基于ARM的收獲機械狀態監測系統設計

王留鋒 路 勇 成群林

(上海航天精密機械研究所1，上海 201600;哈爾濱工業大學機電工程學院2，黑龍江 哈爾濱 150000)

基于ARM的收獲機械狀態監測系統設計

王留鋒1路 勇2成群林1

(上海航天精密機械研究所1，上海 201600;哈爾濱工業大學機電工程學院2，黑龍江 哈爾濱 150000)

為提高收獲機械的自動化和智能化水平，針對其運行過程中運行狀態參量的實時采集和運行故障的監測，提出了一種基于ARM嵌入式系統的收獲機械狀態監測系統方案。基于S3C2440A處理器，設計了狀態監測系統的硬件電路和軟件程序，并對故障特征參量提取算法進行了研究。經試驗驗證，該車載狀態監測系統能實現聯合收割機械所配置的各種傳感信號的實時采集、處理和輸出以及各種工作狀態的識別和預警。

收獲機械 嵌入式系統 ARM 故障特征參量 提取算法 狀態監測

0 引言

對于發動機轉速、水溫、油壓、油位等狀態信息的顯示輸出，傳統的收獲機械通常采用模擬儀表來實現。通過對傳感器測得的信號進行模擬信號處理并顯示在模擬儀表盤上，故障預警一般要依靠操作人員的經驗，通過機器工作聲音的變化來發現[1]。

嵌入式系統由于其功耗低、成本低、可靠性和穩定性高以及方便進行功能擴展等優點，在信號處理及工業控制領域應用十分廣泛[2]。因此，研究將ARM處理器應用于收獲機械信息處理及顯示和故障信息預警，技術上有一定的優勢，日后可在該嵌入式平臺的基礎上方便地進行測產、遠程協同控制、自動調整車速以防止堵塞等多項功能擴展，提高收獲機械產品的競爭力，具有十分廣闊的市場前景[3]。

本文針對收獲機械的狀態監測提出了一種基于ARM的系統設計方案。硬件平臺選用以ARM920T為內核的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。軟件部分基于嵌入式操作系統進行驅動程序和應用程序的開發，并針對不同的傳感器信號制定特定的數字化信息特征提取算法。根據發動機轉速和滾筒轉速信息研究智能預警堵草故障的算法，實現對收獲機械運行參數的采集和顯示以及機械運行狀態的判斷和預警。

1 總體方案設計

為實現對收獲機械發動機轉速、水溫、油壓、油位等狀態參量的采集和顯示輸出，需要將各傳感器采集到的信號經過預處理，轉變為標準的數字信號，并送至微處理器進行信號特征參量的提取和堵草故障的識別，最后實時顯示狀態參量和故障信息。

本文設計的狀態監測系統硬件平臺采用S3C2440A微處理器為主控模塊，其他功能模塊包括傳感器信息預處理模塊(該模塊將收獲機械各種無源傳感器輸出信號轉化為微處理器可識別的標準信號)、外圍接口電路模塊、電源轉換模塊、聲光報警和LCD顯示模塊等。軟件部分則在嵌入式操作系統支持下，進行各應用程序和所需驅動程序的開發，主要包括系統主程序、定時器計數器驅動程序、外部中斷驅動程序、A/D轉換子程序等。

系統的整體框架如圖1所示。

圖1 系統整體框架圖

2 系統硬件設計

狀態監測系統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、復位和電源轉換電路模塊、外圍接口電路模塊、傳感器信號預處理模塊。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、蜂鳴器報警接口電路。下面分別對這四個模塊進行詳細設計。

2.1 微處理器及存儲電路

狀態監測系統采用的是S3C2440A微處理器。S3C2440A以ARM920T為內核，采用0.13 μm 的CMOS 標準宏單元和存儲器單元[4]。在嵌入式核心工作系統中，為S3C2440A微處理器配置了兩片32 MB的SDRAM和一片128 MB的NAND Flash，能更好地發揮微處理器的性能。

