[发明专利]一种电池供电式应变多维力传感器故障诊断系统

权利要求书

1.一种电池供电式应变多维力传感器故障诊断系统，用于对应变式多维力传感器各通道测量电路故障进行在线自动检测，包括硬件系统和软件系统，其特征在于：

系统以MSP430单片机为核心，采用恒流激励与矩阵扫测的方法实现对最多8个通道的应变式多维力传感器测量电路的短路、断路、虚短、虚断故障的自动检测，且采用电池供电，功耗低、便于携带；系统所诊断的应变式多维力传感器由传感器基体和测量电路组成，传感器基体由钢体结构的应变梁组成，测量电路由应变片搭建的惠斯顿电桥组成；

硬件系统包括电源管理模块、恒流激励模块、矩阵开关扫描模块、信号调理模块、信号处理与控制模块、逻辑控制模块、人机接口模块；电源管理模块用于将电池的供电电压转换为系统其它各模块所需的电源电压；恒流激励模块产生恒定的激励电流I_e用于故障诊断；矩阵开关扫描模块用于故障诊断过程中切换应变式多维力传感器的通道，以为激励电流I_e提供不同的扫描回路，实现对传感器各通道进行故障扫描；信号调理模块用于对故障扫描过程中恒流激励模块的输出电压U_e进行信号滤波和跟随，以改善信噪比；信号处理与控制模块主要为MSP430单片机最小系统，用于采集信号调理模块输出的信号，进行处理来判定应变式多维力传感器的故障情况，并对系统各模块的工作进行协调控制；逻辑控制模块用于信号处理与控制模块和恒流激励模块、矩阵开关扫描模块之间的协调控制；人机接口模块包括液晶屏和按键，以进行人机交互；

软件系统采用模块化设计，包括初始化模块、AD采样模块、扫描控制模块、故障诊断模块、LCD显示模块、按键处理模块和主程序模块；初始化模块负责系统运行变量、常量以及系统时钟、看门狗的初始化；AD采样模块负责MSP430单片机片上模数转换器(ADC)工作方式的配置、ADC采样中断的处理；扫描控制模块负责硬件系统中恒流激励模块和矩阵开关扫描模块的通讯控制；故障诊断模块负责传感器各通道的故障诊断；LCD显示模块负责硬件系统中人机接口模块中的液晶屏的初始化及其显示控制；按键处理模块负责硬件系统中人机接口模块中的按键所连接的MSP430单片机引脚的初始化和按键事件的中断处理；主程序模块负责系统软件各程序模块的统一调度、协调控制。

2.如权利要求1所述的一种电池供电式应变多维力传感器故障诊断系统，其特征在于：硬件系统包含的电源管理模块、恒流激励模块、矩阵开关扫描模块、信号调理模块、信号处理与控制模块、逻辑控制模块、人机接口模块的结构如下：

所述电源管理模块由DC/DC变换器U1、LDO线性稳压器U2和LDO线性稳压器U3组成；DC/DC变换器U1用于将9V电池提供的电源转换为5.5V电源，LDO线性稳压器U2和LDO线性稳压器U3再分别将5.5V电源转换为3.3V电源和5V电源给系统各模块供电；

所述恒流激励模块由数模转换器(DAC)U4和压流转换(V/I)电路10组成；压流转换(V/I)电路10由运算放大器A1和A2以及电阻R1、R2、R3、R4和R_J组成，其中R1＝R2，R3＝R4；信号处理与控制模块通过SPI通讯控制数模转换器(DAC)U4输出电压U_o，再经压流转换(V/I)电路10转换成激励电流I_e并输出，I_e＝U_o/R_J，恒流激励模块输出端的电压即为激励电压U_e；恒流激励模块采用5V电源供电以提供0～5V范围的激励电压U_e；

