（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式以太网的轴承噪声分布式监测系统.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 网络化已经成为嵌入式系统发展的一个趋势，而在工业现场通过网络对嵌入 式设备进行远程监测控制与管理是嵌入式设备网络化技术的一大应用。在研究分 析了嵌入式工业以太网技术的发展现状和趋势，本文提出基于嵌入式以太网的轴 承噪声分布式监测系统，其将d s p 对数字信号处理的优势和以太网的开放性相融 合，文中阐述了系统的可行性、创新性，给出了该系统详细的软硬件设计和工作 原理，以及其软硬件开发平台的选择和实现过程。按照系统的数据采集模块，数 据处理模块和网络接口模块来阐述其硬件电路设计原理以及软件调试过程。用 x m l s o c k e t 技术在工业以太网实现实时分布的采集系统与上位机之间进行信号 通讯，最后介绍上位机的图形用户界面( g u i ) 设计和实现。 同时本文采用小波变换方法对轴承故障进行噪声分析，提出一种能够对轴承 噪声进行在线提取特征信息的小波变换算法，给出了轴承典型故障的噪声特性及 其小波交换特征，用以判别轴承噪声的产生原因和类型。在m a t l a b 下仿真验证 了算法的正确性，为轴承故障诊断提供了强有力的分析方法。在对现场轴承噪声 数据采集时采用变换的音频处理方法，阐述了c o d e c 音频采集及处理的原 理，以及串行口通讯的硬件压扩原理。 根据以上方案设计的基于嵌入式以太网的轴承噪声分布式监测系统，可以很 好地在苛刻的工业环境中实现在线轴承噪声信号采集和处理的功能，完成分布式 实时数字信号处理与上位机监测功能。融合了网络的开放分布和d s p 高速信号处 理的优势，实现对工业现场数据采集处理设备的实时化、智能化和网络化。 关键词：嵌入式以太网数字信号处理轴承噪声分析分布式监测 d b 2 小波分析音频处理x m l s o c k e t 网络编程 浙江大学硕士学位论文 a b s t l a c t c o n n e c t i n gt h ee m b e d d e dd e v i c e st ot h en e t w o r kh a sb e c o m ea 皿日i nt r e n d ， r e m o t ed e t e c t i n g ，c o n t r o l i n ga n dm a n a g e m e n to ft h ee l b e d d e ds y s t e m sv i a n e t w o r ki so n ei p o r t a n ta p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e dn e t w o r k i n g t e c h n 0 1 0 9 y ，e s p e c i a l l yi nt h ef i e l d 。fi n d u s t r i a le n v r i o n m e n t b a s e do n a n a l y z i n ga n dc o p a r i n gs e v e r a ls o l u t i o n sf o re m b e d d e dn e t w o r k i n gb o t h a td r e s e n ta n di nt h ef u t u r e ， w eb r i n gf o r w a r do n ed e s i g no fe m b e d d e d e t h e r n e t b a s e dd i s t r i b u t e dm o n i t o r i n gs y s t e s f o rb e a r i n gn o i s e d e t e c t i o n ，w h i c hi st a k i n gt h ea d v a n t a g e o fn e t w o r k sd i s t r i b u t e d o p e n n n e sa n dd s p sh i g hs p e e ds i g n a lp r o c e s s i n ga b i l i t y ，t h ei n n o v a t i v e a n df e a s i b l ed e s i g no fs y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t e w a r ea r ed e s c r i b e di n d e t a i l a sw e l la sh o wi tw o r k st h r o u g he m b e d d e di n d u s t r i a le t h e r n e t n e t w o r kt om a k ea c c e s st ou s e rs t a t i o na n dt r a n s m i td i s t r i b u t e dd a t ab y x h 仉一s o c k e t t h es