王留鋒 路 勇 成群林

(上海航天精密機(jī)械研究所1，上海 201600;哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2，黑龍江 哈爾濱 150000)

基于ARM的收獲機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王留鋒1路 勇2成群林1

(上海航天精密機(jī)械研究所1，上海 201600;哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2，黑龍江 哈爾濱 150000)

為提高收獲機(jī)械的自動化和智能化水平，針對其運(yùn)行過程中運(yùn)行狀態(tài)參量的實(shí)時采集和運(yùn)行故障的監(jiān)測，提出了一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)的收獲機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案?；赟3C2440A處理器，設(shè)計(jì)了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，并對故障特征參量提取算法進(jìn)行了研究。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該車載狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)械所配置的各種傳感信號的實(shí)時采集、處理和輸出以及各種工作狀態(tài)的識別和預(yù)警。

收獲機(jī)械 嵌入式系統(tǒng) ARM 故障特征參量 提取算法 狀態(tài)監(jiān)測

0 引言

對于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油壓、油位等狀態(tài)信息的顯示輸出，傳統(tǒng)的收獲機(jī)械通常采用模擬儀表來實(shí)現(xiàn)。通過對傳感器測得的信號進(jìn)行模擬信號處理并顯示在模擬儀表盤上，故障預(yù)警一般要依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，通過機(jī)器工作聲音的變化來發(fā)現(xiàn)[1]。

嵌入式系統(tǒng)由于其功耗低、成本低、可靠性和穩(wěn)定性高以及方便進(jìn)行功能擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，在信號處理及工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[2]。因此，研究將ARM處理器應(yīng)用于收獲機(jī)械信息處理及顯示和故障信息預(yù)警，技術(shù)上有一定的優(yōu)勢，日后可在該嵌入式平臺的基礎(chǔ)上方便地進(jìn)行測產(chǎn)、遠(yuǎn)程協(xié)同控制、自動調(diào)整車速以防止堵塞等多項(xiàng)功能擴(kuò)展，提高收獲機(jī)械產(chǎn)品的競爭力，具有十分廣闊的市場前景[3]。

本文針對收獲機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測提出了一種基于ARM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。硬件平臺選用以ARM920T為內(nèi)核的S3C2440作為主控模塊，并配合其他功能模塊搭建一個完整的嵌入式系統(tǒng)。軟件部分基于嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的開發(fā)，并針對不同的傳感器信號制定特定的數(shù)字化信息特征提取算法。根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和滾筒轉(zhuǎn)速信息研究智能預(yù)警堵草故障的算法，實(shí)現(xiàn)對收獲機(jī)械運(yùn)行參數(shù)的采集和顯示以及機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的判斷和預(yù)警。

1 總體方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對收獲機(jī)械發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油壓、油位等狀態(tài)參量的采集和顯示輸出，需要將各傳感器采集到的信號經(jīng)過預(yù)處理，轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，并送至微處理器進(jìn)行信號特征參量的提取和堵草故障的識別，最后實(shí)時顯示狀態(tài)參量和故障信息。

本文設(shè)計(jì)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺采用S3C2440A微處理器為主控模塊，其他功能模塊包括傳感器信息預(yù)處理模塊(該模塊將收獲機(jī)械各種無源傳感器輸出信號轉(zhuǎn)化為微處理器可識別的標(biāo)準(zhǔn)信號)、外圍接口電路模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、聲光報(bào)警和LCD顯示模塊等。軟件部分則在嵌入式操作系統(tǒng)支持下，進(jìn)行各應(yīng)用程序和所需驅(qū)動程序的開發(fā)，主要包括系統(tǒng)主程序、定時器計(jì)數(shù)器驅(qū)動程序、外部中斷驅(qū)動程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序等。

系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件可以分成四大模塊，分別是微處理器及存儲電路模塊、復(fù)位和電源轉(zhuǎn)換電路模塊、外圍接口電路模塊、傳感器信號預(yù)處理模塊。其中外圍接口模塊具體包括串口電路、JTAG接口電路、USB接口電路、蜂鳴器報(bào)警接口電路。下面分別對這四個模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1 微處理器及存儲電路

