基于无线技术的液压油泵测试装置设计

庄 浩，苏燕辰，傅莉萍

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

0 引 言

液压泵是整个液压系统的心脏，泵的性能直接影响着液压系统的性能。其损坏主要发生在工作期间，会对系统压力与流量带来一系列影响[1]。因此，对液压泵进行故障诊断与状态监测尤为重要，借助计算机对液压泵性能进行智能测控是当今液压技术领域发展的趋势。

该文设计研制了一种基于无线技术的液压油泵测试装置，对液压油泵在正常运行过程中的工作状态进行实时监测，可诊断液压油泵是否出现故障等。

1 系统总体方案设计

以新华龙公司的C8051F330作为数据采集系统的核心芯片，利用蓝牙技术建立了一套完整的无线传输试验的检测技术、方法与规程，采集的数据可以通过蓝牙传到地面系统，能够在不拆卸液压设备且不影响液压油泵正常工作的情况下，对液压油泵在正常运行过程中的工作状态进行实时监测，确保液压油泵安全工作。同时，实时向地面检测系统报告液压油泵的工作状态，地面分析系统可以根据实时数据进行工作状态判断，对设备状态具有报警功能。控制端采用PC机，主要实现与采集器的蓝牙无线通信，对采集器进行无线控制和数据传输，并对采集的数据进行处理、分析和显示。

设计采用的在线状态监测方法是提高液压设备运行可靠性与安全性的一种有效手段。该文介绍的是将涡轮流量传感器置于液压系统的油路中，通过监测压力、流量、油温等液压信号，来判断液压系统是否出现故障。

所设计的液压油泵测试装置应具备如下功能：（1）数据处理功能，能自动运算和逻辑判断，如差值分析等。（2）通信功能，可将采集的压力、流量、温度3路数据送到上位机进行进一步的分析，以提高数据的使用率。（3）人机交互功能。

图1 液压测试系统框图

整个测试系统由3部分组成，包括PC机、上位机接口电路、下位机数据采集通信电路。下位机实现压力、流量、油温等液压信号的采集以及和蓝牙模块BlueRS+MF3之间的数据传输；上位机接口电路负责下位机和上位机之间的数据传输和控制；PC机实现数据的处理、结果的显示功能。其系统框图如图1所示。

2 系统硬件设计

系统硬件设计整体结构框图如图2所示。

图2 系统硬件设计整体结构框图

根据数据采集系统需要，将从涡轮流量传感器出来的温度、流量、压力3种信号经信号调理电路转换成电压信号，经TLC2543的A/D转换后，进入C8051F330单片机的输入端，再通过无线传输向上位机送出采集信号。TLC2543的I/O时钟、数据输入、片选信号由C8051F330的P0.3、P0.2、P0.0提供，转换结果由P0.1口串行读出。

（1）传感装置选型。选用英国HEDLAND公司生产的Flo-tech系列涡轮流量传感器，该传感器是在流量传感器的主体上同时安装压力和温度传感器，并对各传感器的输出信号进行变换、处理，实现了液压系统中的流量、压力、温度等参数的同时、同点测量。其结构示意图如图3所示。

涡轮流量传感器的工作原理：涡轮流量传感器测定液压流体和可混溶液体的流速。当被测流体流过传感器时，在流体的作用下，叶轮受力而旋转，转速与液体流速成正比，叶轮转动引起磁电转换器的磁阻值周期性变化，检测线圈中的磁通随之产生周期性变化，产生周期性感应电动势，使装在壳外的非接触式磁电转速传感器输出频率与涡轮的转速成正比的脉冲信号[2]。这种频率信号与流速成正比，且可转换成4～20mA输出。因此，只要测出传感器输出脉冲信号的频率f即可确定流体的流量，计算公式为

式中：Q——流量，L/min；

f——频率，Hz；

a，b——传感器标定参数。

（2）信号调理电路。电路中的R1和C1组成低通滤波器[3]。

图3 涡轮流量传感器结构图

由于涡轮流量传感器输出电流范围为4～20mA，12位精度A/D转换芯片TLC2543采样电压范围为0～5V，则选用的分压电阻阻值为

5V/20mA=250Ω

所以，电路中电阻R2阻值选取为250Ω。其电路图如图4所示。

（3）AD芯片与单片机的接口电路。TLC2543芯片与C8051单片机通过SPI总线进行命令和数据的传输。

图4 信号调理电路

C8051单片机集成增强型SPI串口SPI0。单片机和ADC的接口电路如图5所示，SPI0工作在四线单主方式下。

（4）蓝牙通信电路。蓝牙模块和PC机的通信采用RS232串口，由于RS232电平与TTL和CMOS电平相反，逻辑0电平规定为+5～+15V之间，逻辑1电平为-15～-5 V之间，因此在蓝牙模块和PC机接口之间必须要经过电平转换[4]。为了与蓝牙模块电平匹配，采用MAX3232进行电平转换。对蓝牙模块的数据传输控制只需要连接2个引脚就能够实现对数据的收发控制。RXD输入接收数据到UART；TXD是从UART输出发射数据。上位机接口电路原理图如图6所示。

图5 TLC2543与C8051F330的接口电路

蓝牙模块和单片机间的通信：C8051F330单片机拥有串行通信口，可以直接与其进行通信，但是由于单片机采用的信号电平为5V，而BlueRS+MF3模块工作电压采用的是3.3V，因此两者之间需要电平转换。采用AMS1117-3.3芯片进行电源的转换，单片机和蓝牙模块的接口电路如图7所示。

