CN102279102B - 用于变速器故障诊断仪的档位信号预处理接口结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为用于变速器故障诊断仪的档位信号预处理接口结构及方法，属于电子技术类，其档位信号预处理接口结构由单片机单元、加载试验台电源接口、电源单元、档位与转速信号输入接口、输入光电隔离单元、输出光电隔离单元、电平转换单元、档位信号四通道并行编码输出接口、档位信号单通道串行方波输出接口、档位信号RS-232全双工异步串行输出接口及转速信号单通道变频方波输出接口所组成，对档位信号进行隔离、整形，可提供档位信号的四通道并行编码输出、单通道串行方波输出和全双工异步串行输出三种接口形式；其用于对转速信号滤波重构的方法，可在不改变转速信号相位关系的前提下去除干扰，重构转速信号，克服了现有带通滤波器的缺陷。

Description

用于变速器故障诊断仪的档位信号预处理接口结构及方法

技术领域

本发明属于电子应用技术类，涉及一种用于变速器故障诊断仪的档位信号预处理接口结构及方法，尤指对转速信号进行隔离、滤波重构，对档位信号进行隔离、整形、编码转换、并提供三种信号输出接口形式的用于变速器故障诊断仪的档位信号预处理接口结构及方法。

背景技术

变速器是汽车的主要部件之一，其产品质量直接影响整车的性能。对装配后的新变速器进行下线检测是生产过程必需的步骤。现有对新变速器的检测主要通过两个过程完成：首先，通过变速器加载试验台实现变速器装夹定位、变速器注油、加速或减速试验；然后，由操作人员或者基于振动噪声的故障分析仪侦听加载过程中的振动噪声，判断是否存在齿形偏差、齿轮制造误差、装配偏心、轮齿毛刺等故障。基于振动噪声分析的变速器故障诊断仪硬件主要由工控机、加速度传感器、转速传感器、数据采集卡和计数卡五大部分组成，即如附图1所示，包含有用于变速器加载试验台11，加速度传感器12，转速传感器13，数据采集卡15，计数卡16和工控机17的设备及装置。而在软件处理上至少需要三个参数，即加速度信号、转速信号和档位信号。加速度信号由数据采集卡采集加速度传感器信号得到。转速传感器输出转速信号，但该信号可能带有干扰。档位信号则由加载试验台以8路TTL电平信号的形式送出。转速信号和档位信号若直接传送给故障诊断仪，存在以下五个弊端：（1）转速信号的作用是用来确定变速运动过程中加速度信号的相位，转速信号夹带的干扰会导致加速度信号相位的移位，从而引起对变速器故障的误判断。（2）在工业现场条件下,档位信号在传输过程中通常会产生严重的畸变，易引起诊断系统的误判断；（3）故障诊断仪与加载试验台的供电电源为两路不同的交流电源,系统间的地线破坏性噪声和电涌会侵入板卡和工控机系统,导致板卡、工控机的损坏；（4）以8路TTL电平信号形式传送的档位信号占用接收设备过多的I/O通道，增加硬件成本；（5）由工控机直接处理转速信号和档位信号，占用CPU过多资源，增加CPU负担。因此，在将转速信号和档位信号送入故障诊断仪之前，有必要对信号进行预处理，主要包括对转速信号进行隔离、滤波重构，对档位信号进行隔离、整形、编码转换、并提供用户多种档位信号输出接口形式。

但是，现有的仪器或设备还没有专门为这一功能提供解决办法，中国实用新型专利申请号200420088002.2“汽车变速箱档位自动检测装置”提出了将档位检测磁控开关信号经过光电隔离后直接送给单片机，但此实用新型的信号未进行传输，也未进行整形，未提供用户可选择的档位信号输出方式；中国实用新型专利申请号03277649.7“汽车自动变速箱档位采集锁止控制器”，给出了档位信号采集方法，但此实用新型未对档位信号进行处理；中国实用新型专利申请号02260914.8“车辆数码档位显示器”，提出了一种译码电路处理档位信号，此实用新型专利虽对该信号进行了显示，但未对信号进行隔离、编码转换处理。综上情况，有必要设计一种实现对变速器故障诊断仪的档位与转速信号进行预处理的接口结构及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于变速器故障诊断仪的档位信号预处理接口结构及方法，对转速传感器输出的转速信号进行隔离、滤波重构，对加载试验台输出的档位信号进行隔离、整形、编码转换，提供用户四通道并行编码输出、单通道串行方波编码输出以及RS-232全双工异步串行输出三种用户可选择的档位信号形式，通过RS-232全双工异步串行接口接受用户下发的档位信号形式选择控制指令。

