[發(fā)明專利]一種電池供電式應(yīng)變多維力傳感器故障診斷系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510974144.1
• 申請日: 2015-12-21
• 公開（公告）號: CN105606300B
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊雙龍;徐科軍;邵春莉;舒張平;許偉
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01L25/00
• 分類號: G01L25/00;G01R31/28
• 代理公司: 合肥金安專利事務(wù)所34114
• 代理人: 金惠貞

1.一種電池供電式應(yīng)變多維力傳感器故障診斷系統(tǒng)，用于對應(yīng)變式多維力傳感器各通道測量電路故障進(jìn)行在線自動(dòng)檢測，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其特征在于：

系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心，采用恒流激勵(lì)與矩陣掃測的方法實(shí)現(xiàn)對最多8個(gè)通道的應(yīng)變式多維力傳感器測量電路的短路、斷路、虛短、虛斷故障的自動(dòng)檢測，且采用電池供電，功耗低、便于攜帶；系統(tǒng)所診斷的應(yīng)變式多維力傳感器由傳感器基體和測量電路組成，傳感器基體由鋼體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變梁組成，測量電路由應(yīng)變片搭建的惠斯頓電橋組成；

硬件系統(tǒng)包括電源管理模塊、恒流激勵(lì)模塊、矩陣開關(guān)掃描模塊、信號調(diào)理模塊、信號處理與控制模塊、邏輯控制模塊、人機(jī)接口模塊；電源管理模塊用于將電池的供電電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)其它各模塊所需的電源電壓；恒流激勵(lì)模塊產(chǎn)生恒定的激勵(lì)電流I_e用于故障診斷；矩陣開關(guān)掃描模塊用于故障診斷過程中切換應(yīng)變式多維力傳感器的通道，以為激勵(lì)電流I_e提供不同的掃描回路，實(shí)現(xiàn)對傳感器各通道進(jìn)行故障掃描；信號調(diào)理模塊用于對故障掃描過程中恒流激勵(lì)模塊的輸出電壓U_e進(jìn)行信號濾波和跟隨，以改善信噪比；信號處理與控制模塊主要為MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)，用于采集信號調(diào)理模塊輸出的信號，進(jìn)行處理來判定應(yīng)變式多維力傳感器的故障情況，并對系統(tǒng)各模塊的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)控制；邏輯控制模塊用于信號處理與控制模塊和恒流激勵(lì)模塊、矩陣開關(guān)掃描模塊之間的協(xié)調(diào)控制；人機(jī)接口模塊包括液晶屏和按鍵，以進(jìn)行人機(jī)交互；

軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括初始化模塊、AD采樣模塊、掃描控制模塊、故障診斷模塊、LCD顯示模塊、按鍵處理模塊和主程序模塊；初始化模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行變量、常量以及系統(tǒng)時(shí)鐘、看門狗的初始化；AD采樣模塊負(fù)責(zé)MSP430單片機(jī)片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)工作方式的配置、ADC采樣中斷的處理；掃描控制模塊負(fù)責(zé)硬件系統(tǒng)中恒流激勵(lì)模塊和矩陣開關(guān)掃描模塊的通訊控制；故障診斷模塊負(fù)責(zé)傳感器各通道的故障診斷；LCD顯示模塊負(fù)責(zé)硬件系統(tǒng)中人機(jī)接口模塊中的液晶屏的初始化及其顯示控制；按鍵處理模塊負(fù)責(zé)硬件系統(tǒng)中人機(jī)接口模塊中的按鍵所連接的MSP430單片機(jī)引腳的初始化和按鍵事件的中斷處理；主程序模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)軟件各程序模塊的統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)調(diào)控制。

2.如權(quán)利要求1所述的一種電池供電式應(yīng)變多維力傳感器故障診斷系統(tǒng)，其特征在于：硬件系統(tǒng)包含的電源管理模塊、恒流激勵(lì)模塊、矩陣開關(guān)掃描模塊、信號調(diào)理模塊、信號處理與控制模塊、邏輯控制模塊、人機(jī)接口模塊的結(jié)構(gòu)如下：

所述電源管理模塊由DC/DC變換器U1、LDO線性穩(wěn)壓器U2和LDO線性穩(wěn)壓器U3組成；DC/DC變換器U1用于將9V電池提供的電源轉(zhuǎn)換為5.5V電源，LDO線性穩(wěn)壓器U2和LDO線性穩(wěn)壓器U3再分別將5.5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V電源和5V電源給系統(tǒng)各模塊供電；

