（信号与信息处理专业论文）基于以太网分布式旋转机械振动状态监测系统的研制.pdf

摘要 基于以太网分布式旋转机械状态监测系统研制 硕士研究生狄金海学号0 3 6 0 5 5导师赵力教授 东南大学无线电工程系 振动测试是实现状态监测与故障诊断的重要手段。本论文针对电厂辅机布点较分散，测点少的特 点，从振动数据采集分析、数据网络传输等方面展开研究，目的在于开发出基于嵌入式以太网的分 布式旋转机械状态监测系统。 论文首先介绍振动信号测量方法、信号处理方法。硬件系统设计是本论文的重点之一在这部 分介绍了信号调理电路、a d 转换电路、c p l d 逻辑切换电路、d s p 信号处理电路、微处理器a 跚外围 电路及以太网接口电路的元器件选型和电路设计。软件部分主要介绍了d s p 的f f t 运算、嵌入式应 用系统的软件平台的构建及网络传输的实现。软件平台采用u c l i n u x 操作系统。文章介绍了u c l i n u x 操作系统的移植及应用程序的开发流程。重点介绍了网络传输部分的软件实现。最后，对本论文进 行了总结，并指出了后续工作中需要注意的问题。 基于以太网的分布式旋转机械状态监测系统研制对于辅机状态监测网络化是一个有益的尝试， 它的研制成功将会给电厂带来更大的经济效益。 关键词：振动；a d 转换；c p l d ，d s p ；f f t a r m ；t c p i pu c l i n u x a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t e dr o t a t i n g m - a c h i n e r yc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n e t h e r n e t c a n d i d a t e ：d ij i n h a i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a ol i d e p a r t m e n to fr a d i oe n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , c h i n a v i b r a t i o nt e s ta n da n a l y s i si st h em o s to d m l n o nm e a mo f c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s t h e p u r p o s eo f t h i sp a p e r st od e v e l o pac o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo f & s 缸b u m dr o t a t i n gm a c h i n e r yb a s e d o ne m b e d d e de t h e m e t i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h em e a s u r i n ga n dp r o c e s s i n gp l a n so fv t h r a t i o ns i 弘a 1a g ea n a l y s i z e da n d i n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ed e s i g no fh a r d w a r es y s t e mi n c l u d e sa c q u i s i t i o na n da d j u s ( m c n tc i r c u i t , a d c o n v e r s i o nc i r c u i t ，c p l dl o g i cc i r c u i t ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，e m b e d e dp r o c e s s o ra n dp e r i p h e r a lc i r c u i t a n de t h e m e ti n t e r f a c ec i r c u i ta n ds o0 1 1 t h i r d l y , t h es o f t w a r ei n c l u d e sf f to fd s pa n dt h em i g r a t i o no f u c l i n u xa n dp r o c e s so fa p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n to nt h i sp l a t f o r mm i n t r o d u c e d a n dt h ep r o g r a mo f t r a n s p o r t i n gd a t at h r o u g he t h e m e ti sa n a