（控制理论与控制工程专业论文）旋转机械振动监测系统的设计和实现.pdf

摘要 摘要 旋转机械状态监测是保障大型机组安全高效运行、防止恶性事故的有效手 段。当今国内的振动监测设备是以单片机或者计算机为核心的处理系统，对数据 的处理能力有限，基于d s p 的数字式系统具有处理精度高、实时性强、利于并 行处理等优点，适用于旋转机械状态监测系统。本设计即针对旋转机械的状态监 测。 本系统主要由模拟信号调理、数字信号处理器( d s p ) 及通讯3 部分组成。模 拟信号调理模块对输入的信号进行调理，以达到系统和模数转换器( a d c ) 采样 的要求；d s p 作为系统的核心部件，外扩了a d c 、以太网控制器、r s 4 8 5 总线 收发器、c a n 总线收发器和时钟芯片，d s p 对实时数据进行处理，当报警发生时 将实时数据通过以太网上传给上位机。目前在工业控制领域，r s 4 8 5 总线、c a n 总线和以太网都得到了很好的应用。在本文的设计中，将以上3 中通讯集成在了 同一个系统。其中d s p 选用1 1 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，充分发挥了其快速的处 理能力和强大的片上外设。 对于高速处理系统，电路设计和电磁兼容性( e m c ) 的设计很重要，尤其是高 频布线要求更高，本文对此做了比较详细的介绍；在混合电压系统中，不同电源 电压器件的接口需进行电压变换，本文对此也做了详细的介绍。 在本设计中，作者主要负责系统的硬件和软件设计。 关键词状态监测；模拟信号调理；d s p ；通讯；电磁兼容：混合电压系统 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n d m o nm o n i t o r i n gi sa ne 髓c t i v es 廿a t e g yf o rr o t a 恤gm a c l l i n e r y n o w a d a y s ， t h e 】( e 埘e lc b j p so ft 1 1 ee q u i p m e n tf b r 啊b r a t i o nm 砌t 嘶n gw 1 1 i c ha r ea d o p t e db yt h e f a c t o r yo fo u rc o l l l l 廿ya r es i n 西e 伽p0 rc 咖p u t c lt h e i ra b i l i 哆o fd a t ap r o c e s si s l i m i 伽t h ed i 百t a ls y s t 锄b a s e do nd s pi sc h a m c t e r i s t i co f m o r ep r e c i s i o na n dm o r e a c n j a l i t y i ti sv 哪丘tf o rc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo fr o t 缅gm a d h 血e r yb e c a u s e o fi t s 曲r o n ga b i l i 哆o fp a r a l l e l d i s p o s a l t h ed e s i g no f 吐l i sa m d ei s u s e df o r l e c o n d 越o nm o n i t o f i n gf o rr o t a t i n gm a c b j n 叼i t h es y s t e mi sc o m p o s e do ft l l ep a r t so f 吐l ea n a l o gs i 鼬a 1r e g l l l 撕o d i 百t a l s i 口a 1p r o c e s s o r ( d s p ) 锄dc o n l m u i l i c a t i o n t h ea 1 1 a i o gs i 弘a l sa r er e g l l i a t e dt o s a t i s 母t l l es y s t e r l la n da n a l o g t o d i 武a 1c o n v e r t e r ( a d c ) ；d s pi s 廿1 ec o r ep a r ta i l di s c o 肌e c t 。