专利名称：模块化自诊断检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于DSP的模块化自诊断系列组合检测仪，该检测仪具有故障自诊断功能，以DSP信息处理及控制为核心，可进行模块化检测组合的温度、应力、加速度、非接触电压、电流测量的检测。
背景技术：
常用物理量的数字检测仪器基本是由前端模拟信号检测电路、A/D转换电路、CPU数字信号处理电路、辅助人机接口电路几大部分组成。由于CPU数字信号处理电路的处理内容可编程、输入输出人机接口可兼容，这些检测仪器真正的差别只是前端的模拟信号检测部分，这些特点为模块化多功能组合信号检测仪器提供了条件。但是，由于模块接口的机械耐用性和电气抗干扰性对组合检测仪器性能影响较大，所以，接口的机械连接方式及电气抗干扰措施就成这类模块化组合检测仪器研制的关键技术问题。本发明采用特定的耐用机械接口方式，自主设计的电气接口抗干扰电路，使得模块化组合检测在保证检测精度的基础上，达到可反复拔插、灵活组合的模块化系列检测仪器，在保证检测精度的情况下，降低了成本，实现了多功能、高可靠、体积小、重量轻、高智能的常规物理量系列组合检测。
一般检测仪器不具备故障自诊断功能，只能通过检测数据的准确性判断仪器工作的状态，往往只有在检测结果出现明显错误时，才能发现仪器出现了故障，但是，故障出现的位置、时间都无法确知，这对用户检测数据的正确性、可靠性是一个潜在的不利影响，如果检测数据变化不明显，就会使用户将错误的检测数据误认为是正确的数据，从而影响用户的正常工作，尤其，在重要设备的检测场合，这些看不到的影响可能会产生重大事故隐患。所以，检测仪器本身的工作可靠性是十分重要的。针对这个问题，本发明设计了不同检测电路的特定故障点参数自检测电路，当故障点的电路参数出现故障状态时，都会自动通知从CPU故障位置、故障状态，CPU纪录故障时间、地点，并分析故障原因，给出排除故障的方法提示。因此，本发明在不提高仪器开发成本的基础上，具有更高的可靠性、准确性、智能性、可维护性。
实用检测仪器的模块化、低成本、高可靠一直是现代检测仪器研究的热点，随着电子计算机技术的发展，高智能的系统故障自诊断技术的介入，将对检测仪器的自动化研究提供新的研发途径。所以，本发明的模块化自诊断组合检测仪具有一定的理论意义和广泛的实用价值。

发明内容
本发明的目的之一是提供一种具有故障自诊断功能，以DSP信号处理及控制为核心，模块化可编程的系列组合检测仪器。可以分别或同时检测或监测温度、应力、加速度、电压、电流五个物理量。属于一种组合测量器具。
本发明的另一目的是采用硬件电路设置故障点的方法，实现检测电路的故障的监测。采用模式识别的方法，对故障进行分类识别、报警，提出排查方法及解决措施。采用硬件和软件抗措施，保证检测的准确性。
本发明利用常规接口实现检测仪器的模块化结构。仪器接口简单，使用方便，体积小，重量轻，可以连续拔插，不影响仪器的使用效果。而目前常用的模块化结构检测仪器基本都是采用以PC为核心，通过PC主板总线接口进行连接，使用不方便，模块化功能不突出。本发明可以很好地解决这些问题。
本发明利用检测电路中特定故障点的设置，使系统可以完成自动故障诊断，并及时进行报警处理、提示排除方法信息。而目前常用的检测仪器都不具备这个功能，使得使用中出现故障时无法告知用户，这也是常用检测仪表可靠性的一个常见问题。本发明可以通过电路的硬件设置和软件算法较好地解决这个问题。


图1是本发明的总体结构框图。
图2是本发明工作模式结构示意图。
图3是本发明自检流程框图。
图4是本发明故障中断判定框图。
图5是本发明抗干扰结构示意图。
图6是DSP的电路原理图。
图7是存储器、AD接口模块电路原理图。
图8是接口部分原理图。
图9是AD电路原理图。
具体实施例方式