本发明的目的是这样实现的：设计一种档位与转速信号预处理接口结构，其设置电源单元提供装置所需要的电源并满足“工业自动化仪表用电源电压”标准要求；设置光电隔离器对信号进行隔离、整形；设置单片微处理器实现对档位与转速信号的预处理，以及对工控机下发的档位信号形式选择控制指令的处理。本发明设计的信号预处理方法包括将8位TTL电平档位信号转换成4位并行编码信号的方法，将8位TTL电平档位信号转换成单通道串行方波编码的方法，将8位TTL电平档位信号转换成全双工异步串行编码的方法以及对转速信号进行滤波重构的方法。该结构输出的转速信号以单通道变频方波信号的形式送入计数卡，输出的档位信号有三种形式：一种是以四通道并行编码输出的形式送入计数卡，另一种是以单通道串行方波编码输出的形式送入计数卡，第三种是以RS-232异步串行输出的形式直接送入工控机，用户选择哪种形式均可。

本发明的档位信号预处理接口结构由核心的单片机单元、加载试验台电源接口、电源单元、档位与转速信号信号接口、输入光电隔离单元、输出光电隔离单元、TTL/RS-232电平转换单元、档位信号四通道并行编码输出接口、档位信号单通道串行方波输出接口、转速信号单通道变频方波输出接口、RS-232全双工异步串行输出接口所组成，其中：

档位与转速信号输入接口与输入光电隔离单元电路电性连接；

输入光电隔离单元与单片机单元电性连接；

单片机单元还与输出光电隔离单元电性连接；

输出光电隔离单元与档位信号四通道并行编码输出接口、档位信号单通道串行方波输出接口及转速信号单通道变频方波输出接口电性连接；

单片机单元还与TTL/RS-232电平转换单元电性连接；

TTL/RS-232电平转换单元与RS-232全双工异步串行输出接口电性连接。

本发明的档位信号预处理接口结构的单片机单元由AVR型单片机构成；

电源单元由两个稳压模块及其外围电路组成，具有两路相互隔离的电源输出：其中一路电源输出为单片机单元、电平转换单元、输入光电隔离单元的信号输出侧、输出光电隔离单元的信号输入侧供电，另一路电源输出为输出光电隔离单元的信号输出侧供电；

输入光电隔离单元由光电耦合器构成；

输出光电隔离单元由光电耦合器构成；

TTL/RS-232电平转换单元由电平转换器MAX232及其外围电路组成。

加载试验台送来的八路TTL电平档位信号，以某一位为高电平，其余位为低电平代表包括空档在内的某一档位状态，采用由试验台八位档位信号转换成四位并行编码档位信号的形式将试验台八位档位信号转换为4位并行编码信号，用户可通过调整试验台8路信号的接入线序调整档位状态与4位并行编码信号的对应关系。

单通道串行方波编码方法以输出某一频率的连续方波码串表示某一档位状态，采用表2方法将加载试验台8位TTL电平档位信号转换为单通道串行方波编码输出信号，用户可通过调整试验台8路信号的接入线序调整档位状态与串行方波编码信号的对应关系。

表1：试验台8位档位信号—4位并行编码档位信号转换

档位状态	试验台8位档位信号	4位并行编码信号
			0	0000 0000	0000
1	0000 0001	0001
			2	0000 0011	0010
3	0000 0111	0011
			4	0000 1111	0100
5	0001 1111	0101
			6	0011 1111	0110
7	0111 1111	0111
			8	1111 1111	1000

表2：试验台8位档位信号—单路串行方波编码档位信号转换

档位状态	试验台8位档位信号	单路串行方波编码信号
			0	0000 0000	1Hz方波码串
1	0000 0001	50Hz方波码串
			2	0000 0011	100Hz方波码串
3	0000 0111	150Hz方波码串
			4	0000 1111	200Hz方波码串
5	0001 1111	250Hz方波码串
			6	0011 1111	300Hz方波码串
7	0111 1111	350Hz方波码串
			8	1111 1111	400Hz方波码串