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用的是S3C2440A微處理器。S3C2440A以ARM920T為內(nèi)核，采用0.13 μm 的CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元[4]。在嵌入式核心工作系統(tǒng)中，為S3C2440A微處理器配置了兩片32 MB的SDRAM和一片128 MB的NAND Flash，能更好地發(fā)揮微處理器的性能。

2.2 電源和復(fù)位電路模塊設(shè)計(jì)

電源模塊是整個硬件系統(tǒng)的一個重要組成部分，電源模塊的可靠性和穩(wěn)定性是整個系統(tǒng)正常工作的前提。核心處理器S3C2440A、SDRAM、NAND Flash等各個模塊所需的工作電壓各不相同，其中S3C2440A處理器需要1.2 V電源，外部擴(kuò)展I/O端口需要3.3 V電源，傳感器信號預(yù)處理模塊進(jìn)行信號處理需要的電壓是±5 V，RTC時鐘電路需要斷電可持續(xù)電壓3 V，而聯(lián)合收割機(jī)提供的電源是24 V-150 Ah的蓄電池。因此,設(shè)計(jì)了24 V轉(zhuǎn)+5 V、5 V轉(zhuǎn)3.3 V、+5 V到-5 V以及系統(tǒng)復(fù)位和RTC電源電路來滿足各個模塊的電壓需求。

2.3 外圍接口電路

外圍接口模塊具體包括串口電路、JTAG接口電路、USB接口電路、蜂鳴器報(bào)警接口電路。通過串口電路，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以與上位機(jī)通信，完成應(yīng)用程序的下載、程序運(yùn)行過程中調(diào)試信息的打印，監(jiān)控該信息處理平臺的運(yùn)行狀態(tài)。

JTAG是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，通過JTAG可以在器件內(nèi)部定義一個TAP(測試訪問口)并通過專門的JTAG調(diào)試工具對程序內(nèi)設(shè)置的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試[5]。另外，通過JTAG還可對Flash進(jìn)行在線編程，通過JTAG接口將程序下載到Flash。啟動引導(dǎo)程序Bootloader的下載就需要通過JTAG接口完成。

通用串行總線(universal serial bus，USB)，通過USB接口,系統(tǒng)可以通過Microsoft activeSync將應(yīng)用程序燒寫到NAND Flash存儲器中，從而實(shí)現(xiàn)斷電保存。

2.4 傳感器信號預(yù)處理電路

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量采用的是磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器與傳動齒輪之間的間隙呈周期性的變化，感應(yīng)線圈中的磁通量隨之以同樣的周期變化。當(dāng)齒輪是漸開線齒形時，在線圈中感應(yīng)出同樣周期且近似于正弦波的電壓信號。針對由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的近似正弦波信號需要進(jìn)行低通濾波、放大和波形變換，依次通過二階有源低通濾波器、反向放大器和滯回比較器轉(zhuǎn)化為矩形脈沖波，用于脈沖計(jì)數(shù)。

滾筒和攪龍轉(zhuǎn)速傳感器采用的都是霍爾開關(guān)。通過在轉(zhuǎn)軸上固定磁片，霍爾開關(guān)器件檢測磁場的周期性變化，并轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)的周期性開閉，從而可以實(shí)現(xiàn)矩形脈沖波的輸出。

水溫、油位和油壓傳感器都是將敏感變化量表現(xiàn)為阻值的變化，可以運(yùn)用串聯(lián)電阻的方式對敏感電阻進(jìn)行線性化。

2.5 模擬信號A/D轉(zhuǎn)換

水溫、油壓、油量等狀態(tài)信息經(jīng)過預(yù)處理電路之后，將轉(zhuǎn)換為0～3.3 V的模擬電壓信號。要轉(zhuǎn)化為能被微處理器識別的數(shù)字信號，還需對這些模擬電壓信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，即A/D轉(zhuǎn)換。

在S3C2440A微處理器中內(nèi)置了一個8通道10位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),其包括兩個ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器ADCDAT0和ADCDAT1。在普通A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，使用ADCDAT0來保存轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。該ADC為10位精度，通過讀取該寄存器位的[9:0]，可以得到模擬量轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)

在信息處理系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)滾筒和攪龍轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的獲取、油壓油量電量和水溫?cái)?shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)序列的提取、處理算法的實(shí)現(xiàn)、液晶動態(tài)顯示都是依靠軟硬件的配合來完成的。硬件部分完成系統(tǒng)支撐和傳感器信號的預(yù)處理，軟件部分需要完成的主要任務(wù)如下。