本发明的一种模块化自诊断组合检测仪器，包括DSP、A/D转换器、以及对前端检测模块进行故障自诊断的故障自诊电路、前端检测模块(温度检测电路、应力检测电路、加速度检测电路、非接触电压检测电路、非接触电流检测电路、A/D转换电路)、显示器、键盘、电源管理电路，显示器、键盘、电源管理电路与DSP连接，A/D转换器通过接口J11与DSP的串口J4实现连接，前端检测模块通过AD接口J12、J13、J14与A/D转换器连接。
所述的CPU可以采用TMS320C5402数字信号处理器芯片，其各端子联接叙述如下(请参见图6所示)TMS320C5402数字信号处理器芯片共有144个端子，DSP的电源输入端4、33、56、75、112、130接+3.3V电源，DSP的电源输入端12、16、52、68、91、125、142接+1.8V电源，DSP的地输入端1、3、14、15、34、37、40、50、57、70、72、76、90、93、106、111、126、128、144接地，DSP的16条地址输出端131、132、133、134、136、137、138、139、140、141、5、7、8、9、10、11分别对应联接程序存储器U8的地址端24、25、26、27、28、29、30、31、32、35、36、37、38、39、40、41；也分别对应联接数据存储器U9的地址端5、4、3、2、1、44、43、42、27、26、25、24、21、20、19、18，DSP的16条数据输出端99、100、101、102、103、104、113、114、115、116、117、118、119、121、122、123分别对应联接程序存储器U8的数据端21、20、19、18、17、16、15、14、11、10、9、8、7、6、5、4；也分别对应联接数据存储器U9的数据端7、8、9、10、13、14、15、16、29、30、31、32、35、36、37、38，其程序存储器U8的电源输入端44接+3.3V电源；数据存储器U9的电源输入端11、33接+3.3V电源；程序存储器U8的地输入端12、34接地；数据存储器U9的地输入端12、34、39、40接地，DSP的程序选通端20接程序存储器U8的选通端3，数据选通端21联接数据存储器U9的选通端6，存储器控制信号输出端19、22联接J1的23、5端，DSP的读/写选通端23接程序存储器U8的读/写端43，也联接数据存储器U9的读/写端17，联接非门U7A的输入端9，非门U7A的输出端8联接程序存储器的选通端22，非门U7A的输出端8也接数据存储器的选通端41，DSP的8个主机接口引脚58、69、81、95、120、124、135、6端分别对应联接接口J2的10、22、9、21、8、20、7、19端，DSP的时钟模式端77、78、79分别对应联接拨动开关S2的8、7、6端，DSP的主机接口引脚13、17、18、39、46、51、55、62、127、129端分别对应联接接口J2的17、5、18、4、16、15、3、2、1、14端；
DSP的HPI模式选通92端接开关S2的10端；DSP的中断响应输出61端接J1的4端，外部中断输入端64、65、66、67分别对应联接J1的27、8、26和J2的6端，不可屏蔽中断输入端63联接开关S5的1端，DSP的复位端98接复位电路，DSP的微处理器/微型计算机模式选择32端联接开关S2的9端，DSP的多处理技术端信号27、31端分别对应联接J1的22、3端和P2的2、3端，信号27端也分别联接J3和J4的6端，DSP的振荡器/定时器信号96、97端联接外部晶振，DSP的时钟信号82端联接P2的1端，DSP的串口1的信号42、44、47、49、54、60端分别对应联接J4的9、4、8、3、7、2端，DSP的串口0的信号41、43、45、48、53、59端分别对应联接J3的9、4、8、3、7、2端，DSP的13、19、30、31、64、65、66、67端分别通过一个10K电阻接电源+3.3V。