RS-232全双工异步串行编码方法以如下编码格式的ASCII码串表示某一档位状态编码、选择控制指令和接收应答：

[定界符]、[命令字]、[校验和]、[回车结束符]。

其中：定界符为表示指令性质的单字节ASCII码字符；命令字为表示状态的两字节ASCII码字符；校验和为两字节ASCII码字符，等于定界符、命令字校验和的后2位；回车结束符为单字节ASCII码字符CR。

RS-232全双工异步串行编码的档位状态指令如表3，由工控机发给预处理接口的选择控制指令如表4，接收应答指令如表5。

表3：RS-232全双工异步串行编码的档位状态指令

定界符	命令字	校验和	结束符	说明
					$	00	32	CR	档位状态0
$	01	33	CR	档位状态1
					$	02	34	CR	档位状态2
$	03	35	CR	档位状态3
					$	04	36	CR	档位状态4
$	05	37	CR	档位状态5
					$	06	38	CR	档位状态6
$	07	39	CR	档位状态7
					$	08	40	CR	档位状态8

表4：RS-232全双工异步串行编码的工作状态选择控制指令

定界符	命令字	校验和	结束符	说明
					#	00	31	CR	工控机通知预处理接口以4位并行编码方式输出档位信号
#	01	32	CR	工控机通知预处理接口以单通道串行方波方式输出档位信号
					#	02	33	CR	工控机通知预处理接口以RS-232异步串行方式输出档位信号

表5：RS-232全双工异步串行编码的接收应答

定界符	命令字	校验和	结束符	说明
					！	00	29	CR	收到有效命令
？	00	59	CR	收到无效命令（校验错、无效指令）

转速信号是变频方波信号，用来确定变速运动过程中的相位。转速方波信号可能存在尖峰干扰、连续电平干扰、丢失干扰等。传统的带通滤波器是简单地将高频和低频干扰滤掉，这种方法丢失信号的相位。本发明采用下面方法滤波并重构转速信号，亦即对转速信号进行滤波重构的方法，具体为：

设当前转速信号方波脉冲计数为                                               

，脉冲宽度为

，最高转速对应的转速信号方波脉冲宽度为，最低转速对应的转速信号方波脉冲宽度为

，滤波重构后的转速信号方波脉冲计数为

，脉宽为

，则

。

 本发明的优点在于：

（1）本发明提供了一种新的用于与变速器故障诊断仪配套的档位与转速信号预处理接口结构，可提供档位状态信号的四通道并行编码、单通道串行方波编码和RS-232全双工异步串行ASCII码串三种档位状态信号输出接口形式，减少了对计数卡和工控机I/O设备资源的要求。

（2）本发明提供了一种新的用于对转速信号滤波和重构的方法，可以在不改变转速信号相位关系的前提下去除转速信号中的单脉冲尖峰干扰、多脉冲尖峰干扰、连续高电平干扰和脉冲丢失干扰，重构转速信号，克服了现有带通滤波器改变信号相位的缺陷。

（3）本发明对档位信号进行隔离、整形、编码转换，可以防止试验台和工控机间因地线破坏性噪声和电涌侵入导致的破坏。

（4）本发明在预处理接口结构中完成对转速信号的滤波、重构在线处理，减少了工控机数据处理的工作量。

附图说明

图1为现有及局部改进创新的变速器故障诊断仪系统组成框图。

图2为本发明的组成框图。

图3为本发明单片机单元、电源单元及电平转换单元组成原理图。

图4为本发明输入光电隔离单元和输出光电隔离单元组成原理图。

图5为转速信号滤波重构前后对比图。

图中序号含义：11.变速器加载试验台、12.加速度传感器 、13.转速传感器、14.档位与转速信号预处理接口结构、15.数据采集卡、16.计数卡、17.工控机；21.单片机单元、22.加载试验台电源接口、23.电源单元、24.档位与转速信号输入接口、25.输入光电隔离单元、26.输出光电隔离单元、27.TTL/RS-232电平转换单元、28.档位信号四通道并行编码输出接口、29.档位信号单通道串行方波输出接口、30.转速信号单通道变频方波输出接口、31.RS-232全双工异步串行输出接口；32.电源输出、33.另一电源输出。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见附图1，档位与转速信号预处理接口结构14为表示本发明在现有技术基础上的改进创新部分。