y s t e m sm o d u l e sa r ec o m p r i s e do fd a t aa c q u i s i t i o n ，s i n g a l p r o c e s s i n gm o d u l e ， n e t w o r ki n t e r f a c ea n dt h e ( 汗a p h i cu s e ri n t e r f a c e s o f t w a r ei nt h eu p p e ru s e rs t a t i o n s a 1 s oi nt h i sp a p e r ，n o i s ea n a l y s i sb yw a v e l e tt r a n s f o r mi su s e dt od e t e c t b e a r i n gf a u l t s aw a v e l e ta l g o r i t h mi sp r o p o s e d ， w h i c hh a st h ea b i l i t y o ff e a t u r ee x t r a c t i o nb e a r i n gn o i s ef r o mo n l i n ef i e l c l w o r k t h en o i s e c h a r a c t e r i s t i c sa n dw a v e l e tt r a n s f o r mo ft h et y p i c a lb e a r i n gn o i s e sa r e d e s c r i b e di nd e t a i l i no r d e rt of i n dt h er e a s o na n dd i s t i n g u i s hw h i c h k i n do fb e a r i n gn o i s e si ti s t h em e t h o di se v a l u a t e db yu s i n gm a t l a b s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls i g n a l s ， t h er e s u l t ss h o w t h a ti t sv e r y s u i t a b l ef o rt h ef a u l td i a g n o s i so fb e a r i n g a sw e l la st h ep r i n c i p l e s o fd i g i t a la u d i oa r eg i v e ns o m ed e s c r i p t i o n t h er e s u l ts h o w st h a t t h i ss y s t e mc a nw o r ks t a b l yi nt h ei n d u s t r i a l i i i 浙江大学硕士学位论文 e n v i r o n m e n tw i t hb e a r i n gn o i s ed e t c e t i n g ：i t sa b l et of u l f i lt h e r e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dd i s t r i b u t e dd e t e c t i n g i t i a k e st r u et h a tt h ee m b e d d e dd e v i c e si nt h ef i e l do fi n d u s t r i a l e n v r i o n m e n tc a nb er e a l 一t i m e ， i n t e l l i g e n t i z e da n dn e t w o r k e d k e y w o r d ：e m b e d d e de t h e r n e t ，d i g t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， b e a r i n gn o i s ea n a l y s i s ， d i s t r i b u t e dd e t e c t i n g ，d b 2w a v e l e t s ， a u d i op r o c e s s i n g ，x m l s o c e k t 浙江大学硕士学位论文 致谢 时光荏苒! 回首在浙江大学六年的求学生涯，特别是两年的硕士阶段学习生 活，点点滴滴仍然历历在目。我能够顺利完成学业，取得所有的成绩和荣誉奖励， 都离不开各位老师、同学、亲友的支持、鼓励与帮助。 首先我要感谢导师宋执环教授。在我本科生至研究生阶段，无论学习还是生 活，宋老师都给予了我无微不至的关怀，我在攻读硕士期间取得的所有成绩，无 不凝聚着宋老师的辛勤汗水，本文的许多思想都得益于宋老师的悉心指导，特别 宋老师身在国外，仍然时刻关心着我的学习和研究工作，令我非常感动。宋老师 严谨的治学态度，敏锐的科学嗅觉，朴素的工作作风，高尚的人格都深深地影响 着我，将使我终身受益。