所述恒流激勵(lì)模塊由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)U4和壓流轉(zhuǎn)換(V/I)電路10組成；壓流轉(zhuǎn)換(V/I)電路10由運(yùn)算放大器A1和A2以及電阻R1、R2、R3、R4和R_J組成，其中R1＝R2，R3＝R4；信號處理與控制模塊通過SPI通訊控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)U4輸出電壓U_o，再經(jīng)壓流轉(zhuǎn)換(V/I)電路10轉(zhuǎn)換成激勵(lì)電流I_e并輸出，I_e＝U_o/R_J，恒流激勵(lì)模塊輸出端的電壓即為激勵(lì)電壓U_e；恒流激勵(lì)模塊采用5V電源供電以提供0～5V范圍的激勵(lì)電壓U_e；

所述矩陣開關(guān)掃描模塊由矩陣開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、開關(guān)S0和接線座P1組成；矩陣開關(guān)S1-S8均為模擬開關(guān)芯片，其a側(cè)的1個(gè)通道可由芯片內(nèi)部的數(shù)字開關(guān)控制與b側(cè)8個(gè)通道中的任意一個(gè)或多個(gè)通道接通，由外部SPI通訊寫入數(shù)據(jù)到其開關(guān)寄存器來實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制；矩陣開關(guān)S1、S2、S3、S4的a側(cè)通道0均接到恒流激勵(lì)模塊的激勵(lì)電流I_e的輸出端，矩陣開關(guān)S5、S6、S7、S8的a側(cè)通道0均接到恒流激勵(lì)模塊的激勵(lì)電流I_e的返回端，矩陣開關(guān)S1與S5的b側(cè)通道1-8一一對應(yīng)接在一起并連接到接線座P1的1-8引腳上，矩陣開關(guān)S2與S6的b側(cè)通道1-8一一對應(yīng)接在一起并連接到接線座P1的9-16引腳上，矩陣開關(guān)S3與S7的b側(cè)通道1-8一一對應(yīng)接在一起并連接到接線座P1的17-24引腳上，矩陣開關(guān)S4與S8的b側(cè)通道1-8一一對應(yīng)接在一起并連接到接線座P1的25-32引腳上；開關(guān)S0的a側(cè)通道0接到恒流激勵(lì)模塊的激勵(lì)電流I_e的返回端，開關(guān)S0的b側(cè)通道1接到接線座P1的0腳；接線座P1的0腳在應(yīng)用中接到應(yīng)變式多維力傳感器的基體上，接線座P1的k腳在應(yīng)用中與傳感器的第i通道的第j根輸出引線L_ij相連，其中，k＝1,2,3,…,32，i＝int((k-1)/4)+1且int((k-1)/4)表示取(k-1)除以4的結(jié)果的整數(shù)，j＝(k-1)％4+1且(k-1)％4表示取(k-1)除以4的結(jié)果的余數(shù)；系統(tǒng)工作時(shí)，由信號處理與控制模塊通過SPI和I/O來控制開關(guān)S0和矩陣開關(guān)S1-S8內(nèi)數(shù)字開關(guān)的通斷，以為激勵(lì)電流I_e提供不同的掃描回路；矩陣開關(guān)掃描模塊采用5V電源供電以降低S0、S1-S8的開關(guān)導(dǎo)通電阻；

所述信號調(diào)理模塊包含濾波電路、電壓跟隨電路和限幅保護(hù)電路，以降低激勵(lì)電壓U_e的噪聲并避免電壓超過信號處理與控制模塊的采樣量程，提高采樣精度；信號調(diào)理模塊由5V電源供電；

所述信號處理與控制模塊由MSP430單片機(jī)的最小系統(tǒng)組成，包括MSP430單片機(jī)、時(shí)鐘電路、JTAG仿真接口和復(fù)位電路；信號處理與控制模塊采用3.3V供電；

所述邏輯控制模塊由電平轉(zhuǎn)換電路和地址譯碼電路組成；電平轉(zhuǎn)換電路由電平轉(zhuǎn)換芯片組成，用于將信號處理與控制模塊輸出的3.3V邏輯電平的SPI通訊信號、地址選通信號和I/O控制信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的5V邏輯電平的控制信號；地址譯碼電路由4-10譯碼器組成，用于將信號處理與控制模塊輸出的地址選通信號譯碼成9個(gè)片選信號，分別用于恒流激勵(lì)模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)U4和矩陣開關(guān)掃描模塊中的8個(gè)矩陣開關(guān)S1-S8的選通控制，以通過一路SPI通訊總線對其進(jìn)行分時(shí)控制；邏輯控制模塊采用3.3V電源和5V電源供電；

