基于無線技術的液壓油泵測試裝置設計

莊 浩，蘇燕辰，傅莉萍

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

0 引 言

液壓泵是整個液壓系統的心臟，泵的性能直接影響著液壓系統的性能。其損壞主要發生在工作期間，會對系統壓力與流量帶來一系列影響[1]。因此，對液壓泵進行故障診斷與狀態監測尤為重要，借助計算機對液壓泵性能進行智能測控是當今液壓技術領域發展的趨勢。

該文設計研制了一種基于無線技術的液壓油泵測試裝置，對液壓油泵在正常運行過程中的工作狀態進行實時監測，可診斷液壓油泵是否出現故障等。

1 系統總體方案設計

以新華龍公司的C8051F330作為數據采集系統的核心芯片，利用藍牙技術建立了一套完整的無線傳輸試驗的檢測技術、方法與規程，采集的數據可以通過藍牙傳到地面系統，能夠在不拆卸液壓設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行過程中的工作狀態進行實時監測，確保液壓油泵安全工作。同時，實時向地面檢測系統報告液壓油泵的工作狀態，地面分析系統可以根據實時數據進行工作狀態判斷，對設備狀態具有報警功能。控制端采用PC機，主要實現與采集器的藍牙無線通信，對采集器進行無線控制和數據傳輸，并對采集的數據進行處理、分析和顯示。

設計采用的在線狀態監測方法是提高液壓設備運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的油路中，通過監測壓力、流量、油溫等液壓信號，來判斷液壓系統是否出現故障。

所設計的液壓油泵測試裝置應具備如下功能：（1）數據處理功能，能自動運算和邏輯判斷，如差值分析等。（2）通信功能，可將采集的壓力、流量、溫度3路數據送到上位機進行進一步的分析，以提高數據的使用率。（3）人機交互功能。

圖1 液壓測試系統框圖

整個測試系統由3部分組成，包括PC機、上位機接口電路、下位機數據采集通信電路。下位機實現壓力、流量、油溫等液壓信號的采集以及和藍牙模塊BlueRS+MF3之間的數據傳輸；上位機接口電路負責下位機和上位機之間的數據傳輸和控制；PC機實現數據的處理、結果的顯示功能。其系統框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

系統硬件設計整體結構框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件設計整體結構框圖

根據數據采集系統需要，將從渦輪流量傳感器出來的溫度、流量、壓力3種信號經信號調理電路轉換成電壓信號，經TLC2543的A/D轉換后，進入C8051F330單片機的輸入端，再通過無線傳輸向上位機送出采集信號。TLC2543的I/O時鐘、數據輸入、片選信號由C8051F330的P0.3、P0.2、P0.0提供，轉換結果由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安裝壓力和溫度傳感器，并對各傳感器的輸出信號進行變換、處理，實現了液壓系統中的流量、壓力、溫度等參數的同時、同點測量。其結構示意圖如圖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。當被測流體流過傳感器時，在流體的作用下，葉輪受力而旋轉，轉速與液體流速成正比，葉輪轉動引起磁電轉換器的磁阻值周期性變化，檢測線圈中的磁通隨之產生周期性變化，產生周期性感應電動勢，使裝在殼外的非接觸式磁電轉速傳感器輸出頻率與渦輪的轉速成正比的脈沖信號[2]。這種頻率信號與流速成正比，且可轉換成4～20mA輸出。因此，只要測出傳感器輸出脈沖信號的頻率f即可確定流體的流量，計算公式為

式中：Q——流量，L/min；

f——頻率，Hz；

a，b——傳感器標定參數。

（2）信號調理電路。電路中的R1和C1組成低通濾波器[3]。

圖3 渦輪流量傳感器結構圖

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芯片與單片機的接口電路。TLC2543芯片與C8051單片機通過SPI總線進行命令和數據的傳輸。

圖4 信號調理電路

C8051單片機集成增強型SPI串口SPI0。單片機和ADC的接口電路如圖5所示，SPI0工作在四線單主方式下。

（4）藍牙通信電路。藍牙模塊和PC機的通信采用RS232串口，由于RS232電平與TTL和CMOS電平相反，邏輯0電平規定為+5～+15V之間，邏輯1電平為-15～-5 V之間，因此在藍牙模塊和PC機接口之間必須要經過電平轉換[4]。為了與藍牙模塊電平匹配，采用MAX3232進行電平轉換。對藍牙模塊的數據傳輸控制只需要連接2個引腳就能夠實現對數據的收發控制。RXD輸入接收數據到UART；TXD是從UART輸出發射數據。上位機接口電路原理圖如圖6所示。

圖5 TLC2543與C8051F330的接口電路

藍牙模塊和單片機間的通信：C8051F330單片機擁有串行通信口，可以直接與其進行通信，但是由于單片機采用的信號電平為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換。采用AMS1117-3.3芯片進行電源的轉換，單片機和藍牙模塊的接口電路如圖7所示。

圖6 藍牙模塊和上位機接口電路

3 系統軟件設計

下位機部分的軟件設計完成數據采集和通信兩大任務，采用匯編語言進行編程；而上位機軟件除了與數據采集器通信外還必須進行數據運算、圖形顯示等模塊設計，采用C++Builder進行編寫。