dw i 也a d c s ，ac o n 劬1 1 e ro fe t h e m 吒ar s - 4 8 5b u sh 锄s c e i v ac a nb u s t r a n s c e i v e ra n dad o c k t h er e a l - t i i n eda _ t ai sd i s p o s e db yd s pa i l di s 岫s 虹t c dt o m eu p p e rc 咖叩u t e rw h e nm ea l 嘲i sh 印p c n c d n o w a d a y s ，r s 4 8 5b u s ，c a nb u s 锄de l l l 锄c ta r eu s e dm u c hb e t t e ri nt 1 1 ed o m a i no fj n d l l s n yc d n 缸d 1 t h e s e 衄e e c 0 蚰u 芏l i c a t i o nm e a n sa r ci n t e g r a t e d 试t l l i nm ed e s i 印i nt l l i sa n i c l e 1 1 1 em o d u l eo f d s pi s1 m s 3 2 0 f 2 81 2o ft ic o m p 锄ya 1 1 di t ss 缸蚰ga b i l 时o fp m c e s s i n ga i l d f h c i l i 廿e so nc h j pa r eb e t t e ru s e d t h ed e s i 印so fc i r c u i ta n de 1 c c 仃om a 印e t i cc o m p a t i b i l 时( e m c ) a r ev e r y i m p o n a n tf o rt l l eh i 西卜s p e e dd i s p o s a ls y s t 锄a 1 1 d 仕l ed e s i g no fh i 曲自他q u e n c yp r i l l t e d c i r i ti sm o r ei m p o n 趴t ni sd e s c f i b c di nd e t a i l i nt 1 1 i sa n i d e ；f o r 血em i x e dv 0 1 t a g e s y s 衄n ，t l 】em e e to fd i 溉tv 0 1 t a g e 幽pi sv e 巧i m p o n a n t 盟di ti sa l s 0d e s 嘶b c di n d e t a i l i nt h i ss y s t e m ，t l l ea u i h o rt a k e sc h a 理譬so ft l l ed e s i g no fh a r d w a r e 蛆ds o 行w a r e k e yw o r d sc o n d i t i o nm o i l i t o 血g ；趿a l o gs i 盟a 1r e 鲥a t i o n ；d s p ；c o 衄u n i c a t i o n e m c ：m i x e dv o l t a g es y s t e m 1 i 一 独创性声明 本人声明所呈交的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j 塞王些盔堂或其它教育机构 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：唪大欠日期： 伊以6 、3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 立王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢孝婊聊签名儆吼“s 、， 第l 章绪论 1 1 课题的意义 第1 章绪论 振动工程近十多年来发展非常迅速，受到了国内外专家和工业、农业、国防 各部门科技工作者的重视。近代工程技术的飞跃发展，特别是航空、航天、海洋 工程、电力、化工等技术的发展，必须对振动进行预测、采集、并实时处理在运 行过程中的载荷数据的响应数据，对大型结构系统进行振动和噪声分析，尤其是 基于t c p i p 或者u d p t p 协议的以太网技术，使得在远距离的地方就能进行监视 和通信，对可能产生的过大振动事先加以避免或进行控制以确保安全、经济合理。 因此，振动工程包括振动、冲击、波动、噪声和各种动态技术( 包括试验技术、 测试分析技术、计算技术、信号和信息处理技术、自动控制技术、检测和故障诊 断技术以及试验设备和材料动力性能等方面) 的研究，己越来越在国民经济中发 挥重要作用。 振动测量的意义主要有以下两个方面： 1 预防事故、保证人身和设备的安全。预防事故，保证人身和设备的安全 是开展设备诊断工作的直接目的和基本任务之一。