所述人機(jī)接口模塊包括液晶屏和按鍵；液晶屏選用160×160點(diǎn)陣的COG液晶屏，由信號處理與控制模塊中的MSP430單片機(jī)通過SPI通訊總線控制；按鍵采用4按鍵方案，接至信號處理與控制模塊中的MSP430單片機(jī)上帶中斷功能的I/O口，用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和向系統(tǒng)發(fā)出控制指令；人機(jī)接口模塊采用3.3V電源供電。

3.如權(quán)利要求1所述的一種電池供電式應(yīng)變多維力傳感器故障診斷系統(tǒng)，其特征在于：系統(tǒng)軟件中的故障診斷模塊的診斷流程為故障診斷準(zhǔn)備→短路故障診斷→斷路故障診斷→故障分析與顯示；

所述故障診斷準(zhǔn)備的過程為：初始化短路故障掃測結(jié)果表與斷路故障掃測結(jié)果表→初始化矩陣開關(guān)S1-S8內(nèi)部的數(shù)字開關(guān)全部斷開、開關(guān)S0斷開→提示用戶設(shè)定應(yīng)變式多維力傳感器的通道數(shù)目n、傳感器所采用的應(yīng)變片阻值R、循環(huán)掃測次數(shù)M→計(jì)算激勵(lì)電流I_e以及恒流激勵(lì)模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)U4應(yīng)輸出的電壓U_o→通過SPI通訊將U_o值對應(yīng)的數(shù)字量輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)U4中；設(shè)MSP430單片機(jī)片上ADC的采樣范圍為0～U_f，則I_e和U_o的計(jì)算式為：

Ie=0.85Uf3R]]>

U_o＝I_eR_J

所述短路故障診斷過程為：先掃測傳感器各輸出引線與傳感器基體之間的短路故障情況，再掃測傳感器兩兩輸出引線之間的短路故障情況，如此循環(huán)重復(fù)M次；

a.傳感器輸出引線與傳感器基體之間的短路故障掃測步驟為：

①控制開關(guān)S0閉合將傳感器的基體與恒流激勵(lì)模塊的激勵(lì)電流I_e的返回端接通；

②控制矩陣開關(guān)S1-S4內(nèi)部的數(shù)字開關(guān)以將傳感器輸出引線L_ij與恒流激勵(lì)模塊的激勵(lì)電流I_e的輸出端接通；其中，i的取值范圍為1,2,3,…,n，j的取值范圍為1,2,3,4；

③采樣激勵(lì)電壓U_e；

④對U_e采用閾值比較法來判定短路故障，即若U_e<0.1I_eR，則判定該次掃測的傳感器輸出引線L_ij與傳感器基體短路，將判定結(jié)果記錄到短路故障掃測結(jié)果表中；

⑤改變i或j并重復(fù)前述步驟②③④直至傳感器所有的輸出引線全部掃測完；

b.傳感器兩兩引線之間短路故障的掃測步驟為：

①控制開關(guān)S0斷開；

②控制矩陣開關(guān)S1-S4中的數(shù)字開關(guān)使傳感器的輸出引線L_ij與恒流激勵(lì)模塊的激勵(lì)電流I_e的輸出端接通；其中，i的取值范圍為1,2,3,…,n，j的取值范圍為1,2,3,4；

③控制矩陣開關(guān)S5-S8中的數(shù)字開關(guān)使傳感器的輸出引線L_kl與恒流激勵(lì)模塊的激勵(lì)電流I_e的返回端接通；其中，k的取值范圍為i,i+1,…,n，l的取值范圍為1,2,3,4，且L_kl與L_ij不同時(shí)為傳感器的同一根輸出引線；

④采樣激勵(lì)電壓U_e；

⑤對U_e采用閾值比較法來判定短路故障，即若U_e<0.1I_eR，則判定該次掃測的傳感器輸出引線L_ij與L_kl短路，并將判定結(jié)果記錄到短路故障掃測結(jié)果表中；