在此，特向宋执环教授致以最诚挚的谢意。 同时我衷心地感谢李平教授。李老师精益求精的治学态度，实事求是的学术 风范，平易近人的高尚品格无不对我影响至深。 在项目科研期间，仪表所王保良副教授以及其它工控所老师都给了我科研工 作上许多支持和帮助，在此一并表示感谢。 另外衷心感谢实验室衷路生博士、葛志强博士、刘毅博士、李婷婷硕士、樊 雷硕士等给予我的帮助与鼓励，感谢所有支持和帮助过我的老师、同学、亲友， 同时祝愿他们在自己的岗位上一帆风顺。 特别感谢我的父母，他们在我的学习和生活上给予我最无私的鼓励和支持。 最后向审稿和答辩的专家学者表示感谢。 v 韩志峰 2 0 0 6 年5 月于浙大求是园 第一章绪论 第一章绪论 摘要：本章介绍嵌入式工业以太网技术的发展现状和趋势，将d s p 对信号处理的优势和以太 网的开放性相融合，提出基于嵌入式以太阿的轴承噪声分布式监测系统，最后阐述本文的创 新性以及主要的工作内容。 关键词：嵌入式以太网d s p 轴承噪声监测 1 1 引言 以太网( e t h e r n e t ) 技术是当今最受欢迎的局域网技术，事实上它已成为最常 用的网络标准，采用以太网实现数据通讯就是把远距离数据传输、分布式运行、 信息共享等特点应用到动态信号采集和分析领域。而适于密集型数字运算与实时 信号处理的数字信号处理器( d s p ) 正迅速进入嵌入式应用领域，以d s p 为核心及 其创新产品正成为现代化仪器仪表的热点。如何将数字信号处理器与以太网连接 起来显得非常重要。随着以太网技术的不断发展，嵌入式系统与以太网相结合应 用于工业控制领域是一种发展趋势，嵌入式芯片及其相应软硬件产品的发展也成 为加速这一进程的主要动力。可以预计，随着仪表、控制器、变送器和执行器等 嵌入式设备连到以太网上，基于e t h e r n e t i n t e r n e t 的网络化虚拟仪器与数字信 号处理的完美结合，它代表了当前以及今后仪器仪表领域的发展方向和世界潮流 【1 0 因此基于嵌入式以太网的轴承噪声分布式监测系统将d s p 对信号处理的优 势和以太网的开放性相融合，d s p 强大的工业现场实时采集数据和信号处理功能 以及合理的任务划分策略，不仅保证了该系统具有优越的实时性信号处理能力， 而且成功地将对网络数据传输的要求也控制在可行范围内。在每个独立的局域网 中的数据采集和处理模块可以将现场数据进行实时地计算和信号处理，然后通过 网络传输到远程的工作站上位机，实现了采集数据的分布式计算和集中监控管 理，如图1 1 所示。可以实现任意时间、任意地点对系统的远程登陆访问，实时 地获取仪器的工作状态；通过友好的用户界面，可对远程仪器的功能加以控制， 状态进行监测：还能将远程仪器测得的数据通过网络迅速传递给本地计算机。 浙江大学硕士学位论文 图1 1 数据采集与分布式计算原理图 1 2 嵌入式系统在工业以太网中的应用 1 2 1 嵌入式以太网介绍 嵌入式系统的概念最早出现于上世纪7 0 年代左右，此时的嵌入式系统很多 都不采用操作系统，其只是为了实现某个控制功能，使一个简单的循环控制能够 对外界的控制进行处理。根据国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 的定义，嵌入式 系统是“控制、监视、或者辅助设备、机器和车间运行的装备”( d e v i c e su s e dt o c o n t r 0 1 ， m o 九it o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ， m a c h i n e r yo r p l a n t s ) 【2 1 。目前，国内普遍认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的 专用计算机系统。 随着信息技术的飞速发展，特别是互联网的迅速普及，3 c ( 计算机、通讯、 消费电子) 合一的加速，数字化时代已经来临，嵌入式系统技术的应用日益广泛 深入。嵌入式系统具有系统内核小、专用性强、系统精简、高实时性的操作系统 软件等特点，使得其在工业过程控制、交通管理、信息家电及机器人系统等研究 生产领域中得到广泛应用。而在这些应用中，为了实现多个嵌入式微处理器之间 的信息交流，大多利用c a n 、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等总线将微处理器组网，这种网络的 通信距离比较有限，有关的通信协议也比较少，并且一般是孤立于i n t e r n e t 以 外的。嵌入式系统接入i n t e r n e t 以后，不仅实现了设备的远程控制、维护和升 第一章绪论 级，而且从另一层意义上讲，接入i n t e r n e t 的设备已经成为网络共享资源的一 部分。 另外，以太网是当今最受欢迎的局域网之一，现在成为工厂的重要基础信息 设施。以太网一般都基于t c p i p 协议，使得整个网络只有一种底层通讯协议， 可以满足控制系统各个层次的要求，不仅使得企业信息网络和控制网络得到统 一，而且易于和i n t e r n e t 实现无缝连接。