摘 要:针对传统机械测试系统中存在的仪器操作复杂、配置调试时间长、功能单一等缺点,设计了一套基于TEDS传感器和虚拟仪器技术的测试系统。采用先进的1-wire和PXI总线搭建了硬件平台。通过将TEDS植入传统传感器内,使得传感器具有自我标识的能力。基于虚拟仪器平台的TEDS传感器、自动配置线路、数据采集及分析等功能模块使用方便并可根据用户的需要进行定制。实验证明,该系统具有较强的实用性,代表了未来机械测试系统的一种发展方向。

随着机械装备复杂程度和机电一体化程度的不断提高,所需要的机械参量测试系统也越来越复杂。例如:在对汽车底盘系统进行压力、振动加速度、转速等各种机械参量测量时,需要大量的将不同类型机械参量转换为电参量的传感器及其配套仪器。由于被检测机械参量的类型多种多样,为使测量系统能够对来自各模拟传感器的信号进行正确的信号调理、模数转换与解析显示,就必须根据传感器的参数来精确地配置仪器,并将电压测量值转换到合理的工程单位。同时由于还需要人工对每个传感器通道进行单独布线、调试检验等工作。这样做不仅导致测试工作量大、测试准备耗费时间长等,直接影响检测诊断结果,同时也使得检测诊断系统功能较为单一,通用性受到很大限制。笔者以此为背景,设计了一套基于TEDS传感器和虚拟仪器技术的测试系统[1]。

1 系统设计基本思想及总体结构方案

111 系统设计基本思想

现有的机械测试系统由于传感器的接口类型不一致,信号调理的要求不同以及解析显示的方式各异在实际的测试工程当中存在着使用不方便,通用性差,测试效率不高等缺点。针对传统机械参量测试系统的上述缺点,基于智能传感器和虚拟仪器技术的测试系统开发的基本设计思想如下:

1)传统传感器的智能化改造[2]。通过对传统传感器进行改造,将具有信息储存能力的芯片(TEDS)移植到传统传感器内部,使其具有自我识别和即插即用的能力。同时通过对现有的常见传感器的接口进行规范化,扩大系统的通用性。

2)系统线路的自动配置。系统在传感器智能化的基础上,通过读取储存芯片里面的信息,判断出当前通道传感器所需的调理模块类型,并通过矩阵开关组成所需的拓扑结构完成系统线路的自动搭建。

3)数据采集和现场分析。在实际的测试实验当中往往需要同时测量几个参量的数据并希望能当场分析得出结果。通过在虚拟仪器上开发出相应的应用程序可以实现数据的多通道同步采集、工程单位换算以及进行一些常用的分析变换。针对特殊的场合还可以根据用户的需要进行模块定制,大部分数据都能做到现场处理。112 系统总体设计系统的硬件系统设计基于先进的1-wire和PXI总线,其具有扩展性好,稳定性强,对虚拟仪器技术的支持好等特点。而系统软件开发主要是基于功能强大的虚拟仪器技术平台(LabWindows/CVI),其能实现由软件取代传统仪器中的硬件并封装形成模块来完成传统仪器的功能。系统总体结构

传感器的有关信息通过PXI主机上的应用程序写到TEDS(DS2433)中,而TEDS又通过规范的接口和传统的传感器结合在一起,这样经标定过的智能传感器只要插到安装有TEDS读取程序的主机上,其里面的数据就可以随时被读取出来,引导测试系统完成电路地搭建和参数配置地操作。将本要求人工完成的,对每个传感器通道进行单独布线、配置测试仪器和调整等工作变成自动化。同时在PXI主机平台上开发出各类信号分析应用程序就可以进行数据的现场分析。

2 功能模块的实现

系统可分为三个大的模块,即TEDS传感器模块,自动配置线路模块和数据采集及分析模块。由于本文篇幅有限,这里重点介绍TEDS传感器模块的实现。

2.1 TEDS传感器的硬件改造

要使传感器智能化,就必须为其提供自我标识能力。同时作为信息存取的载体其本身还必须具有结构简单,通信方便可靠,适合传感器接口改造的特点[3]。Dallas公司的DS2433芯片体积小,重量轻,使用可靠的1-wire总线进行通信,适合作为TEDS信息的载体。将其植入传感器内部,传感器就具有了储藏信息的能力。图2是改造后传感器的结构图。芯片和传感器共用一根地线,他们的信号线是分开的,传输信号互不干扰[4]。

