基于DSP的机车柴油机检测系统设计

张杰 ，王吉平 ，韩传军

（1 西南石油大学 机电工程学院 成都 610500；2 太原铁路局侯马北机务段 侯马 043000）

0 引言

随着铁路的进一步提速，机车种类不断更新，但内燃机车仍然承担着很大部分的货运和客运任务。提高内燃机车运行的可靠性, 对保证铁路运输的“安全、 快速、 正点”有着重要作用 。机车柴油机是内燃机车的心脏, 柴油机运行的可靠性是影响内燃机车运行质量的重要因素。一般柴油机故障约占整个内燃机车故障的30%。因没有合适的技术手段而不能及时发现和处理故障导致故障扩大甚至损坏所造成的直接经济损失约占检修总成本支出的5%。显然,及时准确和动态地掌握机车柴油机的运行状态以及预测、诊断存在的和潜在的故障,可以防止和减少柴油机的故障,减少经济损失。

目前在侯马北机务段主要是DF4D型和DF8B型内燃机车承担侯月、侯西、南同蒲的货运牵引任务。本文基于DSP56F807和LabVIEW程序语言为机务段机车柴油机设计一个检测系统，及时采集各种参数(主要有瞬时转速、曲轴箱温度、进气压力、进气温度、冷却水温、柴油压力、油门开度等)以及由此推导出的间接数据, 预测、诊断存在的和潜在的故障,寻找柴油机系统功能或零部件性能下降的趋势。

1 检测系统的总体设计

机车柴油机检测系统主要有4大部分组成（见图1）：外围硬件设计、软件系统设计、通信及数据处理、人机界面设计。

图1 检测系统总体设计

2 信号采集电路设计

输入信号采集电路的传感器信号有两种：一种是模拟信号；另一种是数字信号。信号的类型不同，处理方法也不一样。

从传感器输出的模拟信号，首先通过模拟信号处理电路，进行滤波、电压调整，使其输出范围接近0～3.3 V，然后输入EVM板的A/D接口，由A/D转换器转换成数字信号之后再输入DSP。图2为模拟信号高电压处理电路。

数字信号经过数字信号处理电路，进行滤波、整形，转换成标准的方波信号，经Timer接口输入DSP。

图2 模拟信号处理电路

3 基于DSP的柴油机的软件系统设计

3.1 DSP56F807的各个功能模块设计

（1）模数转换A/D功能模块。DSP 56F807有两个模数转换器ADC功能模块，每个ADC包括8个输入通道、2个独立的采样保持电路。8个输入通道分为两组：AN0～AN3为一组，为ADCA的引脚；AN4～AN7为另一组，为ADCB的引脚。每组都有各自独立的一个采样保持电路。通过属性窗口选择确定ADC模块的属性参数。方法和事件的激活可通过鼠标点击实现。

（2）BitIO模块的主要属性设置如下：I/O引脚选择，方向选择Direction，初始化方向Init.Direction，初始值Init.Value。

（3）TimerInt功能模块及其OnInterrupt事件激活后，OnInterrupt事件就按用户设定的时间周期性地产生中断。

（4）串行接口SCI用于 DSP 和 PC 或其他 CPU 通信，DSP 56F807的SCI是一个通用的异步接收器／发送器类型的异步通信接口，通过RS232等串行通信协议与主机系统（如PC、终端等）通信。文中使用接收缓存满事件OnFullRxBuf进行上位机传送指令的接收与处理，使用块接收RecvBlock方法进行数组的接收，使用块发送SendBlock方法进行数组的发送。

（5）Capture功能模块执行的是定时器Timer的捕捉功能。Capture的事件一般使用捕捉中断Oncapture捕捉脉冲沿之间的内部时钟周期数，以得到事件的时间间隔。

3.2 DSP的串口发送程序设计

由于SCI中传输数据为8个二进制位而AD采集数据为12位数据占据两个字节，所以在发送到SCI传输前需要将12位数据分为两个字节，即高8位和低8位依次顺序发送。发送程序如图3所示。

3.3 复合实时滤波

模拟信号接入控制单元后，虽然经过硬件电路滤波处理，但电路本身也会引起干扰，再加上点火电路或电磁阀驱动电路引起的电磁干扰，这些噪音信号还是会进入控制单元A/D转换口。因此，采集处理模块完成信号采集工作的同时，对传感器信号再做数字滤波处理，确保模拟信号的准确。 数字滤波有很多方法，系统选用了限幅滤波、中值滤波与平均值滤波相结合的实时复合滤波法。

图3 DSP发送程序

4 串口通信及数据处理

在本监控软件中PC通讯部分的核心是采用LabVIEW中的VISA控件，通过调用相同的VISA库函数并配置不同的设备参数，就可以编写控制各种I/O接口仪器的通用程序。本系统所使用的是串口设备，因此需要将VISA resource name改为串口COM1。设置波特率位9600，触发一次ONCOMM事件的接收字节数为8如图4所示。

图4 LabVIEW串口程序

监测数据接收后处理程序是数据规格化程序的逆过程，用来将以字节或二进制形式存储的数据转化为普通的数组数据，本文中采用二进制形式接收，以便于进行数据库操作和实时监控操作。

5 基于LabVIEW的人机界面设计

根据LabVIEW8.2的图形化编程，设计了可视化的人机交互界面。包括数据在线显示模块、故障警报模块、数据存储模块。图为5为检测系统的人机界面。

图5 检测系统的人机界面

6 实验与结论

在侯马北机务段，以DF4D内燃机车中的16V240ZJB型柴油机为实验对象。设计变压电路，接入滑动变阻器，再从电路上引入变电压，接到ADCA通道上的引脚1，并用万用表实时监测变电压，使之不超过3.3V，以免损坏EVM板。图6所显示为在实验过程采集保存的数据表格。有时间记录、进气压力、进气温度、冷却水温、柴油压力、转速、油门开度。在实验中同时记录机车司机室操控台上的各参数数值。实验结束后，将检测的的参数数据依据各自传感器变压原理，转化为实际数值，与操控台上的数据比较，结果基本一致，精度达到0.01。但由于DSP 56F807EVM板中接入电源，引入了干扰信号，降低了精度。后续的试验设计需要进一步优化，减小外界因素干扰。

本检测系统可以给机车柴油机的定期检修、安全运行和试验提供了可靠、方便的手段，能迅速确定柴油机故障,减小机车检修难度,提高运用机车及小辅修机车的质量可靠性, 促使机车检修劳动生产率的大大提高，为检修车间维修机车节约时间，降低成本。该系统还有待进一步的优化和升级，以满足铁路安全运输的需要。

图6 试验存储数据

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