我们知道，一些设备，特别是 流程大型设备一旦发生故障将会引起链锁反应，造成巨大的经济损失，甚至灾难 性的后果。因此，为了避免设备事故，保障人身和设备的安全，应当积极发展设 备振动诊断。 2 提高经济效益。开展设各诊断所带来的经济效益包括减少可能发生的事 故损失和延长检修周期所节约的维修费用，国外一些调查资料显示，开展设备诊 断可带来可观的经济效益。英国曾对2 0 0 0 个工厂作过调查，结果表明，采用设 备诊断技术后维修费用每年节约3 亿英镑，除去诊断技术的费用0 5 亿英镑， 净获利2 5 亿英镑。在我国的大型电厂，若出现故障其停机一天造成的损失就 达一百多万元。因此对设备故障进行有效的诊断有着明显的经济效益。 目前，由于国产振动诊断仪器性能偏低，因此国内使用的振动监测分析仪都 不是我国自行研制的，为了改变这种价格昂贵的进口振动监测分析仪充斥的状 况，填补国内高端振动分析仪研发的空白，应用现有的技术开发出具有自主知识 产权的振动分析仪，发展我国振动测量领域的技术，逐步缩小与国外产品的差距 产权的振动分析仪，发展我国振动测量领域的技术，逐步缩小与国外产品的差距 北京工业大学工学硕士学位论文 己成当务之急。为此，我们开发了基于d s p 的振动监测分析仪，它不仅具有极高 的技术含量而且有很强的实用性和巨大的市场潜力“1 。 1 2 课题的功能和用途 本课题是要实现多通道振动信号的实时采集、处理，由d s p 完成数字信号处 理，再通过工业以太网或者总线将处理后的数据送往上位机存储和显示。 系统主要用于各类大型旋转机器轴承和转轴的振动测量与评价、振动数据采 集及建立数据库、振动故障分析、转速测量、转子在线高速和离线低速动平衡试 验和平衡加重计算。 1 3 振动监测分析仪的研究状况和发展趋势 振动监测分析仪是用于对大型旋转机械进行动平衡试验的一种主要的测试 分析仪器。通过对振动信号的分析，就可以判断机器是否存在故障、在什么位置 出现故障以及出现故障的原因“m 1 。 1 3 1 国内外相关研究状况 最早发展设备诊断技术的国家是美国。在美国宇航局和海军研究所的倡导和 组织下成立了美国机械故障预防小组，开始了有组织有计划地对诊断技术进行研 究。与此同时还出现了了一些专业性的诊断仪器和监测系统制造厂商，如本特利 ( b e n t l y ) 公司，科学亚特兰大( s c i e n t i f i ca t l a n t a ) 公司，惠普( h p ) 公司。欧洲 一些国家的诊断技术发展各有特色，如丹麦b k 公司的振动、噪声监测技术，挪 威的船舶诊断技术。 我国的诊断技术研发起步较晚，但目前已经在建筑、冶金、电力、化工和精 密机械许多领域开展，但无论是研究开发、生产制造，还是推广应用尚处于起步 阶段。同时由于采用技术的原因，普遍存在实时性差、测试精度低和抗干扰能力 差等问题“，。 1 3 2 振动监测分析仪的发展趋势 到目前为止，振动分析仪的发展大体可分为四代：模拟类仪器、数字类仪器、 智能化仪器和虚拟仪器。第一代模拟类仪器是最早开发的振动分析系统，主要是 由光电矢量瓦特计和测振仪等组成，其基本结构的共同特点是电磁机械式，要借 助指针或光点等来显示测试结果：第二代数字类仪器，这类闪频式动平衡仪可以 第1 章绪论 将模拟信号的测量转化为数字信号量，并以数字显示方式输出测量结果；第三代 智能化仪器，这类仪器内置m c s 5 1 系列单片机，集测试、数据处理、平衡计算和 图形显示等功能于一体，具有自动化测量仪器的最初特点，但其功能主要是以硬 件( 或固化软件) 形式存在，不利于二次开发、功能复用和维护。而且数据存贮量 小，处理速度慢，功能比较单一，精度有限；第四代虚拟仪器，其主要功能可由 数据采集、数据测试和分析以及结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析和 结果输出完全可以由软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件， 就可构成新的测量仪器。1 。 以往的在线监测与诊断系统大多是由一台微处理器构成的，存在测点数少、 状态监测连续性和实时性水平较低等缺点。随着大型旋转机械的日益增长，开发 出一种满足高精度、高速度、多通道的实时在线监测振动分析仪，就成为当前振 动分析仪研究开发的一个重要课题。 1 4 数字信号处理器( d s p ) 的特点 数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运 而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理己经在通信等 领域得到极为广泛的应用。