2.2 传感器自我标识的软件实现

其主要组成部分有激光刻制的64位ROM,(前8位是1-Wire家族代码,然后是48位的唯一序列号,最后8位是前56位的CRC检验码,确保其准确和全球唯一),256位的缓冲器(暂存器,用于写入数据时的暂存)以及4096位的EEPROM(用于存储数据)。所有的数据都通过1-WIREBUS与外界进行交换。TEDS信息以页面的形式存储在DS2433中。1-Wire总线是一种简单的信号交换架构,通过一条线路在主机与外围器件之间进行双向通信。所有1-Wire通信的第一步都需要总线控制器发出一个-复位.信号以使总线同步,然后选择一个受控器件进行随后的通信。1-Wire通信器件有几种不同的应用程序接口(API),例如PD、OWA-PI、OW.NET、OWCOM、TMEX等。他们都有自己的适用场合。TMEX是一套独立于Windows32位动态链接库的语言,它提供所有1-Wire器件的基本功能,包括用以支持存储器件的有限1-Wire文件结构。这种API被设计为在多进程、多线程程序争用同一或不同1-Wire端口时工作[5]。它支持DallasSemiconductor生产的所有1-Wire适配器。通过1-Wire端口访问DS2433的流程如下:初始化;ROM功能命令;存储器功能命令;传输数据[6]。在LabWindows/CVI平台上开发的读取TEDS信息程序的主要步骤如下:

1)TMReadDefaultPort(&PortNum,&PortType)(读取端口)。

2)session_handle=TMExtendedStartSession(PortNum,PortType,NULL);(获得句柄)

3)TMSetup(session_handle);(创建网络准备通信)。

4)TMFamilySearchSetup(session_handle,state_buffer,0x23);(寻找家族代码为0x23的器件)。

5)TMRom(session_handle,state_buffer,ROM);(读取ROM)

6)TMAccess(session_handle,state_buffer)(选择当前器件)。

7)TMBlockStream(session_handle,buf,len)(传送数据,TEDS的数据就在buf里面)。

8)TMEndSession(session_handle);(释放句柄,释放总线)。

写入数据的过程类似,先将数据写入缓存,再拷贝缓存内数据,再分页写到EEPROM。这样传感器与PXI主机就可以方便地进行信息交流,系统也就可以以这些信息为基础进行配置等工作。3 运行实例本实例以常见的齿轮箱为测试对象,通过测试其振动信号来判断齿轮箱的工作状态以及故障所在。系统要求八通道同时采集,并且八通道里面有两个压电式加速度传感器。接好各通道传感器后,启动系统软件。这时系统就会根据各传感器的信息将线路搭建好。图3是本次测试矩阵开关构成的拓扑结构图。

图3中的每一个节点都有一个继电器小开关,它的通断是由软件编程控制的。系统的工作顺序是,首先主机应用程序通过RS232通道扫描每个TEDS通道,读取每个传感器的有关配置信息并存储起来,然后系统在这些信息的指导下,控制各节点开关的通断,从而使得传感器找到各自的调理模块,完成了线路的搭建。

当选择编辑TEDS选项时,就进入了传感器参数编辑界面,在这里面可以读取和修改每个通道上传感器的有关信息。图4是通道1上所接传感器的电子数据表格信息,其反应的是该类型传感器参数的基本内容。包括传感器的灵敏度,量程,型号类型等信息。这些信息是测试时所需要的。当在主界面选择了进入系统按钮后就进入数据采集和数据分析的界面,在这里面可以进行各种类型数据的采集和分析,为后面的故障分析诊断提供依据。

4 结束语

实验表明,基于TEDS传感器和虚拟仪器技术的测试系统能够自动识别各个通道上的传感器类型,自动配置各个通道的调理模块,自动校准传感器。测试时可以进行单通道也可以进行多通道同步采样,并且还能对所采集的数据进行现场的数据分析,方便用户的现场分析诊断。与传统传感器测试系统相比具有通用性强,操作简单,智能化程度高等特点,具有广阔的应用前景。

TEDS型传感器：http://www.ndttech.net