通常，一个嵌入式系统接入i n t e r n e t ， 可选择一个提供t c p i p 协议的嵌入式操作系统，或是在现有操作系统之上加入 t c p i p 协议栈，实现t c p i p 连接。而对于嵌入式系统在网络化开发的过程中， 首先要解决的就是与以太网络的连接问题，亦即如何将通用处理器的网络连接装 置( 以太网络控制器) 应用于嵌入式网络的开发。 1 2 2 嵌入式系统网络化技术的研究现状及趋势 使用微处理器( m c u ) 嵌入以太网e t h e r n e t 方案关键是利用m c u 上的本身资 源对信息进行t c p i p 协议的处理，使之成为以太网上可以传输的i p 包的形式。 因此嵌入式系统网络化技术的主要难点在于：如何利用嵌入式系统自身有限的资 源实现t c p i p 协议栈以及接入以太网进行数据交换传输。对于此问题，国内外目 前的解决方案如下： ( 1 ) 高档m c u 片上系统 o s i c 鲫公司研发了n e t + a r m 的系统级芯片( s o c ) 。该方案使用r i s c 技术的 4 0 m i p s 的a r m 7 处理器，加上以太网。使用下列网络协议：t c p 、u d p 、r a r p 、i c m p ， 还有关于i n t e r n e t 的高层软件协议：h t t p 、s m t p 、f t p ，还包括p s o sr t 0 s 等组成 的s o c 【3 j o ( 2 ) 3 2 位m c 叶r t o s 采用3 2 位高档的单片机，在实时多任务操作系统( r t o s ) 平台上进行软件开 发，在嵌入式系统中实现t c p i p 协议处理，目前国内比较流行的r t o s 有v x w o r k s 、 d s o s 、v r t x 、w i n d o w s c e 、q n s 等h ，这些r t o s 各有特点。而一般所采用的单片机 是m c 6 8 k 、p o w e rp c 、x 8 6 等【5 1 。 这种方法是采用嵌入式操作系统r t 0 s ，用软件方式直接处理t c p i p 协议。实 时操作系统的功能越来越强大，许多都具有图形界面和t c p i p 的支持能力。这里 浙江大学硕士学位论文 介绍一种数据采集系统，其中的1 0 0 m b p s 以太网控制模块是基于3 2 位高性能的 c 0 1 d f i r e 5 3 0 7 微处理器设计的，运行嵌入式操作系统u c l i n u x ，完成基于以太网 的数据采集任务。c 0 1 d f i r e 系列微处理器是m o t o r o l a 公司面向嵌入式工业控制 系统的高性能3 2 位微处理器。它具有很好的3 2 位架构，是m o t o r 0 1 a 公司延续 m 6 8 k 产品线的替代产品，继承了m 6 8 k 系列优秀的指令集设计和c i s c 架构的优 点，并融入了r i s c 架构的优点，在速度和架构之间得到很好的平衡，非常适合 于工业现场控制。c o l d f i r e 微处理器上可以运行流行的实时操作系统，像 v x w o r k s 和n u c l e u s 等。但是最为可靠和常见的，是运行v x w o r k s 操作系统嘲。 由于采用高档的单片机和实时操作系统，此方案可以完成多任务、实时等复 杂的功能，但是成本比较高，要购买昂贵的r t o s 的开发软件，对开发者的要求 也比较高。 ( 3 ) 完整的单芯片( 1 6 位m c u ) 快速以太网控制器 2 0 0 4 年9 月2 0 日飞思卡尔半导体公司宣布推出业界首颗完整的单芯片 1 0 1 0 0 m b p s 以太网芯片。这颗代号为m c 9 s 1 2 n e 6 4 的1 6 位m c u 可取代之前的多 芯片以太网方案，帮助系统开发商降低系统开发的难度和成本，实现在单芯片上 实现完整的以太网连接。 m c 9 s 1 2 n e 6 4 是在飞思卡尔的h c s l 2 c p u 平台上研发出来的。它提供了以太网 连接所需要的一切一通信堆栈、闪存、r a m 、m a c 和物理层( p h y ) 收发器一所有这 一切都被封装在一个低引脚数的单芯片内。选择m c 9 s 1 2 n e 6 4 的开发商能够获得 单芯片快速以太网( 1 0 0 m b p s ) 解决方案带来的各种优点，即提高系统的可靠性、 减小系统内以太网控制板的大小。 ( 4 ) 低端m c u + t c p i p 协议栈芯片 此方案是由m c u 及固化了t c p i p 协议的芯片组成应用系统为内核。应用系统 可以直接拨号上网，硬件电路相对比较简单，但是需要大容量的存储器。如果采 用的t c p i p 协议芯片是软件固化的，那么要求m c u 有较高的运行速度。采用此方 案的芯片多为z w o r l d 公司 7 】的r a b b i t 2 0 0 0 叼，8 0 c 5 1 系列 1 0 】单片机，以及各种 d s p 芯片 1 1 12 1 。 这个方案的优点是将8 位单片机或d s p 系统直接与i n t e r n e t 相连，可以使p c 机 和单片机系统通过i n t e r n e t 互相远程访问。但需要大容量的程序存储器，设计工 4 第一章绪论 程师必须熟悉t c p i p 等协议和相关的接口，软件的设计量较大。