图6 蓝牙模块和上位机接口电路

3 系统软件设计

下位机部分的软件设计完成数据采集和通信两大任务，采用汇编语言进行编程；而上位机软件除了与数据采集器通信外还必须进行数据运算、图形显示等模块设计，采用C++Builder进行编写。

（1）下位机的软件设计。系统上电后，首先要进行初始化设置，包括系统复位方式、时钟源、电压基准、中断、UART、SPI、ADC的设置以及用交叉开关对I/O端口进行配置，这些设置可通过设置相应特殊功能寄存器（SFR）来进行。

在主程序的结尾处形成一个死循环，目的是等待串口中断发生。串口中断服务程序主要作用是读取上位机发送的命令，并调用命令分析子程序分析这些命令。命令分析子程序通过判断接收到的命令码来决定执行相应的操作。

采样过程为通过定时器T0产生一个定时中断，在中断服务程序中调用采样子程序完成采样，采样子程序中调用A/D子程序完成A/D转换。

（2）上位机软件设计。通过上面的数据采集系统，在上位机通过串口读取BUF里的数据，可以得到压力、温度、流量3个量的数字信号。通过设计的上位机程序，利用采集的这3个模拟量的数字信号可以画出这3个量实时的时间-幅值图，同时也可以绘制出该被测试液压泵的时域分析图以及生成所需要的检测报告。

图7 单片机和蓝牙模块的接口电路

上位机软件程序实现的功能有：具备门禁与欢迎系统；可以同时监测出压力、流量、温度等状态参数；以图形和数据的形式实时监测并显示上述参数；提供趋势和差值测试分析报告的自动生成和查询及打印功能；可以实现各状态参数的越界报警。

（3）上位机通信程序设计。上位机程序采用C++编写，编译器为BORLAND公司的C++Builder6.0。在C++Builder6.0中安装第三方控件SPComm，该控件通过串行端口传输和接收数据，实现上位机应用程序和下位机单片机之间的通信功能，利用该控件可以快速建立高效的通信程序[5]。

4 系统调试

（1）调试系统的连接。C8051Fxxx的调试系统连接示意图如图8所示。C8051Fxxx的U-EC2适配器通过USB端口和PC主机连接，它的另一端插入目标板的标准JTAG接口上。C8051Fxxx的适配器U-EC2既是一个在线调试器也是一个编程工具，它将程序写入C8051Fxxx单片机，并且提供实时代码执行、分步执行和断点等调试功能。其调试功能是通过内置调试电路与边界扫描功能电路实现[6]。

图8 调试系统连接示意图

（2）蓝牙芯片测试。首先测试蓝牙模块是否能工作，通过串口助手发送测试命令，在串口助手观察其返回命令，若蓝牙能工作，再验证其是否能搜索其他蓝牙设备及建立连接。

（3）笔记本与蓝牙模块的连接调试。首次和蓝牙连接时需配对，若连接成功，以后可以随连随用。选择所要连接的设备后会出现蓝牙配对对话框，输入配对密码。蓝牙密码配对成功后将会出现蓝牙设置选项，点击设置按钮可以进行蓝牙属性的设置。同时可以通过打开接有被连接蓝牙的电脑的串口助手，观察是否连接成功，连接成功则返回RING CONNECT，否则返回NO CARRIER。

（4）通信程序测试。为了验证下位机通信程序是否正确，通过串口助手向下位机发送一条启动AD采样命令，根据通信协议应该返回“55+02+C5+AA”。通过串口助手观察其返回命令为“55+02+C5+AA”，证明下位机通信协议工作正常，依次输入其他各条命令，调试方法与上面相同，结果正确。

（5）系统测试。为了检测该系统工作是否正确，在实验室环境下进行。

将传感器组的输出接到采集模块的一组输入通道，用鼓风机对准传感器的输入口迫使涡轮流量传感器的叶轮旋转，同时温度传感器将感应环境温度，在上位机显示界面观察输出信号。当鼓风机与传感器间距离减小时，传感器所受风量就大，转速就快，显示的压力也就大，其输出工作曲线如图9所示。该实验只是对该仪器做了一个定性的分析，由于实验条件限制无法做定量研究，而且现场测试情况复杂，随机性较大，有待后续解决。

图9 输出曲线图

5 结束语

在实验室经过多次软、硬件结合的调试改进过程，设计基本上实现了实时监测液压油泵状态。

由于理论水平和实践经验有限以及时间和实验条件的限制，设计还存在一些有待改进和优化的地方：

（1）该系统目前还只能用于短距离监测，对于远程监测可以利用无线局域网（WLAN）以及GPRS无线移动网络构建系统，这样就能应用于更多的特殊场合。

（2）由于实验条件限制，系统还未在现场进行过测试，由于机械运行过程中液压油泵出现故障的情况较为复杂，随机性也较大，还会出现较多在设计测试中未发现的问题，有待后续设计解决。

[1]王世明.工程机械液压系统故障监测诊断技术的现状和发展趋势[J].机床与液压，2009，37（2）：175-180.

[2] 徐科军.传感器原理及检测技术[M].2版.北京：电子工业出版社，2008.

[3] 远坂俊昭.测量电子电路设计：滤波器篇：从滤波器设计到锁相放大器的应用[M].彭军，译.北京：科学出版社，2006.

[4] 钱志鸿，杨帆，周求湛.蓝牙技术原理、开发与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[5] 刘畅，汪道辉.利用SPComm控件实现的PC机与单片机串口通讯[J].微计算机信息，2005，21（12-2）：89-91.

[6]潘琢金，施国君.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.