（1）下位機的軟件設計。系統上電后，首先要進行初始化設置，包括系統復位方式、時鐘源、電壓基準、中斷、UART、SPI、ADC的設置以及用交叉開關對I/O端口進行配置，這些設置可通過設置相應特殊功能寄存器（SFR）來進行。

在主程序的結尾處形成一個死循環，目的是等待串口中斷發生。串口中斷服務程序主要作用是讀取上位機發送的命令，并調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行相應的操作。

采樣過程為通過定時器T0產生一個定時中斷，在中斷服務程序中調用采樣子程序完成采樣，采樣子程序中調用A/D子程序完成A/D轉換。

（2）上位機軟件設計。通過上面的數據采集系統，在上位機通過串口讀取BUF里的數據，可以得到壓力、溫度、流量3個量的數字信號。通過設計的上位機程序，利用采集的這3個模擬量的數字信號可以畫出這3個量實時的時間-幅值圖，同時也可以繪制出該被測試液壓泵的時域分析圖以及生成所需要的檢測報告。

圖7 單片機和藍牙模塊的接口電路

上位機軟件程序實現的功能有：具備門禁與歡迎系統；可以同時監測出壓力、流量、溫度等狀態參數；以圖形和數據的形式實時監測并顯示上述參數；提供趨勢和差值測試分析報告的自動生成和查詢及打印功能；可以實現各狀態參數的越界報警。

（3）上位機通信程序設計。上位機程序采用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據，實現上位機應用程序和下位機單片機之間的通信功能，利用該控件可以快速建立高效的通信程序[5]。

4 系統調試

（1）調試系統的連接。C8051Fxxx的調試系統連接示意圖如圖8所示。C8051Fxxx的U-EC2適配器通過USB端口和PC主機連接，它的另一端插入目標板的標準JTAG接口上。C8051Fxxx的適配器U-EC2既是一個在線調試器也是一個編程工具，它將程序寫入C8051Fxxx單片機，并且提供實時代碼執行、分步執行和斷點等調試功能。其調試功能是通過內置調試電路與邊界掃描功能電路實現[6]。

圖8 調試系統連接示意圖

（2）藍牙芯片測試。首先測試藍牙模塊是否能工作，通過串口助手發送測試命令，在串口助手觀察其返回命令，若藍牙能工作，再驗證其是否能搜索其他藍牙設備及建立連接。

（3）筆記本與藍牙模塊的連接調試。首次和藍牙連接時需配對，若連接成功，以后可以隨連隨用。選擇所要連接的設備后會出現藍牙配對對話框，輸入配對密碼。藍牙密碼配對成功后將會出現藍牙設置選項，點擊設置按鈕可以進行藍牙屬性的設置。同時可以通過打開接有被連接藍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。為了驗證下位機通信程序是否正確，通過串口助手向下位機發送一條啟動AD采樣命令，根據通信協議應該返回“55+02+C5+AA”。通過串口助手觀察其返回命令為“55+02+C5+AA”，證明下位機通信協議工作正常，依次輸入其他各條命令，調試方法與上面相同，結果正確。

（5）系統測試。為了檢測該系統工作是否正確，在實驗室環境下進行。

將傳感器組的輸出接到采集模塊的一組輸入通道，用鼓風機對準傳感器的輸入口迫使渦輪流量傳感器的葉輪旋轉，同時溫度傳感器將感應環境溫度，在上位機顯示界面觀察輸出信號。當鼓風機與傳感器間距離減小時，傳感器所受風量就大，轉速就快，顯示的壓力也就大，其輸出工作曲線如圖9所示。該實驗只是對該儀器做了一個定性的分析，由于實驗條件限制無法做定量研究，而且現場測試情況復雜，隨機性較大，有待后續解決。

圖9 輸出曲線圖

5 結束語

在實驗室經過多次軟、硬件結合的調試改進過程，設計基本上實現了實時監測液壓油泵狀態。

由于理論水平和實踐經驗有限以及時間和實驗條件的限制，設計還存在一些有待改進和優化的地方：

（1）該系統目前還只能用于短距離監測，對于遠程監測可以利用無線局域網（WLAN）以及GPRS無線移動網絡構建系統，這樣就能應用于更多的特殊場合。

（2）由于實驗條件限制，系統還未在現場進行過測試，由于機械運行過程中液壓油泵出現故障的情況較為復雜，隨機性也較大，還會出現較多在設計測試中未發現的問題，有待后續設計解決。

[1]王世明.工程機械液壓系統故障監測診斷技術的現狀和發展趨勢[J].機床與液壓，2009，37（2）：175-180.

[2] 徐科軍.傳感器原理及檢測技術[M].2版.北京：電子工業出版社，2008.

[3] 遠坂俊昭.測量電子電路設計：濾波器篇：從濾波器設計到鎖相放大器的應用[M].彭軍，譯.北京：科學出版社，2006.

[4] 錢志鴻，楊帆，周求湛.藍牙技術原理、開發與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[5] 劉暢，汪道輝.利用SPComm控件實現的PC機與單片機串口通訊[J].微計算機信息，2005，21（12-2）：89-91.

[6]潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.