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、 变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起 来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来， 数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现 则是理论和应用之间的桥梁。 数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如， 在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基 本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。 近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理 密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础， 同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。 目前，以d s p 器件为核心的数字信号处理系统具有实时性强，利于并行处理 等优点。使用具有强大数据处理能力的d s p 器件不仅可以组成一个数字信号处理 系统，并且可以充分发挥d s p 在数据处理方面的优势，使整个系统的实时操作性 北京工业大学工学硕士学位论文 得到很好的改善。 以d s p 器件为核心的数字信号处理系统具有如下几个主要技术特点： 1 数据处理速度快，具有很好的可编程实时特性； 2 硬件和软件接口方便，可以方便地与其它数字系统或设备互相兼容； 3 开发方便。可编程的d s p 芯片，使设计人员在开发过程中可灵活方便地 对系统特性和实际应用进行修改和升级： 4 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响比 较小，可靠性高； 5 精度高： 6 可重复性好。数字系统基本不受原器件参数性能变化的影响，因此便于 测试和调试； 7 集成方便。d s p 系统中数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。1 。 1 5 课题研究内容 本课题为与公司共同开发的项目。该分析仪的功能要求是要实现对输入的多 通道振动信号进行变换、处理并在计算机中进行控制和显示。 其基本情况包括： 1 2 4 路模拟信号输入； 2 数字信号输入，如以t t l 电平方式的键相信号，槽位信号和外部触发信 号等： 3 通讯采用总线方式，如r s 一4 8 5 总线，c a n 总线或者以太网； 4 处理器( 如d s p ) 对信号的处理和与上位机间的通讯。 基于以上介绍，本文主要分为以下几章： 1 绪论 2 振动测量技术的基础 3 振动分析仪常用的通信技术 4 数据采集和处理系统的设计 5 板卡电磁兼容和5 v 3 3 v 混合系统的设计 4 一 第1 章绪论 1 6 本章小结 在本章，首先对课题研究的意义、功能和用途以及振动监测分析仪的研究状 况和发展趋势进行了介绍，接着讲述了d s p 的特点，最后列出了课题的研究内 容。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章振动测量技术的基础 振动现象是物质在运动中产生的。当一个观察对象的某个质点( 包括固体的、 液体的和气体的) 离开其平衡位置作往复运动时，就产生了振动。 振动信号分析与数据处理的内容非常丰富，其基本内容包括基频检测、频谱 分析、波形分析和数据采集与处理。频谱分析的目的就是从频域分析总的振动中 各种频率分量，以及各频率分量随转速或负荷等因素的变化情况，它是进行振动 诊断的重要依据。 2 1 振动研究的基本方法 振动系统最简单的振动形式是简谐振动，其波形是正弦或余弦曲线。实际的 振动通常要复杂得多，虽然它们绝大多数都是周期振动，但其波形却千差万别， 远不如正弦波那么简单。直接测量分析系统的动力学特性目前还难以实现，因此 采用科学研究的基本方法即分解个别处理合成的方法。首先将复杂的振 动分解成若干个简单的振动，然后对备成分分别进行计算，最后对各成分进行合 成处理，只要这三步都反映了振动的内在规律，那么合成的结果就能准确地表示 实际振动的性质。 由于一个复杂的振动可以利用傅立叶级数展开成多个不同频率、不同幅值的 简谐振动，因此，简谐振动就是研究一切振动问题的基础。 