基于DSP的機車柴油機檢測系統設計

張杰 ，王吉平 ，韓傳軍

（1 西南石油大學 機電工程學院 成都 610500；2 太原鐵路局侯馬北機務段 侯馬 043000）

0 引言

隨著鐵路的進一步提速，機車種類不斷更新，但內燃機車仍然承擔著很大部分的貨運和客運任務。提高內燃機車運行的可靠性, 對保證鐵路運輸的“安全、 快速、 正點”有著重要作用 。機車柴油機是內燃機車的心臟, 柴油機運行的可靠性是影響內燃機車運行質量的重要因素。一般柴油機故障約占整個內燃機車故障的30%。因沒有合適的技術手段而不能及時發現和處理故障導致故障擴大甚至損壞所造成的直接經濟損失約占檢修總成本支出的5%。顯然,及時準確和動態地掌握機車柴油機的運行狀態以及預測、診斷存在的和潛在的故障,可以防止和減少柴油機的故障,減少經濟損失。

目前在侯馬北機務段主要是DF4D型和DF8B型內燃機車承擔侯月、侯西、南同蒲的貨運牽引任務。本文基于DSP56F807和LabVIEW程序語言為機務段機車柴油機設計一個檢測系統，及時采集各種參數(主要有瞬時轉速、曲軸箱溫度、進氣壓力、進氣溫度、冷卻水溫、柴油壓力、油門開度等)以及由此推導出的間接數據, 預測、診斷存在的和潛在的故障,尋找柴油機系統功能或零部件性能下降的趨勢。

1 檢測系統的總體設計

機車柴油機檢測系統主要有4大部分組成（見圖1）：外圍硬件設計、軟件系統設計、通信及數據處理、人機界面設計。

圖1 檢測系統總體設計

2 信號采集電路設計

輸入信號采集電路的傳感器信號有兩種：一種是模擬信號；另一種是數字信號。信號的類型不同，處理方法也不一樣。

從傳感器輸出的模擬信號，首先通過模擬信號處理電路，進行濾波、電壓調整，使其輸出范圍接近0～3.3 V，然后輸入EVM板的A/D接口，由A/D轉換器轉換成數字信號之后再輸入DSP。圖2為模擬信號高電壓處理電路。

數字信號經過數字信號處理電路，進行濾波、整形，轉換成標準的方波信號，經Timer接口輸入DSP。

圖2 模擬信號處理電路

3 基于DSP的柴油機的軟件系統設計

3.1 DSP56F807的各個功能模塊設計

（1）模數轉換A/D功能模塊。DSP 56F807有兩個模數轉換器ADC功能模塊，每個ADC包括8個輸入通道、2個獨立的采樣保持電路。8個輸入通道分為兩組：AN0～AN3為一組，為ADCA的引腳；AN4～AN7為另一組，為ADCB的引腳。每組都有各自獨立的一個采樣保持電路。通過屬性窗口選擇確定ADC模塊的屬性參數。方法和事件的激活可通過鼠標點擊實現。

（2）BitIO模塊的主要屬性設置如下：I/O引腳選擇，方向選擇Direction，初始化方向Init.Direction，初始值Init.Value。

（3）TimerInt功能模塊及其OnInterrupt事件激活后，OnInterrupt事件就按用戶設定的時間周期性地產生中斷。

（4）串行接口SCI用于 DSP 和 PC 或其他 CPU 通信，DSP 56F807的SCI是一個通用的異步接收器／發送器類型的異步通信接口，通過RS232等串行通信協議與主機系統（如PC、終端等）通信。文中使用接收緩存滿事件OnFullRxBuf進行上位機傳送指令的接收與處理，使用塊接收RecvBlock方法進行數組的接收，使用塊發送SendBlock方法進行數組的發送。

（5）Capture功能模塊執行的是定時器Timer的捕捉功能。Capture的事件一般使用捕捉中斷Oncapture捕捉脈沖沿之間的內部時鐘周期數，以得到事件的時間間隔。

3.2 DSP的串口發送程序設計

由于SCI中傳輸數據為8個二進制位而AD采集數據為12位數據占據兩個字節，所以在發送到SCI傳輸前需要將12位數據分為兩個字節，即高8位和低8位依次順序發送。發送程序如圖3所示。

3.3 復合實時濾波

模擬信號接入控制單元后，雖然經過硬件電路濾波處理，但電路本身也會引起干擾，再加上點火電路或電磁閥驅動電路引起的電磁干擾，這些噪音信號還是會進入控制單元A/D轉換口。因此，采集處理模塊完成信號采集工作的同時，對傳感器信號再做數字濾波處理，確保模擬信號的準確。 數字濾波有很多方法，系統選用了限幅濾波、中值濾波與平均值濾波相結合的實時復合濾波法。

圖3 DSP發送程序

4 串口通信及數據處理

在本監控軟件中PC通訊部分的核心是采用LabVIEW中的VISA控件，通過調用相同的VISA庫函數并配置不同的設備參數，就可以編寫控制各種I/O接口儀器的通用程序。本系統所使用的是串口設備，因此需要將VISA resource name改為串口COM1。設置波特率位9600，觸發一次ONCOMM事件的接收字節數為8如圖4所示。

圖4 LabVIEW串口程序

監測數據接收后處理程序是數據規格化程序的逆過程，用來將以字節或二進制形式存儲的數據轉化為普通的數組數據，本文中采用二進制形式接收，以便于進行數據庫操作和實時監控操作。

5 基于LabVIEW的人機界面設計

根據LabVIEW8.2的圖形化編程，設計了可視化的人機交互界面。包括數據在線顯示模塊、故障警報模塊、數據存儲模塊。圖為5為檢測系統的人機界面。

圖5 檢測系統的人機界面

6 實驗與結論

在侯馬北機務段，以DF4D內燃機車中的16V240ZJB型柴油機為實驗對象。設計變壓電路，接入滑動變阻器，再從電路上引入變電壓，接到ADCA通道上的引腳1，并用萬用表實時監測變電壓，使之不超過3.3V，以免損壞EVM板。圖6所顯示為在實驗過程采集保存的數據表格。有時間記錄、進氣壓力、進氣溫度、冷卻水溫、柴油壓力、轉速、油門開度。在實驗中同時記錄機車司機室操控臺上的各參數數值。實驗結束后，將檢測的的參數數據依據各自傳感器變壓原理，轉化為實際數值，與操控臺上的數據比較，結果基本一致，精度達到0.01。但由于DSP 56F807EVM板中接入電源，引入了干擾信號，降低了精度。后續的試驗設計需要進一步優化，減小外界因素干擾。

本檢測系統可以給機車柴油機的定期檢修、安全運行和試驗提供了可靠、方便的手段，能迅速確定柴油機故障,減小機車檢修難度,提高運用機車及小輔修機車的質量可靠性, 促使機車檢修勞動生產率的大大提高，為檢修車間維修機車節約時間，降低成本。該系統還有待進一步的優化和升級，以滿足鐵路安全運輸的需要。

圖6 試驗存儲數據

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