柴油機故障診斷技術是一種了解和掌握柴油機在使用過程中的狀態，確定其整體或局部是否正常或異常，早期發現故障及其原因并能預報故障發展趨勢的技術。以船舶系統為例，現代船舶發電柴油機的運行狀態一般由機艙巡回監測報警系統進行監測。柴油機故障診斷是一種了解和掌握機器在運行過程的狀態，確定其整體或局部正常或異常，早期發現故障及其原因，并能預報故障發展趨勢的技術。油液監測、振動監測、噪聲監測、性能趨勢分析和無損探傷等為其主要的診斷技術方式。診斷技術發展幾十年來，產生了巨大的經濟效益，成為各國研究的熱點。從診斷技術的各分支技術來看，美國占有領先地位。美國的一些公司，如Bently，HP等，他們的監測產品基本上代表了當今診斷技術的最高水平，不僅具有完善的監測功能，而且具有較強的診斷功能，在宇宙、軍事、化工等方面具有廣泛的應用。美國西屋公司的三套人工智能診斷軟件（汽輪機TurbinAID，發電機GenAID，水化學ChemAID）對其所產機組的安全運行發揮了巨大的作用。還有美國通用電器公司研究的用于內燃電力機車故障排除的專家系統DELTA；美國NASA研制的用于動力系統診斷的專家系統；Delio Products公司研制的用于汽車發動機冷卻系統噪聲原因診斷的專家系統ENGING COOLING ADCISOR等。近年來，由于微機特別是便攜機的迅速發展，基于便攜機的在線、離線監測與診斷系統日益普及，如美國生產的M6000系列產品，得到了廣泛的應用。

1 監測裝置功能及原理

一個嵌入式系統裝置一般都由嵌入式計算機系統和執行裝置組成，嵌入式計算機系統是整個嵌入式系統的核心，由硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層組成。執行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統發出的控制命令，執行所規定的操作或任務。執行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的電機，當手機處于震動接收狀態時打開；也可以很復雜，如SONY 智能機器狗，上面集成了多個微小型控制電機和多種傳感器，從而可以執行各種復雜的動作和感受各種狀態信息。

圖1 是一種船舶發電柴油機運行狀態在線監測與故障診斷系統的硬件圖。該系統是運用信息融合原理，利用瞬時轉速信號和現有巡回監測與報警系統的熱工參數，船舶發電柴油機運行狀態在線監測與故障診斷系統主要包括：1）磁電式轉速傳感器，拾取發電柴油機瞬時轉速信號；2）嵌入式柴油機工作狀態監測裝置，采集瞬時轉速信號進行信號處理，進行現場數據診斷，通過現場總線將診斷數據輸送到上位微機系統；3）信號接口裝置，采集船舶電站系統已有的熱工參數，并完成與系統的隔離；4）嵌入式在線監測與診斷裝置，是一個以嵌入式工業微機為主體的數據處理和故障診斷專家系統，完成數據管理和故障診斷功能。

嵌入式柴油機工作狀態監測裝置為船舶發電柴油機故障診斷和狀態監測系統的核心。可以實現對柴油機轉速、溫度、壓力等參數的采集，并通過現場總線將數據輸送到嵌入式微機系統。它是以TMS 320C 2407a數字信號處理器（簡稱DSP）為主的現場采集和數據處理的小型專家系統。DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號。再對數字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。

該裝置診斷原理：DSP以定頻率采集柴油機瞬時轉速信號數據，并對數據進行齒平均、數字濾波和整周期平均計算，求取瞬時轉速數據作快速傅里葉變換，求出頻域相關特征值。DSP結合熱工參數，由專家系統得到結果。

2 監測裝置硬件設計

裝置硬件組成原理如圖2所示。圖中作為輔助分析的熱工參數通過信號調理模塊，由DSP的A/D模塊轉換即可。瞬時轉速是通過安裝在飛輪處的磁電傳感器獲取，發火上死點由輸油管上的壓力傳感器經過電荷放大器獲取。裝置工作流程：1）DSP的A/D模塊采集熱工參數；2）DSP的A/D模塊結合其時鐘管理器參考油壓觸發信號以定頻率采集瞬時轉速；3）由DSP對瞬時轉速進行處理，結合輔助熱工參數由DSP內部專家系統進行診斷分析，得出柴油機是否有故障。如有故障，則專家系統列出所有可能故障，分析其原因，確定處理方案；4）通過DSP的CAN模塊，將故障數據，以及專家系統分析出的方案上傳給上位微機，做數據保存及日后分析。

3 程序設計

監測裝置的程序設計可分為4 部分：1）熱工參數采集；2）瞬時轉速提取；3）專家系統分析；4）實驗數據上傳。其各部分實現方法為：

1）將信號調理到A/D轉換模塊合適的幅值范圍，利用DSP的A/D轉換模塊可實現對熱工參數的采集。

2）利用DSP的A/D轉換結合定時器功能，過程為：（1）設置全局通用定時器控制寄存器GPTCONA 的位8或7通用定時器；（2）啟動模數轉換事件（T1TOADC）由周期中斷標志來啟動模數轉換；（3）設置定時器的周期寄存器。具體大小應通過DSP的外部時鐘源及內部鎖相環的值而定；（4）設置定時器控制寄存器，確定記數模式為連續增，調整輸入時鐘的欲定標系數以及時鐘源；（5）清零記數器，屏蔽事件管理器中斷；（6）復位ADC模塊，設置轉換通道個數及排序器順序，禁止ADC轉換結束中斷。

具體代碼為

void adinit（ void ）

{

* GPTCONA = 0x0100；

* T1PR = 0x018f；

* T1CON = 0x100c；

* T1CNT = 0x 0000；

* EVAIMRA = 0x0000；

* EVAIFRA = 0xffff；

* ADCTRL1 = 0x4000；

* MAX_CONV = 0x0001；

* CHSELSEQ1 = 0x3221；

* ADCTRL1 = 0x0000；

* ADCTRL2= 0x4300；

}

完成對定頻率采集的DSP初始化設置后，可以通過啟動定時器和查詢ADCTRL2的PS9位狀態來得到采集結果。

3）專家系統是由推理系統、解釋系統、知識獲取系統以及數據庫和知識庫5個模塊組成。這里，數據庫是指經過處理的采集數據，而知識庫是固化在DSP中的判斷條件。

dSP通過數據庫中的處理數據，利用本身的知識庫即可實現柴油機的故障分析。當然知識庫是在大量的實驗和經驗的基礎上建立起來的。專家系統的工作流程如圖3所示。DSP系統是一個小型的處理系統，其在片的資源遠沒有系統微機完備，所以，它只能完成專家系統的部分功能。整套的專家系統還是要結合上位微機來實現。例如：測量各缸爆發壓力時，輔機在正常運轉，推理時可以只要調用當前的其他參數；而維修時測得的數據，需要調用歷史數據庫的數據來綜合診斷，此時單憑DSP已經無能為力，所以推理系統是由上位機進行。

4）數據上傳主要實現DSP于上位微機的數據交換。

4 結 語

該套嵌入式柴油機工作狀態監測裝置能夠運用自身的專家系統獨立實時在線診斷柴油機工作狀態，并通過其CAN總線接口將數據上傳給上位診斷系統，減少上位系統工作[5]。該套監測裝置若配有顯示模塊，同樣可作為獨立的監測報警裝置用于機車、汽車及其他場合。