2 1 1 简谐振动的特性 简谐运动是复杂运动的基本成分，它以时间为坐标轴的波形，可用正弦或余 弦函数表示： y = 彳c o s ( 2 万+ ) 式中：y 振动体位移 爿振幅，即位移最大值 ( 2 石+ 庐) 振动相位角，是一个确定系统瞬时状态的量，为初 相位角，即f = 0 时的相位角，厂是振动频率，即每秒振动的次数。 简谐运动具有如下特性： 1 当振动体的位移是简谐运动时，其速度、加速度亦为简谐运动： 一6 一 第2 章振动测量技术的基础 2 速度、加速度的幅值分别为位移幅值的2 石，和( 2 万，) 2 倍； 3 速度、加速度的相位比位移相位超前9 0 。或1 8 0 。； 4 同方向具有同频率的简谐运动叠加，其合成运动仍为该频率的简谐运动 不同频率简谐运动叠加，其合成运动不是简谐运动，但仍为周期振动“1 。 2 1 2 振型的正交性 当系统以某一固有频率振动时，其振幅只取决于系统的物理参数而与其初始 状态无关，这决定了系统的振动形态，称为该固有频率下的振型。 正交性是振型最主要的基本性能。振动力学中一些基本的分析方法都建立在 振动具有正交性的基础上。振动的正交性是指系统的第i 阶振型的干扰只能激发 起第i 阶振型的振动而不能激发起第j 阶振型( j i ) 的振动。 对多自由度系统有： 1 n 个自由度系统有n 个固有频率w ，w ：，w 。； 2 n 个自由度系统有n 个振型，分别称为第一阶、第二阶、第n 阶振 型。它们是互相正交的； 3 系统以第i 阶固有频率w 。和第i 阶振型进行的自由振动称为第i 阶主振 动，主振动是简谐振动。一般情况下，系统的自由振动是n 个主振动的叠加，因 而不是简谐振动： 4 系统在外界干扰力作用下强迫振动的频率等于干扰力的频率，振幅与干 扰力的幅值成正比“1 。 2 1 3 振动的类型及特征 振动可分为两类：一类是强迫振动，即引起振动的干扰力来自于外力，振动 是由外部的激励产生的；另一类是自激振动，这种振动是由振动本身的激励产生 的，通过运动本身，不断向振动系统馈送能量，运动停止时，产生振动的交变力 也就消失。自激振动时转轴的运动是频率不同的转动和涡动的合成，所以其波形 不是单纯的正弦波，而是相当于转动角速度u 和涡动角速度q 频率的正弦波的迭 加，前者称为基波，后者称为低频谐波。 产生振动的原因及特征： 1 质量不平衡产生振动的主要特征是振动随转速发生变化，振动频率是工作 频率，转子启动时，振幅随转速的增大而增大，其相位在工作频率下保持稳定。 2 转子不对中除了引起径向振动外，还引起轴向振动。其径向激振频率除工 作频率f x 外，主要以工作频率的二倍频2 或四倍频4 f i 为主。振动振幅对转速 变化不敏感。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 自激振动时转轴的运动是频率不同的转动和涡动的合成。转子的涡动，是 指转子不仅绕其轴线旋转，而且轴线本身还在空间缓慢回转。自激振动时其振动 波形不是单纯的正弦波，而是相当于转动角速度u 和涡动角速q 频率的正弦波的 迭加，振幅随转速的增高而增大。其激振频率以l 2 工作频率0 5 为主，其相 位角总是周期性地增加或减少”。 2 1 4 振动的测量 振动的测量是评价机器振动、进行振动分析和故障诊断的一种手段。从简谐 运动的表达式可看出，振幅、相位角和频率就是确定振动的三要素。因而振动的 测量主要是指幅值、相位和频率的测量。 2 1 4 1 振幅的测量 振幅大小是衡量一个机器运行好坏的标志，是判断振动大小的依据。振幅的 测量可以使用速度传感器或涡流传感器，当使用速度传感器时其原理是由于振动 使传感器内部的线圈和永久磁铁产生相对运动而使线圈内有电压输出，对其进行 采样、处理后而得到振动幅值。 电涡流传感器的测量原理是当传感器头部线圈通上高频电流时，在线圈周围 产生一个高频电磁场，并在邻近的金属体表面产生感应电流即电涡流，该电涡流 产生的磁场与原线圈电磁场方向相反，使其阻抗发生变化，在其他条件不变化的 情况下可以认为该阻抗变化仅与金属导体间的间隙值有关，故当间隙电压调整好 后，即可根据所测得的电流大小，推算出间隙值。 由于涡流传感器检测到的交直流信号是迭加在线圈的高频电源上的，如果直 接将这种混频信号送到振动仪，其灵敏度就很低且易受干扰，因此必须通过检波、 放大和滤波后，再进行处理。 2 1 4 2 相位的测量 振动是一个矢量，因此要确切地表示它，不但要测量它的大小，而且还要铡 量它的方向，在进行机器分析时，为了分析转子的振型和各转子间的相互影响， 必须测量相位，相位测量还可以区分基频振动分量和通频振动分量的大小，从而 判断转子的失衡情况，在分析旋转机械引起的振动或对转子进行动平衡时，振动 的相位与转子不平衡所在的角度位置有直接联系。只有正确测定振动相位，才能 进行有效的平衡，在一定意义上来说，此时相位的测定比幅值测定更为重要。