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基于Python的电路故障诊断系统通信模块的实现

更新时间：2019-12-30 10:06:50 大小：3M 上传用户：songhuahua 查看TA发布的资源 标签：python 电路故障诊断串口通信 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

本文以与门电路为例,介绍电路故障诊断系统通信模块的实现方法。利用下位机将与门电路系统所构建CNF形式描述的系统行为描述,组件正常行为描述以及51单片机获取观测值以此建立的观测值描述文件上传到上位机。上位机采用Python语言实现上下位机之间的串口通信,将所接收数据输入运行在Liunx操作系统下的MiniSAT求解器求解三元组,并将诊断结果反馈下位机。实验结果表明基于Python的通信模块可以很好的实现51单片机与PC机之间的串口通信。

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Information Technology

信息工程

基于 Python 的电路故障诊断

系统通信模块的实现

蔡莉莎林尔敏海南软件职业技术学院电子工程系

器求解诊断结果。

本文以检测一个简单的与门电路为

例说明电路故障诊断系统通信模块的实

现过程。

2 下位机通信

根据电路故障诊断系统的设计思

想，首先下位机建立电路系统的 CNF 描述

文件，建立步骤如下：

曾维鹏海南软件职业技术学院软件工程系海南琼海 571400

基金项目：2014 海南省高等学校科

学研究项目（HNKY2014-98）；海南软

件职业技术学院学院基金资助项目

（Hr201301）

件，是一个有限的常量集，OBS 为电路系

统中各元件输入输出点观测值的结合。

（1）建立与门的电路元件描述文件

SD, 根据与门的逻辑关系。设 1,2 分别表

示与门的两个输入节点变量，3 表示输出

节点变量，输入输出正值表示高电平，负

值表示低电平，4 表示组件变量，当组件

变量取正值表示部件正常工作，取负值表

示部件不正常工作。当与门部件正常工作

时，输入 1,2 时，输出为 3，其逻辑描述为：

OK(4) ∧ 1 ∧ 2 3，将其转换为范式的形

式（将蕴含符号去掉）变成-OK(4)∨-1∨-

2 ∨ 3。考虑与门不同输入所产生的不同逻

辑描述，则与门的合取范式（CNF）表达如

下：（-OK(4) ∨ -1 ∨ -2 ∨ 3）∧（-OK(4)

