摘要:介紹了針對康明斯6BT5.9 型柴油發動機機體側壁產生的低頻振動信號的數據采集系統,該系統綜合運用了RS232 串行通信技術、單片機技術以及數據采集技術,整個設計由振動傳感器、數據采集板、PC 機應用程序3 部分組成。實驗表明該系統具有穩定、可靠、實時、性價比高等優點。
1 引言
柴油機是往復運動機械,其激振力主要來源于活塞－曲柄機構周期性運動時產生的慣性力,以及氣缸內氣體燃燒產生的周期性氣壓力。將傳感器垂直安裝在氣缸體與曲軸箱的連鑄體側壁采集的機體低頻段振動信號直接反映了柴油機工作中振動激勵源的信息。因此,采用發動機低頻振動采集系統進行故障測試診斷方面的研究對盡早發現并排除故障隱患、防止事故發生、提高柴油機的經濟性有著重要的現實意義。目前,通過PC 機的RS232 串行接口與外部設備進行通訊,是許多測控系統中常用的一種通信解決方案,但當其以查詢方式接收數據時,用戶只能等候在計算機當前界面而不能進行其它操做, 直到數據接收完畢。本系統運用VS .2008.C# 線程管理功能決了這一問題,改善了人機交互環境, 優化了系統性能。
2 系統簡介
發動機低頻振動信號采集系統由3 部分組成:振動傳感器、數據采集板、PC 機應用程序,整個系統結構如圖1 所示。應用北京通磁偉業傳感技術有限公司生產的ZD24(DC5V)型振動傳感器將EQ6BT5.9 型柴油發動機機體表面的機械振動轉變成0~5V 模擬電信號。數據采集板利用AT8 9 S5 1 微控制器以采樣頻率1 . 6 kHz 驅動ADC0832 完成A/D 變換并將數據經美信公司的RS223接口芯片MAX232 傳輸給PC 機。PC 機上的應用程序通過C#2008.NET 3.5 框架下的線程類和SerialPort 類很好地實現了PC 機與數據采集板之間的實時數據通信并將采集到的振動數據保存為txt 文本文件供MATLAB生成的COM 組件對其進行FFT 分析與顯示。
圖1 柴油發動機低頻振動信號采集系統結構圖。
3 系統硬件設計
圖2 數據采集板框圖。
圖2 是數據采集板框圖,該板主要由單片機AT89S51、A/D轉換器ADC0832、電源模塊DC/DC 等組。數據采集板采用RS232 串口方式與外界通信,其原理圖如圖3。
圖3 數據采集板原理圖。
4 系統軟件設計
系統軟件設計包括兩個部份:固件程序設計、PC 機應用程序設計。二者互相配合,才能完成可靠、實時的數據采集與傳輸。固件程序是用C51 語言編寫的,主要作用是啟動A/D 轉換、發送數據,上位機程序是用最新的C# 3 . 0 語言編寫。
4.1 固件程序設計
固件程序(又稱單片機程序)是指固化到徽控制器模塊內的程序。本系統的固件程序是采用C51 開發完成的, 其流程圖如圖4 所示。
圖4 固件程序流程圖。
固件程序設計中的核心部分是A/D 轉換程序。當上位機準備好后, 加電啟動采集板自動啟動A/D 轉換。
具體的A/D 轉換程序如下:
4.2 PC 機應用程序設計
圖5 PC 機數據采集界面。
應用程序是系統與用戶的接口, 它通過線程和SerialPort 類完成對數據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據的同時, 用戶則可以進行其它操作。C# 串行類( Ser i a l Por t ) 是Vi su a lStudio.Net 2008 中一個的類,屬于System.IO.Ports 命名空間, 將它與線程結合開發的應用程序具有功能強大、界面友好、高效簡便、通信快速、實時性好等特點。數據采集界面如圖5。
4.2.1 C# 串行類的初始化設置
對串口進行初始化設置,由Ser ialPort 對象的參數可知主要包括設置串口號,波特率,奇偶校驗位, 數據位數,停止位數等。以下為各參數所代表的含義并實例化一個串口對象:
4.2.2 讀操作
從串口輸入緩沖區的同步讀取一個字節操作通過執行S e r i a l P o r t . R e a d B y t e ( ) 來實現的, 串口類ReadTimeout 屬性可以設置讀取操作未完成時發生超時之前的毫秒數。當程序以查詢方式接收到數據采集板發來的數據后, 串行類執行此讀方法。
4.2.3 計算采樣頻率
由于固件程序是用C51 語言編寫的,存在計算采集頻率的困難。本系統通過在C # 3 . 0 中調用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Windows API 函數對接收數據程序段采用精確計時的方法,巧妙的實現了系統采樣頻率的精確計算。它們的引用代碼如下:
經計算,本系統的采樣頻率fs=1600Hz。根據采集定理,當信號在最高頻率fmax 時,采樣頻率fs ≥ 2fmax就能使采樣信號不發生“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,常取fs≥(3~4)fmax。根據振源的實際情況(康明斯6BT5.9 型柴油發動機機體側壁產生的低頻振動信號) , 設定采樣32768 次,用時20.48 秒。
4.2.4 低頻振動信號分析
發動機穩定怠速工況(750 ± 100r/min)下,進入系統數據采集界面開始采集信號,之后程序自動將其保存為txt 文本供在C#3.0 中調用MATLAB 生成的COM 組件對其進行分析, 其原始信號圖、頻譜分析情況如圖6所示。根據動力學分析,EQ6BT5.9 型柴油機在工作過程中對氣缸體的主要振動激勵源如下: (注:F 為柴油機轉頻、怠速工況下F=12.5Hz）。
圖6 原始信號及頻譜圖。
3) 整機(六個缸)活塞橫向撞擊氣缸壁; 頻率:6F從實測數據頻譜分析的結果來看與動力學分析一致, 驗證了該系統的可靠性。
5 結束語
發動機低頻振動信號采集系統能夠方便應用于振動信號的實時采集與分析, 具備快速連接、靈活快捷獲取數據等優點, 可實現大批量、無限時的實時數據采集。本系統已成功運用于柴油發動機故障檢測與診斷, 加之PC 機的普及性, 更使得這套系統具有廣闊的應用前景。