l y z e de s p e c i a l l y a tt h el a s t , c o n c l u s i o no ft h i sp a p e ra n ds o m e p r o b l e m sw h i c hw i l lb ef a c e di ns u c c e d e n tw o r k a r ep r o n o u n c e d t h es u c c e s so f t h ed e v e l o p m e n to f & s m b u t e dr o t a t i n gm a c h i n e r yc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d 0 1 1e t h e m e tw i l lb r i n ge c o n o m i cb e n e f i t st op o w e r p l a n t k e yw o r d ：v i b r a t i o n ，a dc o n v e r s i o n , c p l d ，d s p ，n 噶a r m ，t c p i p , u c l i n u x h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 第一章绪论 1 1 课题意义 第一章绪论 旋转机械广泛用于电力，化工，机械以及军事工业部门。例如，电力系统的汽轮发电机组， 化工系统的压缩机以及齿轮箱、鼓风机等机械设备。机器的振动总是伴随着机器的运转而存在的 即使是机器在最佳的运行状态，由于微小的缺陷，也将产生某些振动。 现代的工业生产系统，如电力、石化、冶金以及柔性制造等系统，由于设备群体广泛耦合，规模 越来越大，各生产环节的联系也日益密切，形成了具有整体关联的生产链，并不断向高效、高速、 大容量、高强度、系统化，自动化方向发展。与之相应，关键设备故障频繁停工损失及维修费用也 大幅度上升。因而，提高设备运行的安全性、可靠性、连续性，减少维护费用和生产费用成为工业 过程关注的焦点。 随着科学技术的日益发展，对各类机械的运转速度、承载能力、工作寿命等方面要求越来越高， 人们对振动危害的认识越来越深入，因而对振动测试和振动信号分析技术的研究也提出了越来越高 的要求，目前许多振动测试系统已不能满足现场应用的要求。同时，随着机械设备测试诊断技术的 发展，现有的振动测试系统，由于速度慢、体积大、精度不高，越来越不适应野外检测的需求。综上所 述，现有的振动测试系统存在的缺点主要表现在； ( 1 ) 目前使用的测振系统对传感器信号大多采用模拟处理方法，仪器的测量精度测量值稳定 性和测量数据的可用性比较差。 ( 2 ) 大多数的振动测试系统的功能简单，不能满足现场测试的基本要求。 ( 3 ) 振动测量系统便携性比较差，体积大，不便于在工业现场灵活使用。 ( 4 ) 进口振动测试系统价格昂贵，不利于广泛应用。 ( 5 ) 需要操作人员到现场，不利于进行实时在线状态监测。 ( 6 ) 测试点单一，投有形成分布式。 以上几点问题限制了振动测试系统在各个领域中的广泛应用。随着以工业i n t e r n e t 为代表的计 算机技术的飞速发展，数据通信、网络工程和信息管理等系统性能的巨大改进，特别是宽带网的发 展，为高速数据的采集、传输和处理提供了基础。工业以太网即将进入现场控制级，也是未来的发 展方向。特别是为跨地域的远程监测和诊断系统提供了技术支持。把t c p i p 协议作为一种嵌入式 的应用，嵌入现场智能仪器中，使信号的收、发都以t c p i p 方式进行，如此，监测诊断系统在数 据采集、信息发布、系统集成等方面都以企业内部网络( i n t r a n e t ) 为依托，将监测诊断网和企业内 部网及i n t e r n e t 互联，就可以实现了监测诊断网和信息网的统一。将计算机网络技术应用于状态监 测系统，实现关键设备运行状态的集中管理、集中分析，必将极大的提高设备维修人员的工作效率。 本论文的主要工作就是充分利用d s p 技术、a 瑚技术、网络技术，设计一种基于网络分布式振 动监测系统。这种系统适用于常规振动测量，尤其是旋转机械中的振动测量，使得它能广泛地应用 于机械制造、电力、冶金和车辆等领域。该系统具有完善的信号检测能力，可以直接对转速以及常 东南大学硕士学位论文 见的电涡流振动位移、磁电式振动速度信号进行检测。本系统的特点如下： ( 1 ) 4 通道模拟信号输入，零相位差测量。 ( 2 ) 采用d s p 运算处理芯片，数据处理更快。 ( 3 ) 模拟信号输入范围：一1 0 v + 1 0 v 。 ( 4 ) 1 2 位a d 转换，4 通道模拟信号同步采样。全部四个通道最高采样频率2 9 k h z 。 ( 5 ) 自动实现数据采集，不用操作的干预。 ( 6 ) 利用以太网传输数据，真正做到网络化、实时化。 1 2 振动测量与信号分析 振动信号的处理一般包括振动信号的测量和振动信号的分析两部分。下面将阐述两个过程的 实现方法。 1 2 1 振动信号的测量“啊 振动信号量一般是指振动位移、振动速度和振动加速度这三种量。