∨ 2 ∨ -3）∧（-OK(4) ∨ 1 ∨ -3）。与门的

系统描述、组件正常行为描述的 CNF 文件

如下：

1 设计思想

电路故障诊断系统的设计思路是使

用 51 单片机采集电路连接点的数据信息

作为观测值，研究电路的结构以及行为关

系，建立电路系统元件描述，将电路系统

的（SD,COMPS,OBS）三元组通过串口发送

给上位机，上位机接收三元组数据后调用

MiniSAT 求解器求解，并将判定结果返回

单片机指示故障点。

电路故障诊断系统由扫描解析模块、

通信模块和诊断模块三部分构成。扫描解

析模块主要是针对电路系统部件，研究部

件可能的行为模式以及部件间的联系。将

组件系统描述子句、正常行为描述子句以

及观测描述文件的内容放入以合取范式

（CNF）形式的描述文件。通信模块是将扫

描解析模块中的描述文件通过串口端口

输入到计算机中，计算机运行在 Linux 操

作系统下，使用 Python 语言接收此描述文

件并转变成文本文件最终运用 SAT 求解

【文章摘要】

本文以与门电路为例，介绍电路

故障诊断系统通信模块的实现方法。

利用下位机将与门电路系统所构建

CNF 形式描述的系统行为描述，组件

正常行为描述以及 51 单片机获取观

测值以此建立的观测值描述文件上

传到上位机。上位机采用 Python 语言

实现上下位机之间的串口通信，将所

接收数据输入运行在 Liunx 操作系统

下的 MiniSAT 求解器求解三元组，并将

诊断结果反馈下位机。实验结果表明

基于 Python 的通信模块可以很好的实

现51单片机与PC机之间的串口通信。

-1 -2 -4 3 0

2 -4 -3 0

1 -4 -3 0

（2）写出组件为正常组件的 CNF 文件

如下：

4 0

【关键词】

电路故障诊断系统；MiniSAT ；Python ；

串口通信

中图中类号：TP312

文献标识码：A

0 引言

工程人员对电路故障进行检测，早期

是借助工具依靠所学知识以及工作过程

中所积累的经验对电路进行简单的检测。

但是随着电子技术的发展，这种人工检测

的方式逐渐被淘汰，取而代之的是人工智

能检测技术。51 单片机是一种集 CPU、

RAM、ROM、多种 I/O 口以及串口为一体

的超大规模集成芯片，相当于一块小的微

型计算机，广泛应用于工业控制领域。但

是单片机在人机交互方面存在一定的不

足，不利于工程人员对控制现场的时时监

控，因此在实际工程中，常常需要 PC 机

的配合与 51 单片机构成上、下位机达到

控制工业实时控制的目的。我们所设计的

电路故障诊断系统，采用 51 单片机作为

下位机，完成电路观测值的采集工作。利

用 PC 机作为上位机，处理下位机所上传

的数据，并调用 MiniSAT 求解器对所构建

系统（SD,COMPS,OBS）三元组进行求解。

其中 SD 为对电路系统中各电路元件的描

述，COMPS 为电路系统的所有的组成元

图 3-1 上位机串口监听函数

电子制作

132

Information Technology

信息工程

（3）建立观测描述文件，如何得知与

门输入输出节点的观测信息呢？使用 51

单片机的 I/O 口连接与门的输入输出节

点，CPU 通过读取 I/O 口数据建立观测描

述文件，假设当 1,2 输入节点变量为低电

平时，观测到的输出节点变量如果为高电

平，则观测的 CNF 文件如下：

-1 0

具有语言简洁，开源，移植性好以及丰富

和强大的类库等优点，因此选择 Python 作

为上位机软件的开发。

本设计中上位机使用 Python 自带串

口通信模块 pySerial 采用线程轮寻的方式

启动线程监听串口数据的进入，当有数据

时接收数据并将其转换成文本文档以便

调用 MiniSAT 求解器求解，Pyhon 转换函

数如图 3-1 所示。

但电路存在故障时，本文所设计的电

路故障诊断系统可以通过 LED 灯指示故

障源。因此需要存在一个函数将求解结果

反馈给单片机的功能。单片机根据诊断结

果确定与门电路是否存在故障，如果单片

机接收到字符“S”则说明诊断该小车无故

障，而如果接收到字符“U”则说明电路存

在故障元件，点亮 LED 灯。

单，稳定，能很好的实时监控单片机所发

送的信息，也能将诊断结果快速反馈。

【参考文献】

[1] 何玲，曾维鹏，蔡莉莎．单片机小

系统的设计与制作 [M]．北京：电子

工业出版社，2011 ：4．

[2] 韩志三．基于 Python 的丰炜系列

PLC与PC串行通信的实现[J]．硅谷，

2013ꢀ2（2 5）：59-60．

-2 0

3 0

[3] 赵相福，欧阳丹彤．使用 SAT 求解