所述矩阵开关扫描模块由矩阵开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、开关S0和接线座P1组成；矩阵开关S1-S8均为模拟开关芯片，其a侧的1个通道可由芯片内部的数字开关控制与b侧8个通道中的任意一个或多个通道接通，由外部SPI通讯写入数据到其开关寄存器来实现开关控制；矩阵开关S1、S2、S3、S4的a侧通道0均接到恒流激励模块的激励电流I_e的输出端，矩阵开关S5、S6、S7、S8的a侧通道0均接到恒流激励模块的激励电流I_e的返回端，矩阵开关S1与S5的b侧通道1-8一一对应接在一起并连接到接线座P1的1-8引脚上，矩阵开关S2与S6的b侧通道1-8一一对应接在一起并连接到接线座P1的9-16引脚上，矩阵开关S3与S7的b侧通道1-8一一对应接在一起并连接到接线座P1的17-24引脚上，矩阵开关S4与S8的b侧通道1-8一一对应接在一起并连接到接线座P1的25-32引脚上；开关S0的a侧通道0接到恒流激励模块的激励电流I_e的返回端，开关S0的b侧通道1接到接线座P1的0脚；接线座P1的0脚在应用中接到应变式多维力传感器的基体上，接线座P1的k脚在应用中与传感器的第i通道的第j根输出引线L_ij相连，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的结果的整数，j＝(k-1)％4+1且(k-1)％4表示取(k-1)除以4的结果的余数；系统工作时，由信号处理与控制模块通过SPI和I/O来控制开关S0和矩阵开关S1-S8内数字开关的通断，以为激励电流I_e提供不同的扫描回路；矩阵开关扫描模块采用5V电源供电以降低S0、S1-S8的开关导通电阻；

所述信号调理模块包含滤波电路、电压跟随电路和限幅保护电路，以降低激励电压U_e的噪声并避免电压超过信号处理与控制模块的采样量程，提高采样精度；信号调理模块由5V电源供电；

所述信号处理与控制模块由MSP430单片机的最小系统组成，包括MSP430单片机、时钟电路、JTAG仿真接口和复位电路；信号处理与控制模块采用3.3V供电；

所述逻辑控制模块由电平转换电路和地址译码电路组成；电平转换电路由电平转换芯片组成，用于将信号处理与控制模块输出的3.3V逻辑电平的SPI通讯信号、地址选通信号和I/O控制信号转换为相应的5V逻辑电平的控制信号；地址译码电路由4-10译码器组成，用于将信号处理与控制模块输出的地址选通信号译码成9个片选信号，分别用于恒流激励模块中的数模转换器(DAC)U4和矩阵开关扫描模块中的8个矩阵开关S1-S8的选通控制，以通过一路SPI通讯总线对其进行分时控制；逻辑控制模块采用3.3V电源和5V电源供电；

所述人机接口模块包括液晶屏和按键；液晶屏选用160×160点阵的COG液晶屏，由信号处理与控制模块中的MSP430单片机通过SPI通讯总线控制；按键采用4按键方案，接至信号处理与控制模块中的MSP430单片机上带中断功能的I/O口，用于设置系统参数和向系统发出控制指令；人机接口模块采用3.3V电源供电。

3.如权利要求1所述的一种电池供电式应变多维力传感器故障诊断系统，其特征在于：系统软件中的故障诊断模块的诊断流程为故障诊断准备→短路故障诊断→断路故障诊断→故障分析与显示；

所述故障诊断准备的过程为：初始化短路故障扫测结果表与断路故障扫测结果表→初始化矩阵开关S1-S8内部的数字开关全部断开、开关S0断开→提示用户设定应变式多维力传感器的通道数目n、传感器所采用的应变片阻值R、循环扫测次数M→计算激励电流I_e以及恒流激励模块中的数模转换器(DAC)U4应输出的电压U_o→通过SPI通讯将U_o值对应的数字量输出到数模转换器(DAC)U4中；设MSP430单片机片上ADC的采样范围为0～U_f，则I_e和U_o的计算式为：

Ie=0.85Uf3R]]>

U_o＝I_eR_J

所述短路故障诊断过程为：先扫测传感器各输出引线与传感器基体之间的短路故障情况，再扫测传感器两两输出引线之间的短路故障情况，如此循环重复M次；

a.传感器输出引线与传感器基体之间的短路故障扫测步骤为：

①控制开关S0闭合将传感器的基体与恒流激励模块的激励电流I_e的返回端接通；

②控制矩阵开关S1-S4内部的数字开关以将传感器输出引线L_ij与恒流激励模块的激励电流I_e的输出端接通；其中，i的取值范围为1,2,3,…,n，j的取值范围为1,2,3,4；

③采样激励电压U_e；

④对U_e采用阈值比较法来判定短路故障，即若U_e<0.1I_eR，则判定该次扫测的传感器输出引线L_ij与传感器基体短路，将判定结果记录到短路故障扫测结果表中；