参见附图2，为本发明的组成框图，其档位与转速信号预处理接口结构以单片机单元21为核心，设置有加载试验台电源接口22，电源单元23、档位与转速信号输入接口24、输入光电隔离单元25、输出光电隔离单元26、TTL/RS-232电平转换单元27、档位信号四通道并行编码输出接口28、档位信号单通道串行方波输出接口29、转速信号单通道变频方波输出接口30、RS-232全双工异步串行输出接口31。加载试验台电源接口22接电源单元23的输入端，双电源输出，一路电源输出32为单片机单元21、TTL/RS-232电平转换单元27、输入光电隔离单元25的输出侧、输出光电隔离单元26的信号输入侧供电，另一路电源输出33为光电隔离单元26的信号输出侧供电。

档位与转速信号输入接口24与输入光电隔离单元25电性连接，输入光电隔离单元25与单片机单元21电性连接，单片机单元21还与输出光电隔离单元26电性连接，输出光电隔离单元26与档位信号四通道并行编码输出接口28、档位信号单通道串行方波输出接口29及转速信号单通道变频方波输出接口30电性连接，另外单片机单元21与TTL/RS-232电平转换单元27电性连接，TTL/RS-232电平转换单元27连接RS-232全双工异步串行输出接口31。

参见附图3，本实施例中的单片机单元21由ATMEL公司的ATMEGA16型单片机U1构成，单片机ATMEGA16具有上电复位功能，片内集成经过标定的RC振荡器，无需外围电路，上电即可工作。加载试验台电源接口22即插接口JK1，电源单元23由稳压集成电路U3、U4及其外围电路构成，稳压集成电路采用LM2567-5V降压型开关，LM2567降压型开关的特点是电源输入范围宽，输出功率大，外围电路简单，转换效率高，波形稳定，其输出满足工业自动化仪表电源要求，TTL/RS-232电平转换单元27由电平转换集成电路U2及其外围电路构成，U2采用MAX232，RS-232全双工异步串行输出接口31即为插接口JK3，JK2为单片机ATMEGA16的在系统编程插接口，MOSI、MISO、SCK、RESET为单片机在系统编程用引脚和信号。

参见附图4，本实施例中的档位与转速信号输入接口24即为插接口JK4，输入光电隔离单元25由光电隔离器T1、T2及其外围电路构成，输出光电隔离单元26由光电隔离器T4构成，T3是用于转速信号的输入输出光电隔离器，T1、T2、T3、T4采用TLP521-4型光电隔离器，档位信号四通道并行编码输出接口28、档位信号单通道串行方波输出接口29及转速信号单通道变频方波输出接口均对应插接口JK5。

附图3中的电源插接口JK1的24V电源来自加载试验台，经过2片稳压集成电路LM2567后，提供两路5V电源，分别为5V-A和5V-B，其中5V-B为输出光电隔离器T4的输出侧和T3第二个光电隔离管的输出侧供电，其余电路均由5V-A供电。

附图4中插接口JK4连接光电隔离器T1、T2、T3，Jin1、Jin2、Jin3、Jin4、Jin5、Jin6、Jin7、Jin8为来自加载试验台的用来表示档位的8位信号，Jin9为表示表示转速的单路脉冲信号，GND为信号地，该信号经过光电隔离器T1、T2、T3进行隔离、整形后输出，输出的8位档位信号用A0、A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7表示，转速信号用A8表示。光电隔离器T1、T2、T3与附图3中的单片机U1连接， A0、A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7分别接ATMEGA16单片机U1的PA0、PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7引脚，A8接ATMEGA16单片机U1的PC0引脚。单片机U1的引脚PD4、PD5、PD6、PD7、PC1与附图4中的光电隔离器T3、T4连接，单片机U1输出信号D4、D5、D6、D7经过光电隔离器T4进行隔离，输出信号D8通过光电隔离器T3进行隔离，光电隔离器T3、T4与插接口25连接，Jout1、Jout2、Jout3、Jout4为档位信号四通道并行编码输出信号线或档位信号单通道串行方波输出信号线，四通道并行输出时，用Jout1、Jout2、Jout3、Jout4 4条线，单通道串行方波输出时，用Jout1、Jout2、Jout3、Jout4中的哪条线均可。Jout5为转速信号单通道变频方波输出信号线。单片机U1还与TTL/RS-232电平转换器U2连接，单片机U1将8位信号转换成RS-232串行信号，TTL/RS-232电平转换器U2将该TTL电平信号转换成电气电平信号输出，TTL/RS-232电平转换器U2与插接口JK3连接，输出信号可直接送入工控机串口，提供用户RS-232全双工异步串行输出信号形式。