三者之间存在着确定的微分 或积分关系，因此，从理论上看，只要知道其中一个信号量，便可以通过软件计算或硬件上的积分 电路和微分电路得到其他两个运动量。 振动信号量的测量，按振动信号转换后的形式可分为三类：机械测试法，光测法和电测法。 机械测试法利用杠杆结构进行放大，把振动波形通过笔尖直接记录到运动的纸带上这种方法 抗干扰性能比较强，结构简单，频率范围和动态线性范围窄，但是灵敏度低，测量的振幅不能太小。 主要用于低频大振幅振动以及扭转振动的测量。 光测法利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理、激光多普勒效应和光纤等进行测量。例 如：利用光的干涉原理和激光的多普勒效应进行测量，这种方法的测量精度高，适合于非接触测量： 利用激光单色性好，波长稳定性好等特点测量微小振动；利用激光能量集中，准直性好的特点，可 进行远距离位移测量等。这些方法不受电磁场干扰，测量精确度高，适用于对质量和体积小、不易 安装传感器的试件作非接触测量。在精密测量和传感器、测振仪的校准、标定中用的较多。 电测法的原理是将被测振动信号转换成电信号，电信号经过系统放大或衰减后，并进行钡i 量、 记录与分析。这种方法灵敏度高，测量范围广，频率范围和动态性范围宽，便于分析和控制，但是 这种方法易受电磁场的干扰。目前广泛使用的是电测法，本论文中所设计的振动测试系统就是基于 电测法的原理对振动信号进行测量的。 一般来说，监测转子比测试轴承座或机壳的振动信息更为直接和有效。在出现故障时，转子上 的振动变化比轴承座及外壳要敏感得多。尤其是当支承系统( 轴承座、箱体及基础等) 的刚度相对 来说较硬时( 或者说机械阻抗较大) ，轴颈的振动常常可以比轴承座的振动大几倍到十几倍。不过， 监测转子轴的振动常常要比测量轴承座或外壳的振动需要更高的测试条件和技术，其中最基本的条 件是能够合理安装传感器。在高速大型旋转设备上，传感器的安装位置常常是制造时留下的，目的 是对设备实行连续监视。在此种情况下，可以选择在机壳或轴承座上放置传感器进行测试。 2 第一章绪论 1 2 2 振动信号分析方法 旋转机械在运行过程中，和运行状态相关的物理量( 如振动) 随时间的变化呈现出一定的规律。 通过各种相应传感器测得的随时间变化的信号中包含对机器状态识别与诊断非常有用的各种信息。 有效地分析、处理这些信息，建立它们与设备运行状态之问的联系，是设备故障诊断的基础。然而， 信号中常伴有各种噪声和干扰，要消除和减少噪声和干扰的影响，需对信号进行预处理。为了更有 效地进行识别和诊断，通常还要对信号进行加工处理，抽取其特征旋转机械故障诊断中，工程信 号处理的目的就是去伪存真，提取与设备运行相关的特征信息。信号的分析和处理是在幅值、时问、 频率等域进行的，它们从不同角度对信号进行观察和分析。 1 信号的时域分析 时域函数础) 给出了信号随时间的变化规律，因此可以求出任意t 时刻对应的j 值。在许 多实际情况中并不需要了解信号的瞬时值及波形变化细节，只需要了解某些表征信号时域特征的参 数即可。例如，对由传感器收集的信号砌) ，有时只要工( f ) 的最大值不超过某一规定的极限值，就 认为信号“f ) 所表示的工况是正常的，不必干预，只有当其超过规定值才对工况进行调整处理。此 时。就只需测取信号的最大值即可 薹 0 图1 - 1 振动波形描述示意图 对于时域波形参数的分析，因具体闯题不同而有所差异，几种典型参数的分析方法为： ( 1 ) 峰值与峰峰值分析信号x q ) 的峰值是指在一段时间内信号的最大值，它可表示为 4 ，。= 【x o ) 】一 t f 2 ( 1 1 ) 峰值分析在许多情况下具有重要意义，它表示信号幅值可达的上限或某系统所允许的上极限值。 与此对应，信号的最小值可表示为 4 。t 日= 【工( f ) 1 血s t f 2 ( 1 2 ) 对于具有波动特性的时间信号，有时也需要分析其峰峰值，定义为 3 东南大学硕士学位论文 砟一，= k 一4 。 显然，峰峰值是与信号中直流分量无关的，是描述信号交变范围的量，在旋转设备的振动检测 中，常使用峰峰值来观察信号强度的变化。 如果k 表示信号或设备所具有( 或容许) 的最大值。4 咖表示其能分辨的最小幅值，则用它 们之比可以表示信号或设备装置的动态范围，且常用其分贝数表示如下： d = 2 0 1 0 s 等 “。， ( 2 ) 平均值分柝信号的平均值代表一段时间内信号所嗣绕的中心值，因此平均值具有稳态的 特征。根据分析对象的不同，平均值有不同的物理意义。例如，信号幅值的平均值，均方根值及平 均功率等。 信号工o ) 在瓦时间内的平均值为 ；2 丢f 艄 旺4 ， 如果信号的平均值长时间不变，则j 就代表信号中的直流分鼍。 对于信号中的交变分量x o ( t ) = x ( t ) 一 有效值：常采用均方根o r 形式来描述 厢磊= 痧 ( 1 5 ) 它实际就是直流分量为零时信号的有效值。 ( 3 ) 相关分析所谓相关分析，是描述信号在一个时刻的取值与另一个时刻取值之间的依赖关 系。在故障信号的处理和分析中，经常需要研究和了解某一时刻的信号和延时一个y f 时刻后信 号之间的相似程度，以及这种相似程度随着f 的变化是如何变化的。因为研究的是两个信号的相似 程度，故称这个过程为相关分析。