2fmax就能使采樣信號(hào)不發(fā)生“混疊。”通常,把最低允許頻率fs ＝ 2fc 稱為Nyquist 頻率,工程中,為可靠起見(jiàn),常取fs≥(3~4)fmax。根據(jù)振源的實(shí)際情況(康明斯6BT5.9 型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體側(cè)壁產(chǎn)生的低頻振動(dòng)信號(hào)) , 設(shè)定采樣32768 次,用時(shí)20.48 秒。

　　4.2.4 低頻振動(dòng)信號(hào)分析

　　發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定怠速工況(750 ± 100r/min)下,進(jìn)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面開(kāi)始采集信號(hào),之后程序自動(dòng)將其保存為txt 文本供在C#3.0 中調(diào)用MATLAB 生成的COM 組件對(duì)其進(jìn)行分析, 其原始信號(hào)圖、頻譜分析情況如圖6所示。根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析,EQ6BT5.9 型柴油機(jī)在工作過(guò)程中對(duì)氣缸體的主要振動(dòng)激勵(lì)源如下: (注:F 為柴油機(jī)轉(zhuǎn)頻、怠速工況下F=12.5Hz）。

圖6 原始信號(hào)及頻譜圖。

　　3) 整機(jī)(六個(gè)缸)活塞橫向撞擊氣缸壁;　頻率:6F從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)頻譜分析的結(jié)果來(lái)看與動(dòng)力學(xué)分析一致, 驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　發(fā)動(dòng)機(jī)低頻振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)能夠方便應(yīng)用于振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與分析, 具備快速連接、靈活快捷獲取數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn), 可實(shí)現(xiàn)大批量、無(wú)限時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)已成功運(yùn)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)與診斷, 加之PC 機(jī)的普及性, 更使得這套系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。