本发明的A/D转换连线关系(请参见图9所示)A/D板采用的芯片是MAX147，其用20个端子，各端子的联接方式如下MAX147的1、2、3、4、5、6、7、8端分别联接0.01uF电容后接模拟地，9、13接模拟地，14端接数字地，11端联接通过电容C1后接模拟地，11端同时与稳压芯片U2的8端联接，11端同时接电阻R2后与12端联接，12端与20端联接，20端接电阻R1后接3.3V，20端同时分别与通过0.1uF无极性电容C4和1uF极性电容C5与模拟地联接(20脚接+)，U2的4端接模拟地。
下面对本发明的硬件电路设计进行说明(一)CPU芯片选择微计算机芯片作为智能仪器的核心，它的选择将决定仪器的总体结构。DSP数字信号处理器芯片是被设计为一种特别适合用于进行数字信号处理的微处理器。DSP不仅在运算速度上有了很大的提高，而且在通用性和灵活性方面有了极大地改进。此外，DSP芯片的成本、体积、重量和功耗也都有了很大程度的下降。本设计选择美国TI公司定点运算54系列中的TMS320VC5402 DSP芯片，其在100MHz时钟时的峰值运算速度可达100MIPS。DSP的作用主要是控制仪器组合模式，将控制各个检测模块的采样频率，将通过A/D模块转换得到的检测数据进行相应的处理，然后，送到LCD显示，检测可以实时进行。同时，DSP的中断响应各个检测板上传来的故障中断信号，通过故障识别算法，判断故障的位置、类型，在LCD上给出故障排查措施提示。
(二)温度传感器选择(温度检测模块)温度传感器的核心芯片选取AD595。本传感器是K型热电偶做为前端温度信号转换工具，AD595能对K型热电偶有较好的线性化，对温度的变化灵敏度较高，自带冷端补偿电路和过电流报警电路，而且测温范围广(-200℃～1200℃)。
(三)应力传感器选择(应力检测模块)应力检测采用了自主性比较强的应变片，测量者不仅可以根据实际情况，如应变变化的频率、测试引力的方向和大小等选择不同参数的应变片，甚至可以选择不同的应变化进行测量的比较。同时，采用应变片测量者也可以根据实际情况自主地引入适当的温度补偿，以满足测量精度的要求。
(四)加速度传感器选择(加速度检测模块)在振动测量中，把被测的振动力学参数转换成电学参数的装置称为振动测量传感器。在使用电测法来测量振动位移、速度和加速度时，由于三个参数可以互相转换，测振仪的组成根据所用传感器的不同而有不同的形式，所以测振仪主要是根据某种传感器来进行设计。振动测量中最常用到的传感器是位移、速度和加速度传感器。加速度传感器，通常可以作得比速度传感器的尺寸小、重量轻，且工作频率较宽。在测量时，不仅传感器对试件振动特性的影响(附加质量)小，而且，所测得结果也更接近某个点，而不是某个面的振动，同时能更好的适应振动频率的要求。由于压电式加速度传感器的输出阻抗较高(10MΩ以上)，故在与放大器联接时，中间必须经过阻抗变换进行匹配。使用阻抗变换时，希望离加速度传感器近一些，以避免信号能量的损耗。在阻抗变换与测振仪之间，如联接一放大器，可以提高测量的灵敏度。因此，本设计中传感器选择将前置放大器与压电式加速度传感器做成一体的传感器，它使用方便，性能可靠，抗干扰性强。
(五)非接触电压、电流传感器选择(电压、电流检测模块)非接触电压、电流传感器采用了霍尔元件进行磁电转换，从而将检测点与检测端进行电气隔离。由于霍尔元件的耐压高，使用方便，所以，本发明采用了霍尔元件进行大电流、高电压的非接触测量。
(六)A/D转换器与DSP的接口设计DSP核心板的接口J4通过9针接口与A/D板U10的接口J10相联接；(相应接口具体参数参看A/D板和DSP核心板)。这里，A/D板上还连接了各个前端检测模块的故障点中断入口信号，根据故障点的故障表征状态将中断设置成电平中断形式或脉冲中断形式。请参见图7所示。