又因为研究的是信号延时一个r 时刻后与原信号的相关分析，故 又称为时差域分析或延时域分析。 对于一个信号进行延时域分析，所得的相关函数称为自相关函数。对于两个信号进行时差域分 析，所得的相关函数称为互相关函数。 假设茗( f ) 是某个态历经随即过程的一个记录样本，x ( t + f ) 是z ( f ) 时延f 的样本则其自相关 函数定义为 一 r a t ) = e x ( t ) x ( f + f ) 】- l i r a - 下- i 【x ( t ) x ( t + r ) a t ( 1 6 ) 4 第一章绪论 自相关函数用以研究一个信号工o ) 和自身延时一个时刻f 后的波形m + f ) 之间的相似性，并 研究这种相似性如何随着f 的取值而变化。主要用来确定一个从其他各方面来说都是随机性质的信 号中的周期成分。因为任何一个周期信号的自相关函数，也必定是周期的。如果随机信号工( f ) 是由 噪声n ( f ) 和完全独立的信号j ( f ) 组成。则工( 力的自相关函数是这两个部分各自的自相关函数的和。 即：尽。( r ) = ( f ) + j 0 ) 。而随机数据在f a o 时，r ( f 叫= o 这样就可以根据自相关函 数的形状来判断信号的性质，提供其中存在的确定性的信息。 类似地，对于两个个态历经的平稳随即过程工( f ) 及j ，o ) ，若其中一个信号工o ) 不变。而y ( f ) 延 迟一个时刻f ，求它们的相关程度，称为互相关分析，这种相关程度也随f 的取值不同而变化，是f 的函数，称为互相关函数。其定义式为 最，( f ) = e 【x ( f ) y ( f + f ) 】= 也翌刍r x ( t ) y ( r + f ) 出 ( 1 7 ) 可以利用互相关函数来确定信号是否存在。 利用相关分析可以检测混于随机噪声中的确定性信号，判断原信号的性质，并且可以通过做傅 立叶变换求得相应得功率谱密度函数，此外，互相关分析和用互相延时和能量信息还可以对信号的 传输通道即信号源进行识别 2 信号的频域分析 工程上所测得的信号一般为时域信号，然而由于故障的发生、发展往往引起信号频率结构的变 化，为了通过所测信号了解、观测对象的动态行为，往往需要频域信息。旋转机械轴系各种常见故 障均会产生某一种固定频率或者某一频率范围的振动，因此通过观察分析振动信号在相应频率( 范围) 处的变化，可以确定是否有故障产生和故障的类型，实现故障的诊断。将时域信号变换至频域加以 分析的方法称为频谱分析，频谱分析的目的是把复杂的时间历程波形经傅立叶变换分解为若干单一 的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息。 频谱图形有离散谱与连续谱之分，前者与周期性及准周期信号相对应，后者与非周期信号及随 机信号相对应。对于连续谱，用的是“谱密度”概念。 工程上任何复杂的周期信号都可以按傅立叶级数展开成各次谐波分量之和，即 纯x ( 力= 工+ 撑d = - = a - o + 艺( a c o s m o t + b 。s i n n c o t ) ( 1 8 ) 1 1 式中t 一周期；一静态分量( 直流部分) ：一余弦项振幅；一正弦项振幅。 傅立叶级数展开的另一形式 x ( ，) = a 了o + 4 c o s ( ， 讲+ 体) ( 1 9 ) n = l 各阶谐波的幅值和相位为 5 东南大学硕士学位论文 ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) 若以国或，为横坐标，分别以4 和为纵坐标作图，便可得到离散幅值谱和离散相位谱 ( 1 ) 傅立叶谱函数 q f 周期信号不能按上述傅立叶级数展开，但可以在频域上用功率谱密度函数加以描述。 在傅立叶级数中，若周期r j 时，则 z o ) = 广j ( 缈) p d ( 1 1 2 ) 引入积分形式有 p 2 x “1 3 ) ix ( 力= e x ( t ) e - 2 卵出 l 一 上式为傅立叶积分，两者称为傅立叶变换对，其中x ( 力为实变量的复值频域函数，可用复数 形式表示 x ( f ) = r e x ( f ) l + i i m x ( f ) = i x ( f ) l e - * 7 ( 1 1 4 ) 式中 i x ( ，) j = r e 2 【x ( 删+ h i l 2 瞄( 厂) 】 ( 1 1 5 ) 为幅值函数； 矿( ，) = a r e t a n l m x ( d r e x ( f ) 】 ( 1 1 6 ) 为相位函数。 按以上两式相应地画成频谱图分别称为幅值谱和相位谱，两者都是连续谱。由于x ( 力是由傅 立叶积分获得，具有密度的概念，所以石( 厂) 被称为频谱密度函数，即傅立叶谱函数。 ( 2 ) 功率谱密度函数 功率谱密度函数是描述随机过程统计特性的一个重要特征量，它定义为相关函数的傅立叶变换， 包括自功率谱密度和互功率谱密度两个概念。 自功率谱密度函数是在频域中对信号能量或功率分布情况的描述，它定义为自相关函数的傅立 叶变换 s a d = 墨p ) e - “咖咖 ( 1 1 6 ) 在讨论确定信号的频域描述时采用信号的傅立叶变换，对于随机信号来说，信号的不确定性将 带来其傅立叶变换的不确定性。