① 對信息處理系統(tǒng)進(jìn)行初始化配置。

② 對轉(zhuǎn)速傳感器信號進(jìn)行頻率特征參量的提取。

③ 根據(jù)堵塞故障診斷算法對機(jī)器運(yùn)行情況進(jìn)行判斷,確定機(jī)器的預(yù)警、報(bào)警、正常工作三種狀態(tài)。

④ 對水溫、油壓、油量、蓄電池電壓數(shù)據(jù)實(shí)時動態(tài)顯示，并參考人機(jī)工程學(xué)原理優(yōu)化數(shù)據(jù)顯示方式，使數(shù)據(jù)顯示更加直觀、方便，更加人性化。

⑤ 對機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集判斷并實(shí)時聲光報(bào)警。

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定需要開發(fā)的系統(tǒng)軟件,具體包括系統(tǒng)主程序、定時器計(jì)數(shù)器驅(qū)動程序、外部中斷驅(qū)動程序、A/D轉(zhuǎn)換子線程等。

3.2 系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主程序在信息處理系統(tǒng)中完成整體協(xié)調(diào)和調(diào)用工作，是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)運(yùn)行狀態(tài)判斷和顯示以及滾筒堵塞故障提前預(yù)警的主要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)的功能具體包括:系統(tǒng)初始化、特征參量信息提取融合、確定故障類型、外部中斷按鍵確定、模擬信號數(shù)據(jù)提取、工作運(yùn)行狀態(tài)液晶顯示及預(yù)警和報(bào)警。其中系統(tǒng)初始化的工作包括ARM虛擬地址的映射、端口配置初始化、中斷初始化、變量初始化、液晶儀表盤初始化等。該系統(tǒng)主程序的流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3.3 滾筒堵塞故障預(yù)警算法的實(shí)現(xiàn)

通過對國內(nèi)外收獲機(jī)械故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)的研究，決定使用基于發(fā)動機(jī)、脫粒滾筒兩個轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速傳感器的故障預(yù)警方法。滾筒堵塞故障診斷的實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 堵塞故障診斷實(shí)現(xiàn)過程

滾筒故障特征參量的選取是實(shí)現(xiàn)堵塞診斷的重要一步，本文選擇了一階差分和滑差率作為堵塞故障診斷特征參量。方法如下。

① 一階差分ΔD

(1)

式中：i=1，2，…，N-1；下角標(biāo)x、y分別為發(fā)動機(jī)和脫粒滾筒轉(zhuǎn)軸頻率對應(yīng)的特征參量，這里取N=5。

頻率序列的一階差分可反映發(fā)動機(jī)和滾筒轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速頻率的連續(xù)變化情況。

② 滑差率S

(2)

式中：N1為發(fā)動機(jī)輸出軸齒輪齒數(shù)；N2為脫粒滾筒轉(zhuǎn)軸上的磁鋼數(shù)目；r為發(fā)動機(jī)到脫粒滾筒的固定傳動比。

滑差率能夠反映發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)軸和滾筒轉(zhuǎn)軸傳動比變化的情況。故障類型決策分為三級:正常運(yùn)行、堵塞故障預(yù)警和堵塞故障報(bào)警。

① 預(yù)警規(guī)則為：如果S10，ΔDyi<0(1≤i≤N-1)，或者S20，ΔDyi<0(1≤i≤N-1)。

② 報(bào)警規(guī)則為：如果S30，ΔDyi<0(1≤i≤N-1)，或者Si> S4。

Si為實(shí)際收割時得到的滑差率；S1、S2、S3、S4為滾筒堵塞預(yù)警報(bào)警的四個門限值，此數(shù)據(jù)可通過聯(lián)合收割機(jī)實(shí)際工作過程中的統(tǒng)計(jì)得出，并作為標(biāo)準(zhǔn)庫。

③ 其余為工作正常情況。

3.4 用戶界面的設(shè)計(jì)