2.2 電源和復位電路模塊設計

電源模塊是整個硬件系統的一個重要組成部分，電源模塊的可靠性和穩定性是整個系統正常工作的前提。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，外部擴展I/O端口需要3.3 V電源，傳感器信號預處理模塊進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電壓3 V，而聯合收割機提供的電源是24 V-150 Ah的蓄電池。因此,設計了24 V轉+5 V、5 V轉3.3 V、+5 V到-5 V以及系統復位和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、蜂鳴器報警接口電路。通過串口電路，狀態監測系統可以與上位機通信，完成應用程序的下載、程序運行過程中調試信息的打印，監控該信息處理平臺的運行狀態。

JTAG是一種國際標準測試協議，通過JTAG可以在器件內部定義一個TAP(測試訪問口)并通過專門的JTAG調試工具對程序內設置的節點進行調試[5]。另外，通過JTAG還可對Flash進行在線編程，通過JTAG接口將程序下載到Flash。啟動引導程序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,系統可以通過Microsoft activeSync將應用程序燒寫到NAND Flash存儲器中，從而實現斷電保存。

2.4 傳感器信號預處理電路

發動機轉速測量采用的是磁電式轉速傳感器。在發動機運行過程中，磁電式轉速傳感器與傳動齒輪之間的間隙呈周期性的變化，感應線圈中的磁通量隨之以同樣的周期變化。當齒輪是漸開線齒形時，在線圈中感應出同樣周期且近似于正弦波的電壓信號。針對由磁電式轉速傳感器輸出的近似正弦波信號需要進行低通濾波、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化為矩形脈沖波，用于脈沖計數。

滾筒和攪龍轉速傳感器采用的都是霍爾開關。通過在轉軸上固定磁片，霍爾開關器件檢測磁場的周期性變化，并轉變為開關的周期性開閉，從而可以實現矩形脈沖波的輸出。

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

2.5 模擬信號A/D轉換

水溫、油壓、油量等狀態信息經過預處理電路之后，將轉換為0～3.3 V的模擬電壓信號。要轉化為能被微處理器識別的數字信號，還需對這些模擬電壓信號進行數字化轉換，即A/D轉換。

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

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件設計的主要任務

在信息處理系統中，發動機滾筒和攪龍轉速數據的獲取、油壓油量電量和水溫數據的獲取、數據序列的提取、處理算法的實現、液晶動態顯示都是依靠軟硬件的配合來完成的。硬件部分完成系統支撐和傳感器信號的預處理，軟件部分需要完成的主要任務如下。

① 對信息處理系統進行初始化配置。

② 對轉速傳感器信號進行頻率特征參量的提取。

③ 根據堵塞故障診斷算法對機器運行情況進行判斷,確定機器的預警、報警、正常工作三種狀態。

④ 對水溫、油壓、油量、蓄電池電壓數據實時動態顯示，并參考人機工程學原理優化數據顯示方式，使數據顯示更加直觀、方便，更加人性化。

⑤ 對機器運行狀態進行采集判斷并實時聲光報警。

根據設計任務確定需要開發的系統軟件,具體包括系統主程序、定時器計數器驅動程序、外部中斷驅動程序、A/D轉換子線程等。

3.2 系統主程序結構

系統主程序在信息處理系統中完成整體協調和調用工作，是實現聯合收割機運行狀態判斷和顯示以及滾筒堵塞故障提前預警的主要環節。系統主程序實現的功能具體包括:系統初始化、特征參量信息提取融合、確定故障類型、外部中斷按鍵確定、模擬信號數據提取、工作運行狀態液晶顯示及預警和報警。其中系統初始化的工作包括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 滾筒堵塞故障預警算法的實現

通過對國內外收獲機械故障監測診斷系統的研究，決定使用基于發動機、脫粒滾筒兩個轉軸的轉速傳感器的故障預警方法。滾筒堵塞故障診斷的實現過程如圖3所示。

圖3 堵塞故障診斷實現過程

滾筒故障特征參量的選取是實現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x、y分別為發動機和脫粒滾筒轉軸頻率對應的特征參量，這里取N=5。