另外每个电子设 备都需要一个i p 地址，因此需要扩充i p 的协议才能得到更好的支持。 ( 5 ) m c u + e m i t 和协议e m g a t e w a y 网关 利用e m w a r e 公司开发的e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i n g t e c h n o l o g y ) ，在应用系统的m c u 内部采用e i i l n e t 协议，再通过e g a t e w a y 与 i n t e r n e t 连接。每个嵌入式设备的应用程序包含了一个独立的通信任务e i l l m i c r o ， e i i l m i c r o 和e m g a t e w a y 一起为嵌入式设备提供i n t e r n e t 的性能。 由于复杂的网络协议是通过e g a t e w a y 在p c 机上实现的，应用系统m c u 只使用 比较简单的e 州e t 协议，因此对m c u 的要求比较低，但应用系统设计工程师必须熟 悉e l i l n e t 协议和相关的接口，软硬件设计的工作量比较大，同时，应用系统的单 片机处理e m n e t 协议要占用一定的系统资源。 ( 6 ) m c u + w e b c h i p + p c 网关 所谓w e b c h i p 是独立于各种微控制器的专用网络接口【1 3 】 1 4 】【15 1 ，它通过标准的 输入、输出口与各种m c u 相连。m c u 通过w e b c h i p 与网关连接即可接收并执行经由 i n t e r n e t 远程传来的命令或者将数据交给w e b c h i p 发送出去。 w e b c h i p 的主要优点：对m c u 应用系统的设计工程师来说，无需熟悉复杂的网 络协议以及其接口；对m c u 芯片来说，对运行速度和存储器容量无特殊的要求， 软件设计只需要增加一小段接口程序，其它无需作大的改动，在大程序上简化了 应用设计的工作量，可以缩短m c u 应用系统的设计周期。 通过上述各种方案的比较可知，其中方案一性能卓著，而且有操作系统，但 开发周期长而且价格不菲；方案二m c u 性价比不高；方案三是成品产品，使用方 便但不是自主开发，需要购买相应的开发软件；方案五和六采用p c 接入式，都 不适合于本嵌入式工业以太网信号处理与监测系统。方案四是比较符合本项目开 发需要的，自主研发，硬件自己选型，软件自己编写。 1 2 3 嵌入式工业以太网监测与控制系统发展前景 以太网已经成为办公通信的标准，在企业控制层与管理层之间的应用也己 毫无问题，接下来的事情是如何在向工业现场级应用。工业以太网对工业自动化 而言，将担负着未来实现统一网络的重任。以太网在工业领域的应用并不是一个 浙江大学硕士学位论文 新的话题，以太网已经是公认的企业级信息系统集成事实上的标准。工业以太网 的发展正是伴随着工业企业信息化的要求，在i t 技术迅猛发展的背景下发展起 来的。基于以太网技术在工业系统信息集成方面的成功，人们对将其引入车间现 场寄予了莫大的期望。 工业以太网尽管开放性很高，以太网是世界上应用最多的网络，超过9 3 的 网络节点为e t h e r n e t 。现在的工业以太网现场总线采用一种称为连接装置 ( 1 i n k i n gd e v i c e ) 类似带开关的集线器结构，很好地解决了以太网的时间确定 性问题。目前，p r o f i b u s ，d e v i c e n e t ，c o n t r 0 1 n e t 和l o n w o r k s 等都打算使用 e t h e r n e t 。这些公司都在研究通过隧道( t u n n e l ) 的简单传输机构，使用e t h e r n e t 传送报文。 由于采用与商用以太网相同的技术，因此具有最广大的支持网络和资源。 为了促进以太网在工业领域的应用国际上成立了工业以太网协掣1 q 和i a o n a 【1 7 ， 并与美国a r ca d v i s o r yg r o u pa m rr e s e s c h 研究中心和g a r t n e tg r o n p 、a m r r e s e a c h 研究中心和g a r t n e rg r o u p 等机构合作，开展工业以太网关键技术的研 究。美国电气工程师协会( i e e e ) 正着手制定现场装置与e t h e r n e t 通信的新标 准该标准。该标准让网络直接看到对象( o b j e c t ) 。这些工作为e t h e r n e t 进入工 业自动化的现场级打下了基础。为适应市场趋势全球主要自动化厂商和组织加强 了工业以太网实现。 法国施奈德公司：4 年前推出透明工厂战略，使其成为工业以太网应用的 坚决倡导者。m o d b u st c p i p ( 1 9 9 8 ) 是目前工业以太网施实了的标准，并促进 以太网在传感器和设备级的应用。德国西门子公司：1 9 9 8 年发布工业以太网白 皮书，并于2 0 0 1 年发布其工业以太网的规范，称为p r o f i n e t 。美国罗克韦尔自 动化公司：2 0 0 0 年发布工业以太网规范，称为e t h e r n e t i p 。