根据图2所示的工作模式的选择，请补入与A/D板联接的中断电路？？？？(七)温度检测电路与A/D板的接口设计A/D板的J12接口通过15针接口与温度检测板的接口J1相联接？？？；温度板的故障点有三个①如果AD595的1、14与热电偶接触不好，会导制AD595的8、9脚的电压异常，如果出现异常电压，就会产生一个中断触发电平，它中断号为#11INT；②S2的2、3脚接通的时候为正常，1、4接通的时候，OUT1的输出电压值被电桥输出的电势值钳住不变化。此时，产生一个中断触发电平，它的中断号为#12INT；③U6的MAX492的最大允许输出电流为30毫安，当电流过大导致芯片发烫，因为U6？？？电压跟随器的输出负载只是100欧的电桥，所以要控制电压的输入，以防芯片发烫。因此，当输出电流超过30mA时，就会产生一个中断触发电平，它中断号为#13INT。
(八)应力检测电路与A/D板的接口设计A/D板的J14接口通过15针接口与应力检测板的接口J1相联接；应力板的故障点有一个恒流源部分的滑阻改变过程中，如果阻值过小会造成三极管工作状态的改变，使其脱离放大状态，此时，三极管的基极电压不能稳定在2.5V。因此，加入一个故障点，不正常状态就会产生一个中断触发电平，它中断号为#21INT。
(九)加速度检测电路及其与A/D板的接口设计A/D板的J14接口通过15针接口与加速度检测板的接口J1相联接。加速度板的故障点有2个，①单电源放大器的同向输入端的基准电压如果过高或过低，都将使检测精度受到影响，因此，设置电平检测点，不正常状态就会产生一个中断触发电平，它中断号为#31INT；②程控放大器转换不可靠，软件的判断就会出现错误，因此，设置电平检测点，不正常状态就会产生一个中断触发电平，它中断号为#32INT。
(十)电压、电流检测电路及其与A/D板的接口设计A/D板的J13接口通过15针接口与电压、电流检测板的接口J1相联接。电压板上有一个故障点只有工作于霍尔元件的线性段，才能保证检测结果的正确性，因此，设置电平检测点，不正常状态就会产生一个中断触发电平，它中断号为#41INT。
电流板上有一个故障点只有工作于霍尔元件的线性段，才能保证检测结果的正确性，因此，设置电平检测点，不正常状态就会产生一个中断触发电平，它中断号为#51INT。请参见图4所示。
在本发明中，自诊断共设有八个故障中断，而DSP只有4个外部中断，因此，采用中断扩展电路，如图7所示。
缓冲器U4的输入2端接电阻R3后接加速度检测模块的#32INT端口，4端接电阻R4后接温度检测模块的#13INT端口，6端接电阻R5后接温度检测模块#12INT，8端接电阻R6后接电压检测模块的#51INT端口，17端接电阻R7后接电流检测模块的#41INT端口，15端接电阻R8后接加速度检测模块的#31INT端口，13端接电阻R9后接应力检测模块的#21INT端口，11端接电阻R10后接温度检测模块的#11INT端口，这些中断信号分别通过缓冲器U4后，从18、16、14、12、3、5、7、9端输出，输出给译码器U5。U5的16端接3.3V电压，9端接DSP的U1的69端，7端接U1的81端，6端接U1的95端，8端接地。
在本发明中，检测仪可实现单一工作模式检测，也可实现2项、3项或多项工作模式检测。检测仪根据前端检测模块提供的5个模块进行组合，可以组合成6类测量不同数据的检测仪，工作模式的选择通过键盘输入实现，并在显示器上显示状态窗口及相关操作说明，其工作模式流程图请参见图2所示。
图中，通过DSP查询等待键盘的输入工作模式选择，如果是工作模式1转入单一温度检测模式，启动温度检测模块，并检测温度值，DSP通过A/D转换将获得检测值，噪声消除、数值计算等算法对检测信号进行处理，然后获得检测结果并将其结果显示到LCD上。判断有无停止键按下，有，则终止检测；无，则继续循环工作模式判断。同理可得，可以检测应力、加速度、非接触电压、非接触电流的检测。