⑥改變k或l并確保L_kl與L_ij不同時(shí)為傳感器的同一根輸出引線，重復(fù)前述步驟③④⑤直至k＝n且l＝4；

⑦改變i或j并重復(fù)前述步驟②③④⑤⑥直至i＝n且j＝4；

所述斷路故障診斷過程為：傳感器通道1斷路故障掃測→傳感器通道2斷路故障掃測→……→傳感器通道n斷路故障掃測，如此循環(huán)重復(fù)M次；

應(yīng)變式多維力傳感器1～n個(gè)通道中的第i通道的斷路故障掃測過程為：

①控制開關(guān)S0斷開；

②控制矩陣開關(guān)S1-S4和S5-S8內(nèi)的數(shù)字開關(guān)狀態(tài)使得應(yīng)變式多維力傳感器第i通道的4根輸出引線L_i4L_i3L_i2L_i1與恒流激勵(lì)模塊的激勵(lì)電流I_e的輸出端和返回端的連接狀態(tài)依次為0001/0010、0001/0100、0001/0110、0001/1000、0001/1010、0001/1100、0001/1110、0010/0100、0010/0101、0010/1000、0010/1001、0010/1100、0010/1101、0011/0100、0011/1000、0011/1100、0100/1000、0100/1001、0100/1010、0100/1011、0101/1000、0101/1010、0110/1000、0110/1001、0111/1000，共25種連接狀態(tài)，“/”前為L_i4L_i3L_i2L_i1與激勵(lì)電流I_e的輸出端之間的連接狀態(tài)編碼，“/”后為L_i4L_i3L_i2L_i1與激勵(lì)電流I_e的返回端之間的連接狀態(tài)編碼，4位連接狀態(tài)編碼與4根輸出引線L_i4L_i3L_i2L_i1一一對應(yīng)，“0”表示不接，“1”表示接通；

在L_i4L_i3L_i2L_i1與激勵(lì)電流I_e的輸出端和返回端之間的每個(gè)連接狀態(tài)下采樣激勵(lì)電壓U_e，計(jì)算歸一化負(fù)載阻值

RLB‾=UeIeR]]>

采用閾值比較法對歸一化負(fù)載阻值進(jìn)行編號：

當(dāng)時(shí)，編號為1；

當(dāng)時(shí)，編號為2；

當(dāng)時(shí)，編號為3；

當(dāng)時(shí)，編號為4；

當(dāng)時(shí)，編號為5；

當(dāng)時(shí)，編號為6；

當(dāng)時(shí)，編號為7；

當(dāng)時(shí)，編號為8；

當(dāng)時(shí)，為無窮大，編號為9；

當(dāng)為其它值時(shí)，編號為0；

據(jù)此得到L_i4L_i3L_i2L_i1與激勵(lì)電流I_e的輸出端和返回端之間在前述25種連接狀態(tài)下按順序掃測得到的的編號組合；

應(yīng)變式多維力傳感器第i通道的4根輸出引線L_i4、L_i3、L_i2、L_i1與4個(gè)橋臂B_i4、B_i3、B_i2、B_i1的斷路故障情況總共有256種，根據(jù)256種斷路故障情況計(jì)算得到的的編號組合可將斷路故障類型歸納為40類；斷路故障類型[1]～[40]所對應(yīng)的編號組合及其斷路故障狀態(tài)描述如下：

類型[1]：編號組合——5645343536443443543331433，故障描述——正常，無斷路故障；

類型[2]：編號組合——5649564539553494965493949，故障描述——L_i4斷路；

類型[3]：編號組合——5955353956464944999953644，故障描述——L_i3斷路；

類型[4]：編號組合——5959595959595999999995959，故障描述——L_i4、L_i3斷路；

類型[5]：編號組合——6746363867676766666632433，故障描述——B_i2斷路；

類型[6]：編號組合——6749674869686797978796949，故障描述——L_i4、B_i2斷路；

類型[7]：編號組合——6766343637643663876662766，故障描述——B_i3斷路；

類型[8]：編號組合——6768676637463676643362636，故障描述——B_i4斷路；

類型[9]：編號組合——6769676639663696976693969，故障描述——L_i4、B_i4、B_i3至少兩處斷路；

類型[10]：編號組合——6966363967676966999963766，故障描述——L_i3、B_i3、B_i2至少兩處斷路；

類型[11]：編號組合——6968686967474977999986747，故障描述——L_i3、B_i4斷路；

類型[12]：編號組合——6969696969696999666663636，故障描述——B_i4、B_i2斷路；

類型[13]：編號組合——6969696969696999999996969，故障描述——L_i4、L_i3、B_i4、B_i3、B_i2至少三處斷路；

類型[14]：編號組合——8776666667766443663332663，故障描述——B_i1斷路；

類型[15]：編號組合——8779877669866494976496979，故障描述——L_i4、B_i1斷路；

類型[16]：編號組合——8986666987777944999966774，故障描述——L_i3、B_i1斷路；

類型[17]：編號組合——8989898989898999999998989，故障描述——L_i4、L_i3、B_i1斷路；

類型[18]：編號組合——9665544999999654545433543，故障描述——L_i2斷路；

類型[19]：編號組合——9669966999999696969699969，故障描述——L_i4、L_i2斷路；

類型[20]：編號組合——9776644999999764878766876，故障描述——L_i2、B_i3斷路；

類型[21]：編號組合——9776666999999766666633663，故障描述——L_i2、B_i2、B_i1至少兩處斷路；

類型[22]：編號組合——9778877999999787646466646，故障描述——L_i2、B_i4斷路；

類型[23]：編號組合——9779977999999797979799979，故障描述——L_i4、L_i2至少一處斷路，B_i4、B_i3、B_i2、B_i1有一處或兩處斷路；