基金会现场总线 f f ：2 0 0 0 年发布工业以太网规范，称为h s e 。 e t h e r n e t 仅仅只有物理层和链路层规范，它通常与t c p i p 等平台无关的 协议结合应用。我们所指的e t h e r n e t 实际上是指基于t c p i p 协议的以太网，即 e t h e r n e t i p 。过去，以生产p l c 为主的公司都使用e t h e r n e t 完成信息级通信， 其中，西门子公司的s i m a t i c n e t 将e t h e r n e t 应用到车间级，并有向下层通信的 趋势。随着f fh s e 的开发成功，e t h e r n e t 将广泛应用于工业控制系统的监控网 6 第一章绪论 络。特别令人感兴趣的是，国际上有些公司已推出了完全以工业以太网为基础的 控制系统，其工厂级、监控级和现场级均采用基于t c p i p 通信协议的工业以太 网，配备w e ds e r v e r 功能，而且这种趋势愈来愈明显。可以预测，像当年工业 p c 进入工业自动化领域一样，e t h e r n e t i p 将会十分迅速地进入工业控制的各级 网络。 基于t c p i p 的e t h e r n e t 构成的工厂网络的最大优点是将工厂的商务网、 车间的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成了畅通的透明网络，并与w e b 功能相结合，与工厂的电子商务、物资供应链和e r p 等形成整体，这就是旌奈 德的透明工厂概念。所谓透明工厂，即基于开放的i n t e r n e t 和e t h e r n e t ，实现 开放的商业化技术的应用o p cs e r v e r s ，e t h e r n e t ，i n t e r n e t ，i e c l l 3 l ：基于 i t i n t e r n e t 技术的产品开发嵌入式网页服务器和浏览器提供对p l c 数据的访问 时问和可视化；采用开放的网络策略t c p i p ，物理层e t h e r n e t 创建现有的p l c 作为“内容提供商”嵌入式服务器插件和o p cs e r v e r 。 按照互联网参考的7 层协议【1 8 】，e t h e r n e t 只提供了物理层和链路层协议， 且通常与t c p i p 等协议结合应用。由于应用层协议不同，因此难以保证其互操 作性。传输控制协议网际协议( t c p i p ) 是i n t e r n e t 的网络层和传输层协议。 在商业领域，它的互操作性由i n t e r n e t 的应用层的文件传输( f t p ) 、终端访真 ( t e l n e t ) 、电子邮件( s m t p ) 和其它公共协议保证；在自动化领域，尚无标准 的应用层，各自动化厂商都有自己的应用层，如e t h e r n e t i p 就是一种应用层 协议。 为了在不同的网络设备中实现互操作，当前多个组织正在为工业自动领域 的t c p i p 定义公共应用层协议。特别是将e t h e r n e t 用于现场设备级，是当前 的热点课题。例如，面向制造自动化的e t h e r n e t ，产生了一种基于控制和信息 的协议( c i p ) 的新型以太网一工业实时以太网。这是为传输控制协议用户数 据协议协议( t c p u d p i p ) 定义的、基于主机客户机的控制和信息协议。 e t h e r n e t 的c i p 称为e t h e r n e t i p 。c i p 是专为工业控制设计的应用层协议，提 供了访问数据和控制设备操作的服务集。它采用用户数据协议网际协议 ( u d p i p ) 和传输控制协议网际协议( t c p i p ) 作为e t h e r n e t 网上的控制和 信息协议，允许发送显式( 信息) 和隐式( 控制) 报文。其中，隐式报文是对 浙江大学硕士学位论文 时间有苛刻要求的i o 信息( 事件触发、控制器互锁等) ，通过u d p i p 完成的 隐式报文中数据区包含实时i o 数据( c i p 的控制部分) ；显式报文是无时间苛 刻要求的点对点信息，可由t c p i p 完成( c i p 的信息部分) 。c i p 向终端用户提 供了自动化系统必不可少自q 控制、组态、数据采集服务功能。为面向自动化领 域提供了以太网上的工业自动化设备的互操作性和可换性。 l - 3 嵌入式以太网与d s p 技术在轴承噪声监测中的应用 滚动轴承是机械设备中最常用的部件之一，在机械设备的支撑部件中占有重 要的地位。滚动轴承是机器中的易损元件，据统计旋转机械的故障有3 0 是由滚 动轴承的故障引起的，其状态的正常与否直接影响整机的性能。实现滚动轴承状 态的不解体检测，对减少维修费用，降低维修和检测工人的劳动强度，提高生产 效率，避免无谓损失和保证系统的安全至关重要。在滚动轴承的故障类型中，滚 动轴承的局部损伤是滚动轴承故障的主要形式。目前对轴承的检测以人工手盘检 测为主，根据声音是否异常进行人工判断，人为误差因素较大，且故障定位不准 确，不仅检测效率低，而且质量很难保证( 确诊率仅为8 2 ，误诊率为1 8 ，漏 诊率为4 3 ) 1 “。 