在 振动测量中，其相位是针对某一基准信号而言的，即振动波形上某点( 如高点 或由负到正的零点) 与转子某一基准信号之间的关系。 一8 一 第2 章振动测量技术的基础 2 1 4 3 频率的测量 旋转机械的振动频率一般是工作频率、二倍频、高次倍频和1 2 工作频率。 现代大多采用实时的f f t 频谱分析法。 由于各种类型的振动都有其不同的频率特点，所以根据频谱测量可以区分 出振动的类型，找出产生振动的主频率和各种频率分量，从而分析机器的故障。 2 2 振动信号的分析方法 可以采用频谱分析法。频谱分析目前是用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现的， 因此又称为f f t 分析法。频谱图是用频谱分析法提取诊断信息的一种表达方式， 在振动诊断中常用到的是幅值谱和相位谱“1 。 设x ( f ) 为振动信号x ( t ) 的傅氏变换 x ( ，) = r 。工。矿。2 。4 出 一般情况下x ( f ) 为一复变函数，令 工( 厂) = u ( ，) + f y ( ，) 爿x ( ，) l e ”7 则有l j ( ，) u 2 ( 厂) + 矿2 ( ，) 彻智器 其中l x ( f ) l 称为幅值谱，它表示各频率成分的幅值大小在频率轴的分布状况。 妒( f ) 称为相位谱，它表示信号中各频率成分的相位在频率轴的相对关系。 幅值谱可以提供以下的诊断信息： 1 振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分量所组成； 2 组成的谐波分量中哪些成分的幅值最为突出，这提示着和缺陷及故障的某 种关系。 相位谱可以提供缺陷及故障发生的位置。 频谱分析即从频谱图中提取有关的诊断信息，它是故障诊断的基本手段之 一。频谱图提供的最基本的信息是谱峰的高低以及频率特征。不同频率的谱峰反 映了不同性质和类型的故障“1 。 2 3 本章小结 在本章中，主要介绍了振动测量技术的一些基础知识，重点介绍了振动研究 的基本方法和对振动信号的分析方法。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章振动分析仪常用的通信技术 在对旋转机械的振动监测和分析中，目前使用较多的是r s - 4 8 5 总线、c a n 总 线和以太网，由于他们具有不同的特点，所以在不同的场合得到应用。比如，在 近距离通信时，如果数据量较少并且速度要求不高时，常常使用r s 一4 8 5 总线； 如果数据量较多并且要求可靠传输时，常常使用c a n 总线。在现实中，常常需要 对现场进行远程监测和控制，如在不同城市对现场的控制，此时常常使用以太网。 在本系统中，考虑到不同情况下的应用，将3 种方式集成到了一个系统，所以本 章重点对3 种通信方式进行介绍。 另外，选择合适的d s p 十分重要，t m s 3 2 0 f 2 8 12 不仅具有较高的处理速度， 而且具有强大的片上外设，内嵌s 引和c a n 控制器，非常适用于本系统。 3 1 基于r s 一4 8 5 的通信技术 3 1 1r s 一4 8 5 总线概述 r s 一4 8 5 是工业界使用最为广泛的双向、平衡传输线标准接口，采用差分发送 和接收，以半双工方式通信，支持多点连接，允许创建多达3 2 个节点的网络( 某 些驱动器模块可增加至1 2 8 个) ，在最高传输速度1 0 m b ，s 时允许的通信距离为1 2 0 米，如果适当地降低传输速度，它的传输距离可达1 2 0 0 米，用于多站互连时， 便于组建成本低廉、可靠性高及分布范围较大的总线网络”1 。 3 1 2r s 4 8 5 的网络模式 r s 一4 8 5 采用半双工模式，网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，即采用 一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星形网络。为避免总线信号冲突， 任一时刻只允许有一一个节点处于发送状态。r s4 8 5 网络主要有以下3 种模式： 1 单向广播 在同一条r s 一4 8 5 总线上只有一个节点处于发送状态，其它节点均为接收状 态。 2 简单双向通信 两个设备可以通过r s 一4 8 5 进行双向、半双工通信进行数据交换。这要求软件 两个设备可以通过r s 一4 8 5 进行双向、半双工通信进行数据交换。这要求软件 1 0 第3 章振动分析仪常用的通信技术 能按约定协议控制节点的收、发状态转换，或在传送数据中加入状态转换信息。 3 多点网络 同一r s 一4 8 5 总线上连接的节点多于两个，且每个节点都有可能收发数据，但 任一时刻只允许有一个节点发送数据。