在组合工作模式下，可以同时启动多个检测模块，各模块之间采用分时处理的方法获取检测值，并分别进行处理显示在显示器上。
在本发明中，为了解决前端检测模块中的信号干扰性能问题，在各检测模块输出端上设有电气接口电路来抗干扰，使得模块化组合的检测仪器在保证检测精度的基础上，达到可反复拔插、灵活组合，在保证检测精度的情况下，降低了成本，实现了多功能、高可靠、体积小、重量轻、高智能的常规物理量系列组合检测。(请参见图5所示)为了提高整个系统的抗干扰性能，本发明的设计人设计了统一+5V电源输入各模块电源隔离和自身电压等级管理的方案。由外部电源提供+5V电压给各模块，各模块的电源管理单元根据检测需要提供自身电路所需要的不同电压等级，使得各个模块之间不会产生电源交链的干扰形式，从而提高系统的整体抗干扰能力。
本发明检测仪经测试，其故障自动检测正确率98％；温度检测精度±5％；应力检测精度±5％；加速度检测精度±5％；电压检测精度±5％；电流检测精度±5％。
权利要求
1.一种基于DSP的模块化自诊断检测仪，包括显示器、键盘、电源管理电路、CPU、AD转换器、以及前端检测模块，前端检测模块由温度检测模块、应力检测模块、加速度检测模块、非接触电压检测模块、电流检测模块构成，其特征在于所述CPU为DSP处理器，并配有程序存储器和数据存储器；所述A/D转换器，在A/D转换器的接口电路上设有配有故障自诊电路与其联接；所述电源管理电路还包括抗干扰接口电路，电源管理电路给DSP、AD转换器、显示器、键盘提供电源，同时输出+5V和-5V电压分别给前端检测模块；DSP与A/D转换器通过串口连接，A/D转换器通过其设有的接口电路与前端检测模块分别相连，电源管理电路、显示电路、键盘电路分别与DSP电路相连。
2.根据权利要求1所述的自诊断检测仪，其特征在于DSP选取TMS320VC5402芯片，AD转换器选取MAX147芯片，程序存储器选取AT29LV1024芯片，数据存储器选取CY7C1021V33芯片，中断扩展选取74LCX240、74HC148、74HC30芯片。
3.根据权利要求1、2所述的自诊断检测仪，其特征在于DSP处理器U1的16条地址输出131、132、133、134、136、137、138、139、140、141、5、7、8、9、10、11端分别接程序存储器U8的地址24、25、26、27、28、29、30、31、32、35、36、37、38、39、40、41端，也分别对应接数据存储器U9的地址5、4、3、2、1、44、43、42、27、26、25、24、21、20、19、18端，U1的16条数据输出99、100、101、102、103、104、113、114、115、116、117、118、119、121、122、123端分别接程序存储器U8的数据21、20、19、18、17、16、15、14、11、10、9、8、7、6、5、4端，也分别接数据存储器U9的数据7、8、9、10、13、14、15、16、29、30、31、32、35、36、37、38端，其程序存储器U8的电源输入44端接+3.3V电源；数据存储器U9的电源输入11、33端接+3.3V电源，U1的程序选通20端接程序存储器U8的选通3端，U1的数据选通21端接数据存储器U9的选通6端，U1的存储器控制信号输出19、22端接J1的23、5端，U1的读/写选通23端接程序存储器U8的43端，接数据存储器U9的17端，接非门U7A的输入9端，非门U7A的输出8端联接程序存储器U8的选通22端，非门U7A的输出8端也接数据存储器U9的选通41端，U1的8个主机接口引脚58、69、81