尽管是一平稳的随机过程，但从不同样本得到的频谱可能有较大差 6 一瑶 一以 而 = = 4 纯 第一章绪论 别，不能描述随机过程的统计特征。如果用自相关函数的傅立叶变换来描述，情况就不一样。对于 各态历经的平稳随机过程，由任一样本函数求得的自相关函数是相同的、确定的，因此其傅立叶变 换即功率谱密度能本征地描述随机过程的统计特征。 对应互相关函数，同样定义了互功率谱密度函数，为互相关函数的傅立叶变换 = ( f ) e - 。斫如 ( 1 1 7 ) 互功率谱密度函数一般和互相关函数具有同样的应用，但它提供的结果是频率的函数而不是时 间的函数，而且功率谱密度函数还有一个重要的特征就是利用它进行分析时不受噪声的影响，这就 大大拓宽了其使用范围。 功率谱分析可用来分析信号的频率成分，分析动态系统的频率结构及系统的结构自振频率，用 于各种工业过程与机械设备的故障诊断。 ( 3 ) 快速傅立叶变换 虽然傅立叶分析优点众多，但真正开始应用于工程实践则是在1 9 6 5 年c o o l e y 和t u k e y 找到了 一种被称为快速傅立叶变换的算法之后。因为按照原始傅立叶变换的定义，运算量将与信号序列长 度n 的平方成正比，当被分析的信号序列较长时，运算量就特别大，以至于难以满足实时性要求。 傅立叶变换的快速算法利用了算子的对称性和周期性使得卷积所需的计算量呈指数倍下降，从而使 实时计算傅立叶变换成为可能。 连续时间信号x ( f ) 的傅立叶变换得到连续的傅立叶频谱x ( d ，其积分关系式如式( 1 - 1 3 ) 。此 式不能在计算机中运算，因为计算机只能对有限长度的离散序列进行运算和存储。因此，必须对连 续的时域信号和连续的频谱进行抽样( 离散化) 和截断，这就是离散傅立叶变换( d f r ) 的由来。 离散傅立叶变换的关系式为 x ( 五) = 彳( 惫匀。) = p 4 “( k - - i ，2 ，n - 1 ) ( 1 1 8 ) 上式中，为采样点数， a f = 髟= 夕。f ) ，其中址是每次采样的时间间隔式1 1 8 还 可以写成 x ( 七) = x ( h ) 赠( t = l ，2 ，n - i ) ( 1 1 9 ) n f f i o 式( 1 1 9 ) 中矸玄= p 。2 “”，写成矩阵形式为 五) = 形。】 ，其中 【】= 蝶孵孵 蝶 碟暇孵吖4 ； ； 孵吖。孵孵2 7 ( 1 2 0 ) 东南大学硕士学位论文 从式( 1 2 0 ) 中可以看到，对于任意一个( j i ) ，直接计算需要n 次复数相乘和n - 1 次复数相 加，因此作n 点的d f t 运算需要n 2 次复数相乘和n 2 - n 次复数相加。如果采样点数比较多，n 的数 值比较大，运算量就非常大，需要占用计算机大量的内存和机时，难于实现实时分析。正因为如此。 d f t 未能得到有效应用。 仔细观察阡守，可以发现其具有周期性和对称性。以疵为变量，为周期，即 时= 吲+ “或写做 w 翟= w ：“哪 ( 1 2 1 ) 其中n x l 0 9 2 nm o d ( n k n ) 表示n 和k 的乘积被n 整除所得的余数。例如，对于n = 8 ，有 暇o = 时”= 昭，昭1 = 孵”= 略等等。 h 玄的对称性可以表示为 阡妒“= 一阡萨 仍以n = 8 为例，有昭= 一时，孵= 一w 等等 ( 1 2 2 ) 根据纬奢的周期性和对称性可知，式( 1 2 0 ) 的矩阵n f f i 阡0 】中n 2 个元素，实际上只含有n 个不同值，而且之中n 2 个数是由其余n 陀个数取反得到的。f f t 算法的关键就在于避免 形门与纯) 的相乘运算中的重复运算，基本途径是通过奇，偶分组方法将长序列的d f t 逐步分解为最短序列的 d f t 。在此基础上，实现了多种快速算法，如基2 算法、基4 算法、实因子算法和分裂算法等等。 使用最多的是基2 算法，基2 算法首先把离散序列 ) 按n 为偶数和奇数分解为两个序列。用 2 r 表示偶数n 、2 什1 表示奇数n ，( 删，l ，2 ，等一1 ) ，则有 五：芝矗嘭：至屯，孵砖+ 至屯，+ 嘴删t ，。， 五= 矗阡铲= 屯，孵砖+ 屯，+ 阡磐“弘 由于暇= “”) 2 = e - ”州= ，2 因此式( 1 2 3 ) 可以写成 8 c 鳓 z ，扣 m ， ”( 砖 孵+ 乌窆 噼 + 砖 孵 蔓 = 哟 蔓 孵 + 嘴b 窆m = 以 第一章绪论 五= 砭+ w k 互，( 脚，l ，2 。，学1 ) ( 1 2 6 ) 根据纾0 的周期性和对称性，又可以得到 五+ h 1 2 = y k 一眩z i ，( ，- ，z ，譬- 1 ) ( 1 z ，) 式( 1 2 6 ) 和( 1 2 7 ) 分别给出以前n 2 个和后n 2 个点的值。对于= 2 “的任意情况，可 将玟种奇偶分解方法逐级进行下去。下图为n = 8 的f f t 流程图【1 5 l 。 x ( l 4 l 2 ) i i 酗 i 1 ) x 5 l t x 孙 x 甜 x ( 1 1 ( 2 ) x 3 ) xe 4 2 ic 5 ) x ( 6 ) x ( 7 ) 图1 - 1 f f t 分解流程图 图中第一级的8 个输入数据是按序号0 。