基于ARM的收获机械状态监测系统设计
2015-06-15王留锋成群林
王留锋 路 勇 成群林
(上海航天精密机械研究所1，上海 201600;哈尔滨工业大学机电工程学院2，黑龙江 哈尔滨 150000)
基于ARM的收获机械状态监测系统设计
王留锋1路 勇2成群林1
(上海航天精密机械研究所1，上海 201600;哈尔滨工业大学机电工程学院2，黑龙江 哈尔滨 150000)
为提高收获机械的自动化和智能化水平，针对其运行过程中运行状态参量的实时采集和运行故障的监测，提出了一种基于ARM嵌入式系统的收获机械状态监测系统方案。基于S3C2440A处理器，设计了状态监测系统的硬件电路和软件程序，并对故障特征参量提取算法进行了研究。经试验验证，该车载状态监测系统能实现联合收割机械所配置的各种传感信号的实时采集、处理和输出以及各种工作状态的识别和预警。
收获机械 嵌入式系统 ARM 故障特征参量 提取算法 状态监测
0 引言
对于发动机转速、水温、油压、油位等状态信息的显示输出，传统的收获机械通常采用模拟仪表来实现。通过对传感器测得的信号进行模拟信号处理并显示在模拟仪表盘上，故障预警一般要依靠操作人员的经验，通过机器工作声音的变化来发现[1]。
嵌入式系统由于其功耗低、成本低、可靠性和稳定性高以及方便进行功能扩展等优点，在信号处理及工业控制领域应用十分广泛[2]。因此，研究将ARM处理器应用于收获机械信息处理及显示和故障信息预警，技术上有一定的优势，日后可在该嵌入式平台的基础上方便地进行测产、远程协同控制、自动调整车速以防止堵塞等多项功能扩展，提高收获机械产品的竞争力，具有十分广阔的市场前景[3]。
本文针对收获机械的状态监测提出了一种基于ARM的系统设计方案。硬件平台选用以ARM920T为内核的S3C2440作为主控模块，并配合其他功能模块搭建一个完整的嵌入式系统。软件部分基于嵌入式操作系统进行驱动程序和应用程序的开发，并针对不同的传感器信号制定特定的数字化信息特征提取算法。根据发动机转速和滚筒转速信息研究智能预警堵草故障的算法，实现对收获机械运行参数的采集和显示以及机械运行状态的判断和预警。
1 总体方案设计
为实现对收获机械发动机转速、水温、油压、油位等状态参量的采集和显示输出，需要将各传感器采集到的信号经过预处理，转变为标准的数字信号，并送至微处理器进行信号特征参量的提取和堵草故障的识别，最后实时显示状态参量和故障信息。
本文设计的状态监测系统硬件平台采用S3C2440A微处理器为主控模块，其他功能模块包括传感器信息预处理模块(该模块将收获机械各种无源传感器输出信号转化为微处理器可识别的标准信号)、外围接口电路模块、电源转换模块、声光报警和LCD显示模块等。软件部分则在嵌入式操作系统支持下，进行各应用程序和所需驱动程序的开发，主要包括系统主程序、定时器计数器驱动程序、外部中断驱动程序、A/D转换子程序等。
系统的整体框架如图1所示。
图1 系统整体框架图
2 系统硬件设计
状态监测系统的硬件可以分成四大模块，分别是微处理器及存储电路模块、复位和电源转换电路模块、外围接口电路模块、传感器信号预处理模块。其中外围接口模块具体包括串口电路、JTAG接口电路、USB接口电路、蜂鸣器报警接口电路。下面分别对这四个模块进行详细设计。
2.1 微处理器及存储电路
状态监测系统采用的是S3C2440A微处理器。S3C2440A以ARM920T为内核，采用0.13 μm 的CMOS 标准宏单元和存储器单元[4]。在嵌入式核心工作系统中，为S3C2440A微处理器配置了两片32 MB的SDRAM和一片128 MB的NAND Flash，能更好地发挥微处理器的性能。
2.2 电源和复位电路模块设计
电源模块是整个硬件系统的一个重要组成部分，电源模块的可靠性和稳定性是整个系统正常工作的前提。核心处理器S3C2440A、SDRAM、NAND Flash等各个模块所需的工作电压各不相同，其中S3C2440A处理器需要1.2 V电源，外部扩展I/O端口需要3.3 V电源，传感器信号预处理模块进行信号处理需要的电压是±5 V，RTC时钟电路需要断电可持续电压3 V，而联合收割机提供的电源是24 V-150 Ah的蓄电池。因此,设计了24 V转+5 V、5 V转3.3 V、+5 V到-5 V以及系统复位和RTC电源电路来满足各个模块的电压需求。