器产生所有极小冲突部件集 [J]．电

子学报，2009ꢀ3（7 4）：804-810．

[4] 曾维鹏，蔡莉莎，吴恒玉，林尔

敏．MiniSAT 求解器在判定可满足性

问题中的应用 [J]．辽宁高职学报，

2013 15(17)ꢁ73-74．

其次，将所构建的 CNF 描述文件上传

到 PC 机中，在通信过程中利用 print（f ）函

数将 CNF 描述文件转变成 C 语言函数以

便单片机利用自带的异步通信串口向 PC

机发送数据。

最后，编写初始化函数 UartInit()，在

本设计中单片机串口选择工作方式 2，波

特率选择 9600。发送函数 send() 完成三元

组数据的发送，接收函数 receive() 接收 PC

机所发送的诊断结果，并使用 LED 灯指示

故障源。

[5] Warren Sande．Carter Sande．与孩子

一起学编程 [M]．北京：人民邮电出

版社 ꢀ2010．4．

4 小结

以上主要介绍了电路故障诊断系

统中通信模块的实现方法。实验过程中，

单片机检测到观测值为 -1，-2，3 时，

LED 指示该电路存在故障。经过逻辑分析

发现，当与门两输入端为低电平时，当与

门正常工作时输出应该为低电平，然而观

测结果却是高电平说明该与门电路存在

故障。使用该故障诊断系统诊断的结果与

人工检测结果一致。在系统实现过程中采

用 Python 设计的上位机通信软件编程简

【作者简介】

3 上位机通信

蔡莉莎（1984—），女，讲师，大学本科

学历，主要从事智能诊断、智能规划

等方面的教学与研究工作。曾维鹏

（1982—），男，大学本科学历，讲师，

主要从事智能诊断、智能规划等方

面的教学与研究工作

电路故障诊断系统的诊断核心在于

运行在 PC 机上的 MiniSAT 求解器。一般

情况下，没有经过移植的 MiniSAT 求解器

是运行在 Linux 操作系统的计算机上的

[4]。上下位机之间的通信软件开发平台有

很多，包括 VB，C++ 等。但是由于 Python

》接 134 页

过程基本相同，具体过程如下：

（1）配置寄存器位 PRIM-PM 为高；

（2）打开所使用数据接收通道，自动

应答模式，无线数据宽度自己设置；

（3）设置 CE 为高启动接收模式；

（4）如果启动自动应答模式，则发送

应答信号；

显示等功能模块。系统初始化完成后，首

先检测信号是否中断，如果接收到信号则

由 GPRS 定位并返回具体信息；如果系统

没有检测到信号，则由远程控制设备打开

装置的开关，以便检测到信号，从而确定

装置所在的位置。

6 结语

这个研究虽然我们在理论方面已经

成熟，但是由于我们现在的能力水平有

限，在技术方面也存在相应的问题，所以，

这个项目我们只是在理论方面有深入研

究，而相应的装置还没有完成。这篇论文

主要介绍了远程控制以及定位的原理和

方法，使人们能了解到能被远程控制的装

置要具备的条件和具体实现的方法，具体

的装置还有待继续研究。

为确保系统正常工作，在系统上电

时需对所有模块进行初始化，如果 GPRS

modem 无法完成初始化，液晶显示器会

显示出详细的错误信息。只有当初始化完

成后，系统才能检测出传感器的状态并对

GPRS 接收到的信号进行分析，从而获得

用户需要的信息。

（5）接收到有效地数据包后，数据存

储在 PX_FIFO 中，同时 PX_DR 位高；

基于上述原理设计出以下程序：

【参考文献】

[1] 赵继春．基于 GPRS 的无线智能家

居安防系统的研究与实现

GPRS 模块通过串口与单片机进行通

信，单片机通过 AT 命令对 GPRS 模块进

行控制。GPRS 通讯程序涉及 GPRS 模块

初始化（包括网络参数设置和 GPRS 初始

化）、信号服务中心地址设置等。

[2] 从宏寿，李绍明．电子设计自动化

[M] 清华大学出版社

[3] 李广弟，朱月秀．单片机基础 [M]

北京航空航天大学出版社

[4] 蔡美琴 MCS-51 系列单片机系统

及其应用 [M] 高等教育出版社 2004

年 2 月

5 可实现的功能

1. 该装置可被电脑终端控制自动打

开开关；

4 系统软件设计

在硬件设计的基础上，采用结构化

软件编程方法，按控制要求将程序划分成

初始化（包括系统参数设置和 GPRS 初始

化）、GPRS 通信、操作信息查询、键盘和

[5] 张志良等单片机原理及控制技术

2. 接收到信号后可自行发送应答信

号，然后通过 GPRS 进行准确定位

[M] 机械工业出版社 2001 年 7 月第

一版

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