4 ，2 ，6 ，1 ，5 ，3 ，7 排列的。这种排列是通过三级奇 偶分解得出的，这一过程属于f f t 运算前对输入数据的整序。另一种更为简单的整序途径将正 常序号的二进制码颠倒，得到的就是整序所求序号的二进制码。我们称数据的正常序号为正序，这 样整序后的序号为逆序，相应的二进制码分别为正码利逆码。这种整序方法适用于n = 2 ”的任何 情况。另外，当f f t 运算的时域数据 按正常序号输入时。频域数据z ) 将按逆序输出。这时 可用上述的方法将其整为正序；时域数据按逆序输入时，f f t 运算所得频域数据按正序输出，不需 另外整序。基2 算法计算n 点序列只需要做( 2 ) l o g ! 次复数乘法和n x l 0 9 2 ”次复数加法。 在本课题中，通过传感器所采集到的原始振动信号经过前端处理再送到d s p ，通过对振动信号 进行f f t 变换为基础，对信号在频域上分别进行一系列的变换与处理。 9 拼舢 一2 2鳓 嗡+嘞 釜m 瞄 = 乙嘴b - 窆m = 砭 令 东南大学硕士学位论文 1 3 数字信号处理m d s p 芯片是专门完成各种实时数字信息处理用的，它是建立在数字信号处理的各种理论和算法 基础上的。第一个d s p 微处理器i n t e l 2 9 2 0 出现在1 9 7 6 年，接着是1 9 8 2 年的a m d 2 8 1 1 ， n e c zp d 7 7 2 0 、德州仪器公司的t m s 3 2 0 1 0 。a m d 2 8 1 1 和p d 7 7 2 0 两者都有片上阵列乘法器，都 由可编程r o m 和相对小的数据和程序寻址空间。t m s 3 2 0 1 0 是第一个可全速从片外r a m 执行指令 的微处理器，且容纳的程序也比f p d 7 7 2 0 大一个数量级。第一阶段的d s p 具有下列特点：指令流 水，有效的寻址模式，有子程序调用和地址传递协议；使用哈佛结构，可同时取指令和数据；特殊 的d s p 相对寻址( 如变址计算任意数的模式) ，对于f i r ( f i m t el e n g t hi m p u l s er e s p o n s e ) 的滤波器 自动循环队列或数据移动。对于f f t 的比特反转；附加的寻址a i ；对于特殊应用的接口( 如对于 通信编码的串行接口) 。d s p 系统主要由分立元件组成，包括线性电路模拟前端、模拟数字转换器和 外围界面电路、一大堆的组合电路、可编程阵列逻辑( 鼢- l ) 及可编程只读存储器( p r o m ) 、存储 器及个别处理器。 当时的d s p 技术在医疗、生物电子、应用地球物理等领域获得应用。进入上个世纪8 0 年代， 随着数字信号处理技术应用范围的扩大，要求提高处理速度，到1 9 8 8 年出现的浮点d s p ，执行浮点 算术运算和乘累加，如a t & td s p 3 2 c ，m o t o r o l ad s p 9 6 0 0 2 ，t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 0 等，同时提供 了高级语言的编译器。这种d s p 是一种专用的综合性微处理器，能够高速输入和输出数据，专门处 理以运算为主的信号处理应用系统。如电话p c m 传输和程控交换中大量使用的语音处理，数据传输 用的调制解调器，计算机的硬盘驱动器等。到了9 0 年代，d s p 技术发展十分惊人，以d s p 作为主 要元件，再加上外围设备和特定功能单元综合成的单一芯片，加速了d s p 解决方案( d s p s ) 的发 展，同时产品的价格降低，运算速度和集成度获得提高，9 0 年代d s p 揭开了计算机、通信、消费类、 汽车、军事等电子市场的新纪元，这些技术也反过来促进了数字信号处理器的发展和需求。 近几年d s p 技术逐渐在我国取得了越来越广泛的应用，d s p 技术仪器高速、高性能，高可靠性 使得社会发展大趋势的信息高速公路成为现实。信息化是以数字化为背景的，而数字信号处理技术 则是数字化的最重要的基本技术之一d s p 作为信号与信息处理的一个分支学科，已有很长的发展 历史，但它又是一门新兴的，极具活力的学科，活跃在电子学、计算机、应用数学等学科的最前沿， 渗透到科学研究、技术开发、工业生产及国防、国民经济的各个领域，愈来愈起着重要作用1 。 1 0 第一章绪论 1 ，4 本论文主要研究的内容 本课题设计的振动监测系统的最终功能要求是：拾取振动信号，经过信号调理电路，将振动信 号转化成电信号：进行a d 转换，并通过d s p 运算处理；将d s p 处理过的数据传输到a r m 处理器， 由a r m 将数据打包，通过t c p i p 协议传输到以太网供操作人员进行分析和观察。 本论文的主要内容如下： 1 振动监测系统的总体结构设计 在第二章中从硬件和软件两个方面对系统进行了总体分析。系统的结构设计至关重要，结构设 计得不合理，可能造成系统代价与系统性能上不可协调的矛盾。振动监测系统的硬件设计 2 振动监测系统的硬件设计 在第三章中，主要包括振动监测系统硬件设计主要包括四大部分：电源系统部分、模拟部分、 d s p 部分、c p l d 部分以及a r m 处理器部分。