通常的管理方法是“令牌”许可证机制： 每个节点都被赋予唯一的i d 号，任意一个发送的节点在发送数据的同时将下一个 允许发送的i d 地址发出，如果得到“令牌”的节点无发送要求，则将“令牌”传 送给下一个i d 节点。 3 11 3r s 4 8 5 总线帧结构 起 l s b234567 m s极性 结束 始位 b 位位 图3 1 空闲线模式 f i g n r e 3 一li d l e 1 i n em o d e 图3 2 地址位模式 f i g u 陀3 1a d d r e s s _ b i tm o d e r s 一4 8 5 通常有两种帧结构，即空闲线模式和地址位模式，如图3 一l ， 空闲线模式常用来正常的非多处理器通信；如图3 2 ，地址位模式常用 来多机通信。与空闲线模式不同的是，在多机通信时，r s 一4 8 5 数据帧除了包 括一位起始位、一位极性位、位结束位和8 位数据地址位，还有一位作为数 据地址的区分位，如果发送地址信息，该位取l ，否则取0 。当从机处于空闲时， 它只接受数据地址区分位为1 的数据。通信开始时，主机在总线上广播地址信 号，从机接收到地址信号后，和自己的地址进行比较，相同则给出回应，且标记 自己以后接收数据地址区分位为0 的数据，此后，主机发送数据给从机，由于 其他从机只接收数据地址区分位为1 的数据，所以不受理这些数据”1 。 3 1 4r s 4 8 5 总线的不足 r s 一4 8 5 采用单主结构，主从结构网络上只能有一个主站，其余均为从站，因 此，它无法构成多主结构或冗余结构的系统，一旦主节点出现故障，整个系统将 处于瘫痪状态，因而对主节点的可靠性要求很高。其数据通信方式为命令响应型， j t 索工韭大学工学硬士学位论文 网络上任一次数据传输都是姐主节点发出命令开始，从节点接到命令后以相应的 方淡黄绘圭节杰，这壤褥瓣终生懿数据穗埝率大大降甄，萎爱主节患控裁器露 繁忙；同时，夜下端出现异常时，数据不能立即上传，必须等待主节点下达命令， 灵活性较差，在许多实时性羧求较高的场合，这是致命的弱点，有w 能造成重大 霉敬嘲。 3 2 基于c a n 的通信技术 3 。2 。lc a k 总线凝述 控制器局域网c a n ( c o n 廿0 1 1 e r a r e an 蝴o r k ) 是一种有效的支持分布式控制 或餐实时控制的毋行通售刚终。最早是由德国b o s c h 公司接出，爝予汽车内部 涌麓与执行部 警之闺的数据瀵信诲议。蠢予其离往麓、离可靠注及獭特的设诗， c a n 越来越受到人们的重视，已经广泛臆用于汽车电子控制、过穰工业、机械 工此、纺织机械、农用机械、机器人、数掩机床、医疗器械及传感器簿领域发展。 c a n 己羟澎成溪器嚣蘧，劳露被公谈荛曩耱爱毒蔫途貔溪场总线之一。 具有以下特点4 1 ： 1 c a n 总线的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 传输送率在5 k p s 以下) ，最高 健羧速率可这| m b p s ( 照时遁馈距离最远露这4 妇1 ) 。 2 c a n 链路采用短较络誊鼋，每帧为8 个字节，蘩奉可以满是工娩控稍锈域 中实时控制的一般要求；每帧都采用c r c 循环冗余校骏及独特的数据信号表示， 使其具有错误判别及自动重发功能，信号豹传输精度离，检验错误概率低。 3 。c a k 慧线为多圭方藏王终。嚣终上经意节点均碍在 王蠢薅捌主动圭| 鎏囱霹 络上其他节点发送信息，而不分主从，网络上的节点谯通信中可以蕊为主从。 4 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 毫援先缀戆数攒凝多可在1 3 4 璐内褥垂臻羧。 5 c a n 采用非破坏性憨线仲裁技术，当多个节点阉时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响 地继续传输数掇，从面大大节省总线冲突彳巾裁时间。尤其是在网络负泼很重的情 熬下遣不会密麓瓣络瘫痪猿凝。 6 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几 种方式传送接收数据。在c a n 总线的通储控制器上有撤文滤波功能，通过设置 接竣筠彝接收瀑簸放夏使该节杰裁蟹有选箨遮接收彝发送信息。 7 c a n 上的节点数主臻取决于总线驱动电路，目前可达l l o 个；报文标识 1 2 一 第3 章振动分析仪常用的通信技术 符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符几乎不受限制。 