⑤改变i或j并重复前述步骤②③④直至传感器所有的输出引线全部扫测完；

b.传感器两两引线之间短路故障的扫测步骤为：

①控制开关S0断开；

②控制矩阵开关S1-S4中的数字开关使传感器的输出引线L_ij与恒流激励模块的激励电流I_e的输出端接通；其中，i的取值范围为1,2,3,…,n，j的取值范围为1,2,3,4；

③控制矩阵开关S5-S8中的数字开关使传感器的输出引线L_kl与恒流激励模块的激励电流I_e的返回端接通；其中，k的取值范围为i,i+1,…,n，l的取值范围为1,2,3,4，且L_kl与L_ij不同时为传感器的同一根输出引线；

④采样激励电压U_e；

⑤对U_e采用阈值比较法来判定短路故障，即若U_e<0.1I_eR，则判定该次扫测的传感器输出引线L_ij与L_kl短路，并将判定结果记录到短路故障扫测结果表中；

⑥改变k或l并确保L_kl与L_ij不同时为传感器的同一根输出引线，重复前述步骤③④⑤直至k＝n且l＝4；

⑦改变i或j并重复前述步骤②③④⑤⑥直至i＝n且j＝4；

所述断路故障诊断过程为：传感器通道1断路故障扫测→传感器通道2断路故障扫测→……→传感器通道n断路故障扫测，如此循环重复M次；

应变式多维力传感器1～n个通道中的第i通道的断路故障扫测过程为：

①控制开关S0断开；

②控制矩阵开关S1-S4和S5-S8内的数字开关状态使得应变式多维力传感器第i通道的4根输出引线L_i4L_i3L_i2L_i1与恒流激励模块的激励电流I_e的输出端和返回端的连接状态依次为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种连接状态，“/”前为L_i4L_i3L_i2L_i1与激励电流I_e的输出端之间的连接状态编码，“/”后为L_i4L_i3L_i2L_i1与激励电流I_e的返回端之间的连接状态编码，4位连接状态编码与4根输出引线L_i4L_i3L_i2L_i1一一对应，“0”表示不接，“1”表示接通；

在L_i4L_i3L_i2L_i1与激励电流I_e的输出端和返回端之间的每个连接状态下采样激励电压U_e，计算归一化负载阻值

RLB‾=UeIeR]]>

采用阈值比较法对归一化负载阻值进行编号：

当时，编号为1；

当时，编号为2；

当时，编号为3；

当时，编号为4；

当时，编号为5；

当时，编号为6；

当时，编号为7；

当时，编号为8；

当时，为无穷大，编号为9；

当为其它值时，编号为0；

据此得到L_i4L_i3L_i2L_i1与激励电流I_e的输出端和返回端之间在前述25种连接状态下按顺序扫测得到的的编号组合；

应变式多维力传感器第i通道的4根输出引线L_i4、L_i3、L_i2、L_i1与4个桥臂B_i4、B_i3、B_i2、B_i1的断路故障情况总共有256种，根据256种断路故障情况计算得到的的编号组合可将断路故障类型归纳为40类；断路故障类型[1]～[40]所对应的编号组合及其断路故障状态描述如下：