详细的阐述了振动监测系统的硬件设计与实现。 3 振动监测系统的软件设计 第四章主要包括两大部分：一个是d s p 部分的软件设计，一个是a r m 部分的软件设计。详细 的阐述了振动监测系统的软件设计与实现。 4 全文总结与展望 第五章总结了前几章的工作，指出存在的问题及后续的任务 东南大学硕士学位论文 第二章系统的总体方案设计 2 1 系统的功能及预期达到的技术指标 2 1 1 系统的功能 1 、可测量振动的速度、位移和转速 4 通道模拟信号输入；l 通道键相信号输入。这是系统信号输入的接口部分，它为系统提供 了所需要的原始信号 2 、自动调整整周期采样点数。 本系统采用同相位整周期采样，而且采样点数能够根据转速自动调整。 3 、8 路测量信号同时进行采样处理，零相位差采样。 4 ，具有r s 2 3 2 接口和1 0 m 1 0 0 m 以太网接口 将采集处理的数据通过r s 2 3 2 接口连到上位机p c 观察、分析，也可以t c p i p 协议传输到以 太网，供各个网络结点观察、分析。 系统的总体设计流程图如图2 - i 根据需求写出任务说明书 根据任务说明书确定技术指标 确定c p u 芯片以及外围芯片 总体设计确定软硬件工作 软件设计说明书 软件编程与调试 系统集成 硬件设计说明书 硬件( s c h p c b ) 硬件调试 系统测试、样机完成、产品测试与生产 图2 - i 振动监测系统总体设计流程框图 1 2 作者在硕士研究生期间撰写和发表的论文 2 1 2 系统的技术指标： 1 ) 测量范围： 速度：0 3 1 0 0 0 m m s 位移：0 0 0 1 1 0 0 m e t 2 ) 频率范围： 速度：1 0 h z i k h z ，3 h z l k h z 位移：1 0 h z 5 0 0 h z ，3 h z 5 0 0 i - i z 3 ) 使用温度范围：0 4 5 0 4 ) 接口：r s 2 3 2 c 串口及1 0 m 1 0 0 m 以太网接口 5 ) 电源：+ 1 2 v 2 2 器件选型： 2 2 1 中央处理器c p t l 的选择 1 数字信号处理器的选择【l q 自从2 0 世纪8 0 年代公司生产出第一片数字信号处理器芯片以来，数字信号处理器( d s p ) 的产销量每年都在以高速增长，数字信号处理器的功能越来越强大，应用的领域也越来越多。可以 说，数字信号处理嚣正在改变我们生活方式的各个方面，例如现在人们普遍使用移动电话进行联系， 在移动电话的整个系统中大量的使用了数字信号处理器；再如我们的娱乐方式，v c d ，d v d 正替代 v h s 录像机，数字电视机开始替代模拟的n t s c 或p a l 制电视机，家庭影院主要由数字化a n 设 备组成，在这些系统里数字信号处理器都承担着语音、图像处理等重要的工作。当今世界上生产d s p 的公司主要有1 1 公司、a d 公司、a t & t 公司、m o t o r o l a 公司等。其中以1 1 公司和a d 公司的 产品系列较为全面，而公司的数字信号处理器市场占有率更达到4 0 n , 6 1 1 公司的数字信号处理器产品全部以t m s 3 2 0 系列命名。早期的产品包括 t m s 3 2 0 c i x 2 x 3 r d c 5 x c s x 等系列；现在1 1 公司主推的产品包括三种新的数字信号处理器系列，它 们是：耵订s 3 2 0 c 2 0 0 0 、耵s 3 2 0 c 5 0 0 i o 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列。 1 ) t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 是1 1 公司专门为工业控制设计的1 6 位定点d s p ： 第一种是t m s 3 2 0 c 2 0 x ，1 6 位定点数字信号处理器，速度为2 0 - 4 0 m i p s ，主要用途是电话、数 字相机、售货机等，其中： f 2 0 6 带有闪速存储器，售价从2 1 7 美元。 第二种是t m s 3 2 0 c 2 4 x ，1 6 位定点数字信号处理器，速度为2 0 m i p s ，用作数字马达控制、工 业自动化、电力转换系统、空调等。售价从4 1 8 美元。 2 ) t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 低功耗高性能数字信号处理器，1 6 位定点，速度4 0 2 0 0 m i p s 。主要用途是有线和无线通信、 东南大学硕士学位论文 口、便携式信息系统、寻呼机、助昕器等。价格5 7 5 美元。 目前t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列中为市场广泛认可的产品有廉价型的数字信号处理器一一 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，目标价格是每片5 美元( 批量) ，主要应用对象是无线m o d e m 、新一代p d a 、网 络电话和其它电话系统以及消费类电子产品。 