轴承产品是否存在故障或精度是否符合要求，主要体现在其运转噪声上，传 统的轴承检测仪表一般只检测振动，易受到环境因素干扰，本系统采用噪音检测， 通过信息融合提高测量信息的可靠性。在线监测仪的核心是基于d s p 的嵌入式系 统，内置数字滤波、小波变换、特征提取、噪声分析等软件模块，对盗测信号进 行分析处理，其结果可直接用来判断被测轴承是否合格。轴承监测仪带有计算机 数据通信接口，与计算机之间进行数据交换，计算机通过建立故障特征库和知识 库，运用模式识别技术进一步进行故障分类，分析故障原因，为提高产品质量、 降低故障率提供辅助决策信息。主要特色如下： 采用轴承噪声故障检测方法，通过信息融合提高测量信息的可靠性； 对检测信号( 振动、噪音) 进行小波变换，根据小波变换域的极大模、奇异 点、阈值等信息实现故障特征提取； 轴承检测仪以高速d s p 为核心，发挥d s p 运算速度快、精度高的优势，使得 数字滤波、小波变换、特征提取等信息处理算法能够在线实现； 第一章绪论 采用嵌入式系统技术，使轴承监测仪智能化、通用化、网络化； 基于以太网技术，使得系统的信息传输快速可靠，实现分布式数据采集计算。 1 4 研究意义与主要工作 1 4 1 本文的主要工作 本文研究嵌入式系统的发展与开发特点，分析比较几种国内外对嵌入式系统 接入以太网的方案，纵谈以太网的应用前景，掌握了嵌入式工业以太网控制与监 测系统的开发方法，并提出此方案的解决和软硬件设计，大体主要进行以下工作： 1 研究了解工业以太网的t c p i p 协议以及网络连接原理，对要设计的系统进 行需求分析和总体规划设计。通过对各种嵌入式系统接入以太网的方法进行比 较，选择适合的系统软件和硬件的开发平台与工具。 2 根据系统的要求设计嵌入式系统的硬件电路，包括数据处理模块、网络接口 设计和外部存储器模块等，并可以进一步扩展设计。 3 开发对应所须的硬件驱动程序，以及实现网络功能的t c p i p 协议栈的 x m l s o c k e t 程序。 4 开发具有图形界面的上位机软件，使得其连通网络而且能够有数据库构架支 持。 5 系统的集成调试，使得所开发的软件和硬件能够符合设计要求并且安全稳定 运行。 1 _ 4 2 本项目方案可行性与创新性 实时信号分析系统广泛采用p c i 总线、u s b 总线、v x i 总线等方式，但这些数 据通讯方式都只适用于短距离数据传输和单机运行方式2 0 1 。采用以太网实现数据 通讯就是把远距离数据传输、分布式运行、信息共享等特点应用到动态信号采集 和分析领域。在基于e t h e r n e t 动态信号采集和分析系统中，数据传送依靠t c p i p 协议，其所具有的网络功能并不要求作为上位机的p c 机与数据采集分析仪处在 浙江大学硕士学位论文 同一局域网内，只要能连上i n t e r n e t 网且满足带宽要求，就可以方便地在任何 地点、任何时间采集和分析数据。 从结构上看，基于以太网的实时信号分析系统与传统的信号分析系统有较大 的区别，主要是实时信号处理模式与数据通讯两个方面。基于以太网的实时信号 分析系统，数据采集和分析采用专用的d s p 处理器，不仅负责采集数据且完成大 部分的信号处理任务，如数字滤波、f f t 、小波分析算法等；上位机负责提供用 户界面，完成显示、参数设置、存储等功能。并且上位机具有数据库支持的用户 软件，不仅使以太网通讯满足了动态信号分析的需要，而且对历史数据能够再次 调用和回溯。因此d s p 强大的信号处理功能以及合理的任务划分策略不仅保证了 该系统具有优越的实时性信号处理能力，且成功地将对网络数据传输率的要求也 控制在可行范围内【2 1 。 1 5 文章概要 第一章为绪论，介绍工业以太网与d s p 技术的融合以及应用背景：第二章为 实现系统实际应用目的理论算法研究，即提出能够进行轴承噪声监测的小波算法 以及音频信号处理方法；第三章为系统整体开发方案的论述，其中的硬件系统各 个模块的电路设计和实现在第四章中详细给出，而软件平台下的编程和系统用户 界面编程在第五章中阐述，而最后一章对全文以及系统的设计给出了总结，并提 出了工作的展望。 1 0 第二：章轴承噪声分析的小波算法和音频处理原理 第二章轴承噪声分析的小波算法和音频处理原理 摘要：本章采用小波变换方法对轴承故障进行噪声分析，提出一种能够对轴承噪声进行在线 提取特征信息的小波变换算法，给出了轴承典型故障的噪声特性及其小波变换特征，用以判 别轴承噪声的产生原因和类型。在m a t l a b 下仿真验证了算法的正确性，为轴承故障诊断提 供了强有力的分析方法。在对现场轴承噪声数据采集时采用变换的音频处理方法，阐 述了c o d e c 音频采集及处理的原理，以及a d s p 与c o d e c 进行串行口通讯的硬件压扩原理。 关键词：轴承噪声d b 2 小波分析音频处理硬件压扩 2 1 轴承噪声介绍与轴承噪声故障检测方法 轴承俗称机械的“心脏”，凡是有转动的地方都要用上轴承。轴承虽是基础 件，但对其要求是很高的，它必须有高的精度和好的使转灵活性、高的耐磨性和 低的噪声等等，尤其是当今时代对环境噪声的要求越来越高，那么对机械设备就 要采取降低噪声的措施，所以对轴承提出了降低噪声的要求，为此我们必须了解 哪些因素对轴承的噪声有影响，从有关资料及实验结果表明下列因素对轴承噪声 有影响：滚动体的精度和表面粗糙度，滚道工作面，保持器，游隙，内在质量等 因素2 2 1 。