類型[24]：編號組合——9995555999999955999955995，故障描述——L_i3、L_i2斷路；

類型[25]：編號組合——9996666669966663996663996，故障描述——B_i3、B_i1斷路；

類型[26]：編號組合——9996666999999966999966996，故障描述——L_i3、L_i2、B_i3、B_i2、B_i1至少三處斷路；

類型[27]：編號組合——9998888999999988999988998，故障描述——L_i3、L_i2、B_i4斷路；

類型[28]：編號組合——9999999556644564553353444，故障描述——L_i1斷路；

類型[29]：編號組合——9999999559955595995595999，故障描述——L_i4、L_i1斷路；

類型[30]：編號組合——9999999667744674886686777，故障描述——L_i1、B_i3斷路；

類型[31]：編號組合——9999999667766676663363666，故障描述——L_i1、B_i4、B_i1至少兩處斷路；

類型[32]：編號組合——9999999669966696996696999，故障描述——L_i4、L_i1、B_i4、B_i3、B_i1至少三處斷路；

類型[33]：編號組合——9999999887777877666666444，故障描述——L_i1、B_i2斷路；

類型[34]：編號組合——9999999889988898998898999，故障描述——L_i4、L_i1、B_i2斷路；

類型[35]：編號組合——9999999996666966999999666，故障描述——L_i3、L_i1斷路；

類型[36]：編號組合——9999999997777977999999777，故障描述——L_i3、L_i1至少一處斷路，B_i4、B_i3、B_i2、B_i1有一處或兩處斷路；

類型[37]：編號組合——9999999999999999555555555，故障描述——L_i2、L_i1斷路；

類型[38]：編號組合——9999999999999999666666666，故障描述——L_i2、L_i1、B_i4、B_i2、B_i1至少三處斷路；

類型[39]：編號組合——9999999999999999888888888，故障描述——L_i2、L_i1、B_i3斷路；

類型[40]：編號組合——9999999999999999999999999，故障描述——嚴(yán)重?cái)嗦饭收?，即?56種斷路故障情況中除上述故障狀態(tài)外的其它斷路故障狀態(tài)；

據(jù)此，根據(jù)掃測得到的編號組合采用查表法與上述40類斷路故障所對應(yīng)的編號組合進(jìn)行比較，來判定第i通道的斷路故障類型，并記錄到斷路故障掃測結(jié)果表中；

③切換通道i，重復(fù)上述步驟②直至傳感器的所有n個(gè)通道全部掃測完；

所述故障分析與顯示的過程為：

①統(tǒng)計(jì)短路故障掃測結(jié)果表中應(yīng)變式多維力傳感器輸出引線L_ij與傳感器基體之間以及傳感器的輸出引線L_ij與L_kl之間的短路次數(shù)：

若短路次數(shù)等于循環(huán)掃測次數(shù)M，則判定L_ij與傳感器基體或L_ij與L_kl之間存在短路故障；

若短路次數(shù)在1到M-1之間，則判定L_ij與傳感器基體或L_ij與L_kl之間存在虛短故障；

若短路次數(shù)為0，則判定L_ij與傳感器基體或L_ij與L_kl之間無短路或虛短故障；

其中，i,k＝1,2,…,n，j,l＝1,2,3,4，L_ij與L_kl為傳感器的兩不相同的輸出引線；

②統(tǒng)計(jì)斷路故障掃測結(jié)果表中傳感器每個(gè)通道的斷路故障類型[1]～[40]出現(xiàn)的次數(shù)：

若斷路次數(shù)等于循環(huán)掃測次數(shù)M，則判定傳感器相應(yīng)通道該類斷路故障為斷路；

若斷路次數(shù)在1到M-1之間，則判定傳感器相應(yīng)通道該類斷路故障為虛斷；

若斷路次數(shù)為0，則判定傳感器相應(yīng)通道無該類斷路故障；

③將上述①②步分析的故障結(jié)果送到人機(jī)接口模塊中的液晶屏上顯示。