2.3 外围接口电路
外围接口模块具体包括串口电路、JTAG接口电路、USB接口电路、蜂鸣器报警接口电路。通过串口电路，状态监测系统可以与上位机通信，完成应用程序的下载、程序运行过程中调试信息的打印，监控该信息处理平台的运行状态。
JTAG是一种国际标准测试协议，通过JTAG可以在器件内部定义一个TAP(测试访问口)并通过专门的JTAG调试工具对程序内设置的节点进行调试[5]。另外，通过JTAG还可对Flash进行在线编程，通过JTAG接口将程序下载到Flash。启动引导程序Bootloader的下载就需要通过JTAG接口完成。
通用串行总线(universal serial bus，USB)，通过USB接口,系统可以通过Microsoft activeSync将应用程序烧写到NAND Flash存储器中，从而实现断电保存。
2.4 传感器信号预处理电路
发动机转速测量采用的是磁电式转速传感器。在发动机运行过程中，磁电式转速传感器与传动齿轮之间的间隙呈周期性的变化，感应线圈中的磁通量随之以同样的周期变化。当齿轮是渐开线齿形时，在线圈中感应出同样周期且近似于正弦波的电压信号。针对由磁电式转速传感器输出的近似正弦波信号需要进行低通滤波、放大和波形变换，依次通过二阶有源低通滤波器、反向放大器和滞回比较器转化为矩形脉冲波，用于脉冲计数。
滚筒和搅龙转速传感器采用的都是霍尔开关。通过在转轴上固定磁片，霍尔开关器件检测磁场的周期性变化，并转变为开关的周期性开闭，从而可以实现矩形脉冲波的输出。
水温、油位和油压传感器都是将敏感变化量表现为阻值的变化，可以运用串联电阻的方式对敏感电阻进行线性化。
2.5 模拟信号A/D转换
水温、油压、油量等状态信息经过预处理电路之后，将转换为0～3.3 V的模拟电压信号。要转化为能被微处理器识别的数字信号，还需对这些模拟电压信号进行数字化转换，即A/D转换。
在S3C2440A微处理器中内置了一个8通道10位分辨率的模数转换器(ADC),其包括两个ADC转换数据寄存器ADCDAT0和ADCDAT1。在普通A/D数据转换过程中，使用ADCDAT0来保存转换后的数据。该ADC为10位精度，通过读取该寄存器位的[9:0]，可以得到模拟量转换后的数字量。
3 系统软件设计
3.1 系统软件设计的主要任务
在信息处理系统中，发动机滚筒和搅龙转速数据的获取、油压油量电量和水温数据的获取、数据序列的提取、处理算法的实现、液晶动态显示都是依靠软硬件的配合来完成的。硬件部分完成系统支撑和传感器信号的预处理，软件部分需要完成的主要任务如下。
① 对信息处理系统进行初始化配置。
② 对转速传感器信号进行频率特征参量的提取。
③ 根据堵塞故障诊断算法对机器运行情况进行判断,确定机器的预警、报警、正常工作三种状态。
④ 对水温、油压、油量、蓄电池电压数据实时动态显示，并参考人机工程学原理优化数据显示方式，使数据显示更加直观、方便，更加人性化。
⑤ 对机器运行状态进行采集判断并实时声光报警。
根据设计任务确定需要开发的系统软件,具体包括系统主程序、定时器计数器驱动程序、外部中断驱动程序、A/D转换子线程等。
3.2 系统主程序结构
系统主程序在信息处理系统中完成整体协调和调用工作，是实现联合收割机运行状态判断和显示以及滚筒堵塞故障提前预警的主要环节。系统主程序实现的功能具体包括:系统初始化、特征参量信息提取融合、确定故障类型、外部中断按键确定、模拟信号数据提取、工作运行状态液晶显示及预警和报警。其中系统初始化的工作包括ARM虚拟地址的映射、端口配置初始化、中断初始化、变量初始化、液晶仪表盘初始化等。该系统主程序的流程图如图2所示。
图2 主程序流程图
3.3 滚筒堵塞故障预警算法的实现
通过对国内外收获机械故障监测诊断系统的研究，决定使用基于发动机、脱粒滚筒两个转轴的转速传感器的故障预警方法。滚筒堵塞故障诊断的实现过程如图3所示。
图3 堵塞故障诊断实现过程