為了方便操作人員讀取機(jī)器運(yùn)行數(shù)據(jù)，用戶界面主體仍采用模擬儀表盤的形式來實(shí)現(xiàn)水溫、油壓、油量、電量、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)信息的實(shí)時顯示。為了實(shí)現(xiàn)模擬指針和數(shù)字?jǐn)?shù)值同時顯示，通過在窗口的不同位置建立靜態(tài)控件，在靜態(tài)控件中利用繪圖類繪制模擬儀表盤及其指針，采用CMemDC類雙緩沖技術(shù)來解決繪圖閃爍問題。CMemDC是一個非常經(jīng)典的內(nèi)存DC，可實(shí)現(xiàn)在MFC中的雙緩沖繪圖。其實(shí)現(xiàn)思路是將要繪制的背景繪制在離屏內(nèi)存中，然后在CMemDC析構(gòu)時將該圖像一次性粘貼到物理顯示屏上。

水溫、油壓、油位、電量、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)值都采用模擬儀表盤方式實(shí)時顯示。左右轉(zhuǎn)向指示會在左右轉(zhuǎn)向時變成綠色，水溫、油壓、油位、虧電、攪龍、堵草報(bào)警都會在相應(yīng)位置紅色閃爍，同時都會有蜂鳴器鳴響警示。當(dāng)信息處理系統(tǒng)智能識別脫粒滾筒堵塞故障即將發(fā)生時，堵草相應(yīng)位置會有黃色閃爍，提前進(jìn)行預(yù)警，警示操作人員對機(jī)器操作過程進(jìn)行干預(yù)，從而避免堵塞故障發(fā)生。

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

進(jìn)行測試的機(jī)器采用的是4LBZ-150型聯(lián)合收割機(jī)，將該工程樣機(jī)與機(jī)器上現(xiàn)有的接口相連，接通機(jī)載的各種傳感器，讀取機(jī)器運(yùn)行過程中的狀態(tài)參數(shù)。在油位、電壓、水溫等模擬信號量的測量上，各個狀態(tài)參量的指針和數(shù)值顯示精度均符合預(yù)期指標(biāo)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

在4LBZ-150型收割機(jī)上人工模擬了滾筒發(fā)生堵塞轉(zhuǎn)速降低，綜合多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，決定取S1=3%、S2=5%、S3=8%、S4=10%。試驗(yàn)表明，該信息處理裝置初步能夠做到正確識別該滾筒堵塞故障趨勢，實(shí)現(xiàn)預(yù)警和報(bào)警。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM的收獲機(jī)械車載狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)械所配置的各種傳感信息(包括轉(zhuǎn)速、水溫、油壓、油位等)的實(shí)時采集、顯示和輸出以及各種工作狀態(tài)(包括正常、倉滿、堵草、攪龍和滾筒堵塞等)的識別和預(yù)警。該裝置能夠取代傳統(tǒng)的模擬式儀表，在一定程度上實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)械的智能化和自動化，為收獲機(jī)械的智能化奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上可以繼續(xù)進(jìn)行項(xiàng)目研究，對測產(chǎn)、測畝、遠(yuǎn)程監(jiān)控等信息化和自動化功能進(jìn)行擴(kuò)展。

[1] 王站興,吳利謙.收獲機(jī)械電子監(jiān)控裝置的研制[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2003(3):44-45.

[2] 陳進(jìn),李耀明.聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)視報(bào)警裝置的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究,1997(4):57-59.

[3] 鄧玲黎,李耀明.我國水稻聯(lián)合收割機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究,2001(2):4-6.

[4] 李佳.ARM系列處理器應(yīng)用技術(shù)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[5] 何宗鍵.Windows CE嵌入式系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

Design of the State Monitoring System Based on ARM for Harvesting Machinery

In order to improve the level of automation and intellectualization for harvesting machinery; aiming at the real time acquisition of the operating state parameters and for monitoring the operation faults, the state monitoring system based on ARM embedded system for harvesting machinery is proposed. Based on S3C2440A processor, the hardware circuits and software program of the state monitoring system are designed, and the research on the extraction algorithm of fault characteristic parameters is carried out. The experiments verify that this monitoring system implements real time acquisition, processing and output of various sensing signals related to the combined harvesting machinery, as well as identifies various operating states for warning and alarming.

Harvesting machinery Embedded system ARM Faulty characteristic parameters Extraction algorithm State monitoring

王留鋒(1990-)，男，2013年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)，獲碩士學(xué)位，助理工程師；主要從事數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動控制的研究。

TH868

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504008

修改稿收到日期：2014-10-29。