第二种是t m s 3 2 0 v c 5 4 2 0 ，它拥有两个数字信号处理器核，速度达到2 0 0 m i p s ，功耗 0 3 2 m a m i p s ，为超低功耗数字信号处理器。适合于做多通道基站、服务器、m o d e m 和电话系统等 要求高性能、低功耗、小尺寸的场合。 第三种是t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 ，它是1 1 公司0 1 5 t t m 器件中的第一款，速度为1 6 0 m i p s ，应用对象是 、，o 、通信服务器、p b x ( 专用小交换机) 和计算机电话系统等。 3 ) 傩3 2 0 c 6 0 0 0 这是t i 公司1 9 9 7 年2 月推向市场的高性能数字信号处理器，具有较佳的性价比和较低的功耗。 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中又分成定点和浮点两类。 第一种是t m s 3 2 0 c 6 2 x x1 6 位定点数字信号处理器，速度为1 2 0 0 2 0 0 0 m i p s ，用于无线基站、 a d s l m o d e m 、网络系统、中心局交换机、数字音频广播设备等，价格为5 2 2 4 美元。 第二种是t m s 3 2 0 c 6 7 x x3 2 位浮点数字信号处理器，速度为1 g f l o p s ，用于基站数字波束形成、 医学图像处理、语音识别、3 - d 图形等。价格1 0 9 2 3 3 美元 t m s 3 2 0 v c 6 0 0 0 在向两个方向发展，一是追求更高的性能，二是在保持高性能的同时向廉价型 发展。 根据上述的情况，综合结合性能以及成本方面的原因，我们考虑选用低功耗高性能的 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列中的廉价型的数字信号处理器一一1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 2 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的主要特征 j 巫巫至互 图2 2t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 内部结构图 1 4 作者在硕士研究生期间撰写和发表的论文 1 ) 增强的多总线结构 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 包括8 组1 6 位宽的总线，其中： 一组1 6 位程序总线( p b ) ，用于从程序存储区读取指令代码和立即数。 夺三组1 6 位数据总线( c b 、d b 、e b ) ，数据总线具有总线保持特性，其中c b 和d b 用来 从数据存储区读数据，e b 用来写数据到数据存储区。 夺 四组地址总线( p a b 、c a b 、d a b 、e a b ) ，用来输送指令操作所需的地址。 由于这种总线结构，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的指令丰富、功能齐全。它支持单指令循环和块循环； 存储块移动指令提供了高效的程序和数据存储器管理；支持3 2 位的长操作数指令，支持两 个或三个操作数读指令；支持并行存储和并行装载的算术指令；支持条件存储指令及中断 快速返回。 2 ) 内部结构 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的内部结构包括： 4 0 位的a 【u ，其输入来自1 6 位立即数、1 6 位来自数据存储器的数据、稿时存储器( t ) 中 的1 6 位字、数据存储器中两个1 6 位字、数据存储器中3 2 位字、累加器中4 0 位字。 夺2 个4 0 位的累加器，分为三个部分，保护位( 3 9 3 2 位) 、高位字( 3 1 - - 1 6 位) 、低字节( 1 5 一o 位) 。 桶形移位器，可产生0 到3 1 位的左移或0 到1 6 位的右移 1 7 x 1 7 位的乘法器 夺4 0 位的加法器 比较选择和存储器单元c s s u ，数据地址产生器d a g e n ，程序地址产生器p a g e n 存储器特征：扩展地址模式可最大寻址到1 m x1 6 的外部程序空间；4 k x1 6 的片上r o m ； 1 6 k x1 6 的双访问片上r a m 。 3 1 片上岁 设 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的片上外设包括： 夺通用引脚：x f 和b 刀。定时器，p u ，时钟产生器 增强型8 位主机接口( h p i ) ，多通道缓冲串口( m c b s p ) 可编程等待状态产生器，外部总线接口 i e e e l l 4 9 1 标准j t a g 口 4 ) 片外引脚 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 总共有1 4 4 个引脚，其中有2 0 根并行地址总线a 0 - a 1 9 ，1 6 根并行数据总线 d o d 1