滚筒故障特征参量的选取是实现堵塞诊断的重要一步，本文选择了一阶差分和滑差率作为堵塞故障诊断特征参量。方法如下。
① 一阶差分ΔD
(1)
式中：i=1，2，…，N-1；下角标x、y分别为发动机和脱粒滚筒转轴频率对应的特征参量，这里取N=5。
频率序列的一阶差分可反映发动机和滚筒转轴转速频率的连续变化情况。
② 滑差率S
(2)
式中：N1为发动机输出轴齿轮齿数；N2为脱粒滚筒转轴上的磁钢数目；r为发动机到脱粒滚筒的固定传动比。
滑差率能够反映发动机转轴和滚筒转轴传动比变化的情况。故障类型决策分为三级:正常运行、堵塞故障预警和堵塞故障报警。
① 预警规则为：如果S1
② 报警规则为：如果S3
Si为实际收割时得到的滑差率；S1、S2、S3、S4为滚筒堵塞预警报警的四个门限值，此数据可通过联合收割机实际工作过程中的统计得出，并作为标准库。
③ 其余为工作正常情况。
3.4 用户界面的设计
为了方便操作人员读取机器运行数据，用户界面主体仍采用模拟仪表盘的形式来实现水温、油压、油量、电量、转速等状态信息的实时显示。为了实现模拟指针和数字数值同时显示，通过在窗口的不同位置建立静态控件，在静态控件中利用绘图类绘制模拟仪表盘及其指针，采用CMemDC类双缓冲技术来解决绘图闪烁问题。CMemDC是一个非常经典的内存DC，可实现在MFC中的双缓冲绘图。其实现思路是将要绘制的背景绘制在离屏内存中，然后在CMemDC析构时将该图像一次性粘贴到物理显示屏上。
水温、油压、油位、电量、发动机转速数值都采用模拟仪表盘方式实时显示。左右转向指示会在左右转向时变成绿色，水温、油压、油位、亏电、搅龙、堵草报警都会在相应位置红色闪烁，同时都会有蜂鸣器鸣响警示。当信息处理系统智能识别脱粒滚筒堵塞故障即将发生时，堵草相应位置会有黄色闪烁，提前进行预警，警示操作人员对机器操作过程进行干预，从而避免堵塞故障发生。
4 系统功能验证
进行测试的机器采用的是4LBZ-150型联合收割机，将该工程样机与机器上现有的接口相连，接通机载的各种传感器，读取机器运行过程中的状态参数。在油位、电压、水温等模拟信号量的测量上，各个状态参量的指针和数值显示精度均符合预期指标，达到预期目标。
在4LBZ-150型收割机上人工模拟了滚筒发生堵塞转速降低，综合多次试验数据，决定取S1=3%、S2=5%、S3=8%、S4=10%。试验表明，该信息处理装置初步能够做到正确识别该滚筒堵塞故障趋势，实现预警和报警。
5 结束语
本文设计了一种基于ARM的收获机械车载状态监测系统。该监测系统能实现收获机械所配置的各种传感信息(包括转速、水温、油压、油位等)的实时采集、显示和输出以及各种工作状态(包括正常、仓满、堵草、搅龙和滚筒堵塞等)的识别和预警。该装置能够取代传统的模拟式仪表，在一定程度上实现收获机械的智能化和自动化，为收获机械的智能化奠定了坚实的技术基础。在此基础上可以继续进行项目研究，对测产、测亩、远程监控等信息化和自动化功能进行扩展。
[1] 王站兴,吴利谦.收获机械电子监控装置的研制[J].拖拉机与农用运输车,2003(3):44-45.
[2] 陈进,李耀明.联合收割机转速监视报警装置的研制[J].农机化研究,1997(4):57-59.
[3] 邓玲黎,李耀明.我国水稻联合收割机的现状及发展趋势[J].农机化研究,2001(2):4-6.
[4] 李佳.ARM系列处理器应用技术完全手册[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[5] 何宗键.Windows CE嵌入式系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，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
王留锋(1990-)，男，2013年毕业于哈尔滨工业大学机械制造专业，获硕士学位，助理工程师；主要从事数据采集和运动控制的研究。
TH868
A
10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504008
修改稿收到日期：2014-10-29。