頻率序列的一階差分可反映發動機和滾筒轉軸轉速頻率的連續變化情況。

② 滑差率S

(2)

式中：N1為發動機輸出軸齒輪齒數；N2為脫粒滾筒轉軸上的磁鋼數目；r為發動機到脫粒滾筒的固定傳動比。

滑差率能夠反映發動機轉軸和滾筒轉軸傳動比變化的情況。故障類型決策分為三級:正常運行、堵塞故障預警和堵塞故障報警。

① 預警規則為：如果S10，ΔDyi<0(1≤i≤N-1)，或者S20，ΔDyi<0(1≤i≤N-1)。

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

Si為實際收割時得到的滑差率；S1、S2、S3、S4為滾筒堵塞預警報警的四個門限值，此數據可通過聯合收割機實際工作過程中的統計得出，并作為標準庫。

③ 其余為工作正常情況。

3.4 用戶界面的設計

為了方便操作人員讀取機器運行數據，用戶界面主體仍采用模擬儀表盤的形式來實現水溫、油壓、油量、電量、轉速等狀態信息的實時顯示。為了實現模擬指針和數字數值同時顯示，通過在窗口的不同位置建立靜態控件，在靜態控件中利用繪圖類繪制模擬儀表盤及其指針，采用CMemDC類雙緩沖技術來解決繪圖閃爍問題。CMemDC是一個非常經典的內存DC，可實現在MFC中的雙緩沖繪圖。其實現思路是將要繪制的背景繪制在離屏內存中，然后在CMemDC析構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、發動機轉速數值都采用模擬儀表盤方式實時顯示。左右轉向指示會在左右轉向時變成綠色，水溫、油壓、油位、虧電、攪龍、堵草報警都會在相應位置紅色閃爍，同時都會有蜂鳴器鳴響警示。當信息處理系統智能識別脫粒滾筒堵塞故障即將發生時，堵草相應位置會有黃色閃爍，提前進行預警，警示操作人員對機器操作過程進行干預，從而避免堵塞故障發生。

4 系統功能驗證

進行測試的機器采用的是4LBZ-150型聯合收割機，將該工程樣機與機器上現有的接口相連，接通機載的各種傳感器，讀取機器運行過程中的狀態參數。在油位、電壓、水溫等模擬信號量的測量上，各個狀態參量的指針和數值顯示精度均符合預期指標，達到預期目標。

在4LBZ-150型收割機上人工模擬了滾筒發生堵塞轉速降低，綜合多次試驗數據，決定取S1=3%、S2=5%、S3=8%、S4=10%。試驗表明，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，實現預警和報警。

5 結束語

本文設計了一種基于ARM的收獲機械車載狀態監測系統。該監測系統能實現收獲機械所配置的各種傳感信息(包括轉速、水溫、油壓、油位等)的實時采集、顯示和輸出以及各種工作狀態(包括正常、倉滿、堵草、攪龍和滾筒堵塞等)的識別和預警。該裝置能夠取代傳統的模擬式儀表，在一定程度上實現收獲機械的智能化和自動化，為收獲機械的智能化奠定了堅實的技術基礎。在此基礎上可以繼續進行項目研究，對測產、測畝、遠程監控等信息化和自動化功能進行擴展。

[1] 王站興,吳利謙.收獲機械電子監控裝置的研制[J].拖拉機與農用運輸車,2003(3):44-45.

[2] 陳進,李耀明.聯合收割機轉速監視報警裝置的研制[J].農機化研究,1997(4):57-59.

[3] 鄧玲黎,李耀明.我國水稻聯合收割機的現狀及發展趨勢[J].農機化研究,2001(2):4-6.

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

[5] 何宗鍵.Windows CE嵌入式系統[M].北京：北京航空航天大學出版社，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年畢業于哈爾濱工業大學機械制造專業，獲碩士學位，助理工程師；主要從事數據采集和運動控制的研究。

TH868

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504008

修改稿收到日期：2014-10-29。