轴承噪声分成如下几种形式：由轴承的结构型式、尺寸大小等因素所 产生的噪声为基本噪声。如由轴承的弹性变形、滚动体、游隙、保持架等所产生 的噪声。轴承表面效应引起的噪声，如轴承套圈、钢球工作表面的圆度、波纹 度、粗糙度、缺陷等引起的噪声。摩擦与润滑产生的噪声。工况条件引起的 噪声。轴承的载荷、转速、安装配合状态直接影响轴承噪声的产生，轴承的转速 越高、载荷越大，则轴承所产生的噪声就越大口”。 轴衬故障噪声分类：在全波段5 0 h z 1 0 0 0 0 h z 频率范围内，轴承噪声的三个测 量频带按表2 1 的规定【矧： 表2 1 轴承噪声频率范围 l 频带 低频带中频带高频带 l 频带范围 5 0 0 帅i k3 伽卜1 8 哪z 1 帅m v l 0 0 帅h z 浙江大学硕士学位论文 轴承根据其物理部件损伤的位置和原因，对应的噪声可以分为球划伤、球缺 陷伤、内沟圈道损伤、外沟圈道伤、内圈滚道肩损伤。本章用来处理的6 个w a v 音频文件分别为正常和5 种故障情况下的数据，现场采集的大小约为2 m 至5 m b y t e ，分别对应故障类型命名为正常情况( n o r m a l ) ，球划伤( b a l l 一s c r a t c h ) ， 球缺陷伤( b a l l h u r t ) ，内沟圈道损伤( i n n e r c u t ) ，内圈滚道肩损伤 ( i n n e r c u t - b o r d e r ) ，外沟圈道损伤( o u t c u t 咱o r d e r ) 。 检测轴承故障方法很多，如振动分析、噪声分析、温度检测、油样分析等瞄】。 其中噪声分析是比较有难度的方法，因为轴承运行过程中振动和噪声信息丰富， 即使正常的轴承也有复杂的振动和噪声，这使得一般方法对轴承进行故障诊断的 灵敏度不高。本文利用小波分析的方法来对轴承故障进行噪声分析，使得对其噪 声信息进行特征提取并进一步分析其造成噪声产生的原因和故障类型。 轴承故障诊断的传统方法是通过其振动信号的傅立叶分析来进行的。小波分 析在时域及频域的局部化和可变分辨率的特征，在信号分析方面比傅立叶分析具 有更为显著的优点，而轴承工作表面损伤所表现的信号中含有突变性质的成分， 因此利用小波分析方法来处理轴承的噪声信号，可以得到更为有效、敏感的诊断 特征信息。 2 2 轴承噪声的小波分析 小波分析属于时频分析的一种。传统的信号分析是建立在傅立叶( f o u r i e r ) 变换的基础之上的，由于傅立叶分析使用的是一种全局的变换，只能完全在时域， 或者只能完全在频域，所以无法表达信号的时域性质，而这种性质恰恰是非平稳 信号最根本和最关键的性质。为了分析和处理非平稳信号，人们对傅立叶分析进 行了推广乃至根本性的革命，提出一系列新的信号分析理论：快速傅立叶变换， g a b o r 变换，时频分析，小波变换，r a n d o n w i g n e r 变换，分数阶傅立叶变换， 线调频小波变换，循环统计量理论和调幅一调频信号分析等。其中，快速傅立叶 变换( f f t ) 和小波变换( w a v e l e t ) 也是由于传统的傅立叶变换不能够满足信号 处理的要求而产生的。 小波分析是一种信号的时间一尺度( 时间一频率) 分析方法，它具有多分辩 率分析( m u l t i r e s 0 1 u t i o na n a y l s i s ) 的特点，而且在时频两域都具有表征信 1 2 第二章轴承噪声分析的小波算法和音频处理原理 号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变但其形状可以改变，时间窗和频率 窗都可以改变的频率局部化分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较 低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，很适 合于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，所以被誉为分析信号的 “显微镜”，利用小波变换进行动态系统故障检测与诊断具于良好的效果。 设坝f ) r 职) ( r ( r ) 表示平方可积的实数空间，即能量有限的信号空间) ， 其傅立叶变换为痧( 出) 。当多( ) 满足允许条件( a 血i s s i b l e c o n d t i o n ) ： c 炉z 臀芈d 脚 = “2 胁) y ( 半) 其逆变换为 2 7 ： 加，= 古加，啪c 等，出如。 小波变换的时频窗口特性与短时傅立叶变换的时频窗口不一样。其窗口形状 为两个矩形 6 一日矿，6 + a 矿 ( 一口，( + 矿) 口 ，窗口中心为 ( b ，口) ，时窗和频窗分别为口y 和口。其中b 仅仅影响窗口在相平面 时间轴上的位置，而a 不仅影响窗口在频率轴上的位置，也影响窗口的形状。这 样小波变换对不同的频率在时域上的取样步长是调节性的，既在低频时小波变换 浙江大学硕士学位论文 的时间分辨率较低，这正符合低频信号变化缓慢而高频信号变化迅速的特点，这 便是它优于经典的傅立叶变换与短