单片机U1编程实现将8位TTL电平档位信号转换成4位并行编码信号的方法，将8位TTL电平档位信号转换成单通道串行方波编码的方法，将8位TTL电平档位信号转换成全双工异步串行编码的方法以及对转速信号进行滤波重构的方法。

参见附图5，为转速信号滤波重构前后对比图，（a）图是带有单脉冲干扰、多脉冲干扰、连续干扰、脉冲丢失的转速信号，（b）图是滤波重构信号，△t1、△t2、……、△t8为变频方波的脉宽，采用本发明设计的滤波重构方法作用于转速信号后，不但干扰被滤掉，且保持了信号的相位。

Claims (5)

1.一种用于变速器故障诊断仪的档位信号预处理接口结构，包括变速器加载试验台（11）、加速度传感器(12)，转速传感器(13)，数据采集卡(15)，计数卡（16）和工控机(17)的设备及装置，其特征在于：

档位信号预处理接口结构由核心的单片机单元（21）、加载试验台电源接口（22）、电源单元（23）、档位与转速信号信号接口（24）、输入光电隔离单元（25）、输出光电隔离单元（26）、TTL/RS-232电平转换单元(27)、档位信号四通道并行编码输出接口（28）、档位信号单通道串行方波输出接口（29）、转速信号单通道变频方波输出接口（30）、RS-232全双工异步串行输出接口（31）所组成，其中：

档位与转速信号输入接口（24）与输入光电隔离单元电路（25）电性连接；

输入光电隔离单元（25）与单片机单元（21）电性连接；

单片机单元（21）与输出光电隔离单元（26）电性连接；

输出光电隔离单元（26）与档位信号四通道并行编码输出接口（28）、档位信号单通道串行方波输出接口（29）及转速信号单通道变频方波输出接口（30）电性连接；

单片机单元（21）还与TTL/RS-232电平转换单元（27）电性连接；

TTL/RS-232电平转换单元（27）与RS-232串行输出接口（30）电性连接。

2.依据权利要求1所述的用于变速器故障诊断仪的档位信号预处理接口结构，其特征在于：

单片机单元（21）由AVR型单片机构成；

电源单元（23）由两个稳压模块及其外围电路组成；

输入光电隔离单元（25）由光电耦合器构成；

输出光电隔离单元(26)由光电耦合器构成；

TTL/RS-232电平转换单元（27）由电平转换器MAX232及其外围电路组成。

3.依据权利要求1所述的用于变速器故障诊断仪的档位信号预处理接口结构，其特征在于：电源单元（23）具有两路电源输出，即电源输出（32）和另一电源输出（33），其中电源输出（32）为单片机单元（21）、TTL/RS-232电平转换单元（27）、输入光电隔离单元（25）的输出侧、输出光电隔离单元（26）的信号输入侧供电，另一路电源输出（33）为输出光电隔离单元（26）的信号输出侧供电。

4.一种根据权利要求1所述的用于变速器故障诊断仪的档位信号预处理接口结构的档位信号预处理接口的方法，其特征在于：该方法包括将8位TTL电平档位信号转换成4位并行编码信号的方法，将8位TTL电平档位信号转换成单通道串行方波编码的方法，和将8位TTL电平档位信号转换成全双工异步串行编码的方法。

5.一种根据权利要求1所述的用于变速器故障诊断仪的档位信号预处理接口结构的档位信号预处理接口的方法，其特征在于：其中，对转速信号进行滤波重构的方法，具体为：设当前转速信号方波脉冲计数为n，脉冲宽度为△t_n，最高转速对应的转速信号方波脉冲宽度为△t_min，最低转速对应的转速信号方波脉冲宽度为△t_max，滤波重构后的转速信号方波脉冲计数为m，脉宽为△t_m，则

$f({\mathrm{\&Delta;t}}_m,m)=\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&Delta;t}}_n,& n& ({\mathrm{\&Delta;t}}_{\min }<\mathrm{\&Delta;t}<{\mathrm{\&Delta;t}}_{\max })\\ {\mathrm{\&Delta;t}}_n^k,& n,& n=n+1(k=\mathrm{1,2},...,\frac{{2\mathrm{\&Delta;t}}_m}{{\mathrm{\&Delta;t}}_{m-1}+{\mathrm{\&Delta;t}}_{m-2}};{\mathrm{\&Delta;t}}_n>{\mathrm{\&Delta;t}}_{\max }).\end{array}\right.$

Images