类型[1]：编号组合——5645343536443443543331433，故障描述——正常，无断路故障；

类型[2]：编号组合——5649564539553494965493949，故障描述——L_i4断路；

类型[3]：编号组合——5955353956464944999953644，故障描述——L_i3断路；

类型[4]：编号组合——5959595959595999999995959，故障描述——L_i4、L_i3断路；

类型[5]：编号组合——6746363867676766666632433，故障描述——B_i2断路；

类型[6]：编号组合——6749674869686797978796949，故障描述——L_i4、B_i2断路；

类型[7]：编号组合——6766343637643663876662766，故障描述——B_i3断路；

类型[8]：编号组合——6768676637463676643362636，故障描述——B_i4断路；

类型[9]：编号组合——6769676639663696976693969，故障描述——L_i4、B_i4、B_i3至少两处断路；

类型[10]：编号组合——6966363967676966999963766，故障描述——L_i3、B_i3、B_i2至少两处断路；

类型[11]：编号组合——6968686967474977999986747，故障描述——L_i3、B_i4断路；

类型[12]：编号组合——6969696969696999666663636，故障描述——B_i4、B_i2断路；

类型[13]：编号组合——6969696969696999999996969，故障描述——L_i4、L_i3、B_i4、B_i3、B_i2至少三处断路；

类型[14]：编号组合——8776666667766443663332663，故障描述——B_i1断路；

类型[15]：编号组合——8779877669866494976496979，故障描述——L_i4、B_i1断路；

类型[16]：编号组合——8986666987777944999966774，故障描述——L_i3、B_i1断路；

类型[17]：编号组合——8989898989898999999998989，故障描述——L_i4、L_i3、B_i1断路；

类型[18]：编号组合——9665544999999654545433543，故障描述——L_i2断路；

类型[19]：编号组合——9669966999999696969699969，故障描述——L_i4、L_i2断路；

类型[20]：编号组合——9776644999999764878766876，故障描述——L_i2、B_i3断路；

类型[21]：编号组合——9776666999999766666633663，故障描述——L_i2、B_i2、B_i1至少两处断路；

类型[22]：编号组合——9778877999999787646466646，故障描述——L_i2、B_i4断路；

类型[23]：编号组合——9779977999999797979799979，故障描述——L_i4、L_i2至少一处断路，B_i4、B_i3、B_i2、B_i1有一处或两处断路；

类型[24]：编号组合——9995555999999955999955995，故障描述——L_i3、L_i2断路；

类型[25]：编号组合——9996666669966663996663996，故障描述——B_i3、B_i1断路；

类型[26]：编号组合——9996666999999966999966996，故障描述——L_i3、L_i2、B_i3、B_i2、B_i1至少三处断路；

类型[27]：编号组合——9998888999999988999988998，故障描述——L_i3、L_i2、B_i4断路；

类型[28]：编号组合——9999999556644564553353444，故障描述——L_i1断路；

类型[29]：编号组合——9999999559955595995595999，故障描述——L_i4、L_i1断路；

类型[30]：编号组合——9999999667744674886686777，故障描述——L_i1、B_i3断路；

类型[31]：编号组合——9999999667766676663363666，故障描述——L_i1、B_i4、B_i1至少两处断路；

类型[32]：编号组合——9999999669966696996696999，故障描述——L_i4、L_i1、B_i4、B_i3、B_i1至少三处断路；

类型[33]：编号组合——9999999887777877666666444，故障描述——L_i1、B_i2断路；

类型[34]：编号组合——9999999889988898998898999，故障描述——L_i4、L_i1、B_i2断路；

类型[35]：编号组合——9999999996666966999999666，故障描述——L_i3、L_i1断路；

类型[36]：编号组合——9999999997777977999999777，故障描述——L_i3、L_i1至少一处断路，B_i4、B_i3、B_i2、B_i1有一处或两处断路；

类型[37]：编号组合——9999999999999999555555555，故障描述——L_i2、L_i1断路；

类型[38]：编号组合——9999999999999999666666666，故障描述——L_i2、L_i1、B_i4、B_i2、B_i1至少三处断路；

类型[39]：编号组合——9999999999999999888888888，故障描述——L_i2、L_i1、B_i3断路；

类型[40]：编号组合——9999999999999999999999999，故障描述——严重断路故障，即为256种断路故障情况中除上述故障状态外的其它断路故障状态；

据此，根据扫测得到的编号组合采用查表法与上述40类断路故障所对应的编号组合进行比较，来判定第i通道的断路故障类型，并记录到断路故障扫测结果表中；

③切换通道i，重复上述步骤②直至传感器的所有n个通道全部扫测完；

所述故障分析与显示的过程为：

①统计短路故障扫测结果表中应变式多维力传感器输出引线L_ij与传感器基体之间以及传感器的输出引线L_ij与L_kl之间的短路次数：

若短路次数等于循环扫测次数M，则判定L_ij与传感器基体或L_ij与L_kl之间存在短路故障；

若短路次数在1到M-1之间，则判定L_ij与传感器基体或L_ij与L_kl之间存在虚短故障；

若短路次数为0，则判定L_ij与传感器基体或L_ij与L_kl之间无短路或虚短故障；

其中，i,k＝1,2,…,n，j,l＝1,2,3,4，L_ij与L_kl为传感器的两不相同的输出引线；

②统计断路故障扫测结果表中传感器每个通道的断路故障类型[1]～[40]出现的次数：

若断路次数等于循环扫测次数M，则判定传感器相应通道该类断路故障为断路；

若断路次数在1到M-1之间，则判定传感器相应通道该类断路故障为虚断；

若断路次数为0，则判定传感器相应通道无该类断路故障；

③将上述①②步分析的故障结果送到人机接口模块中的液晶屏上显示。