、95、120、124、135、6端分别接接口J2的10、22、9、21、8、20、7、19端，U1的时钟模式77、78、79端分别对应联接拨动开关S2的8、7、6端，U1的主机接口引脚13、17、18、39、46、51、55、62、127、129端分别接接口J2的17、5、18、4、16、15、3、2、1、14端，U1的HPI模式选通92联接开关S2的10端，U1的中断响应输出端61接J1的4端，外部中断输入端64、65、66、67分别对应联接J1的27、8、26和J2的6端，不可屏蔽中断输入端63联接开关S5的1端，U1的复位端98接复位电路，U1的微处理器/微型计算机模式选择32端联接开关S2的9端，U1的多处理技术端信号27、31端分别对应联接J1的22、3端和P2的2、3端，信号27端也分别联接J3和J4的6端，U1的振荡器/定时器信号96、97端接外部晶振，U1的时钟信号82端联接P2的1端，U1的串口1的信号42、44、47、49、54、60端分别接J4的9、4、8、3、7、2端，U1的串口0的信号41、43、45、48、53、59端分别接J3的9、4、8、3、7、2端，U1的13、19、30、31、64、65、66、67端分别通过一个10K电阻接电源+3.3V；A/D转换器U10的1、2、3、4、5、6、7、8端分别接0.01uF电容C6～C13后接模拟地，9、13端接模拟地，14端接数字地，11端接电容C1后接模拟地，11端同时与稳压芯片U2的8端联接，11端同时接电阻R2后与12端联接，12端与20端联接，20端接电阻R1后接3.3V，20端分别与无极性电容C4和极性电容C5联接后与模拟地联接，U2的4端接模拟地。
4.根据权利要求1所述的自诊断检测仪，其特征在于所述故障自诊断电路的设置是采集各检测模块的信息，通过中断和A/D采集相结合的进行故障诊断的方式。
5.根据权利要求1所述的自诊断组合检测仪，其特征在于故障自诊以前端检测模块故障点的故障表征状态设置成输出电平中断信号形式。
6.根据权利要求1所述的自诊断检测仪，其特征在于抗干扰接口电路，各模块之间的电源抗干扰。
7.根据权利要求1所述的自诊断检测仪，其特征在于故障点位置的设置反映检测电路的集中故障表现。
8.根据权利要求1所述的自诊断检测仪，其特征在于故障检测电路与正常电路之间的隔离采用射随器作缓冲器，使故障检测电路不影响各模块的正常工作。
9.根据权利要求1所述的自诊断检测仪，其特征在于可实现单一工作模式检测，也可实现多项组合工作模式检测。
10.根据权利要求1所述的自诊断检测仪，其特征在于故障自动检测正确率98％；温度检测精度±5％；应力检测精度±5％；加速度检测精度±5％；电压检测精度±5％；电流检测精度±5％。
全文摘要
本发明公开了一种具有自动故障诊断功能，可以有选择地完成温度、应力、加速度、非接触电压、电流测量的模块化组合检测仪，属于常规信号检测仪器，它由DSP、A/D转换器、前端检测模块，以及人机辅助交互的显示器和键盘组成，前端检测模块与A/D转换器相连，A/D转换器与DSP相连，DSP电路分别与电源管理电路、显示器、键盘相连。本发明的自诊断组合检测仪器除了可以通过不同的前端检测模块的选择和/或组合对所测信号进行实时检测之外，还可以通过各个检测模块上的故障点信息判断其自身模块是否出现故障，以及故障发生的原因、时间、位置，并关闭相应电路，避免故障扩大，同时，发出故障警报，提示故障解决方法。
文档编号G01R31/00GK1584510SQ20041000919
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月10日 优先权日2004年6月10日
发明者郑红, 王鹏, 付湘, 方智文, 李骅, 汪洋, 韩宇, 周星 申请人:北京航空航天大学