8 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 9 c a n 节点具有一定的故障检测功能，在错误严重的情况下具有自动关 闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。这一特点使得c a n 总线具 有很高的可靠性9 1 。 综上所述，c a n 总线卓越的管理能力和极高的可靠性，特别适合工业过程 中监控设备的互连。 3 2 2c a n 总线的技术规范及报文传送 随着c a n 在各种领域的应用和推广，对其通信格式的标准化提出了要求。 制定了i n 技术规范，该技术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了c a n 报文 标准格式，而2 o b 给出了标准的和扩展的两种格式。 c a n 总线的技术规范之所以在标准格式的基础上还有扩展格式，是因为串 行通信进入更多领域要求各应用领域通信功能报文标识符标注的标准化。由于对 标准格式中由1 1 个标识符的地址范围加以扩展，达到2 9 位定义，所以c a n 总 线对于各种应用服务将更加周到。虽然标准格式和扩展格式有所区别，但是在相 同网络中这两种格式可以同时存在同时使用。其帧格式如图3 3 所示。 扩壤格式 数搬蜮 l 位i s r ri l d e | 1 8 链| d ir t rll|li i i i i 。豺= = 茄= 兰j 赢 丙硎羹 幢起始ck舻、 图3 - 3 标准格式和扩展格式数据帧n 0 3 f j g i 睇3 0d a 乜f 舢船o f s t a | 】d a r df o m l a ta n d 【p a n d i n gf o m a t 在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器。该单元在总线空 闲或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处于空 闲状态，则该单元为接收器。 对于报文发送器和接收器，报文的实际有效时刻是不同的。对于发送器而言， 如果直到帧结束末尾一直未出错，则对于发送器报文有效。如果报文受损，将允 北京工业大学工学硕士学位论文 许按照优先权顺序自动重发送。为了能同其他报文进行总线访问竞争，总线一旦 空闲，重发送立即开始。对于接收器而言，如果直到帧结束的最后一位一直未出 错，则对于接收器报文有效。 报文传送由4 种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器至接收 器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧：出错帧由 检错出总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加 延迟。 3 3 基于工业以太网的通信技术 以太网大多基于t c p 口协议或者u d p i p 协议，在工业上为保证数据的实 时性，常常采用的是u d p 坤协议，本节通过对两种协议的介绍，重点介绍了 u d p m 协议1 。 3 3 1t c p i p 协议简介 t c p i p 协议是传输控制协议互联网协议的缩写，是目前应用最广泛的协 议之一，并且它是现在的互联网协议标准。t c p i p 协议共分为4 层：应用层、传 输层、互联层和网络层，它和o s i 模型的对比如图3 4 所示“。 应用层 表示层应用层 会话层 传输层传输层 网络层互连层 警 网络层lj 物理层 i 图3 4t c p i p 比o s i 模型的比较 f ig l l r e 3 4c o 皿p ”eo ft c p i p d u l ea r l d0 s im 0 d u l e 由图3 4 可知，t c p i p 比o s i 模型少了两层，这是因为t c p i p 协议将0 s i 模 型的前3 层合并为应用层，t c p i p 各层的作用如下： 1 应用层 应用层的作用是应用程序通过此层访问网络，在这一层的协议有f t p 、h t t p 、 d n s 等，这一层兼有o s i 模型中的表示层和会话层的作用。 2 传输层 传输层负责在网络上相互通信的主机之间提供通信会话，包括t c p 和u d p 协 第3 章振动分析仪常用的通信技术 议。 3 互联层 互联层协议将数据包封装成数据报，并且运行路由算法。在互联层主要有4 个协议：i p 、a r p 、i c m p 和i g m p ，其中i p 协议负责在网络之间寻址和路由，a r p 用于i p 地址到m a c 地址的解析，i c m p 负责发送消息并报告错误，i 伽p 被用来向本 地多路广播路由器报告主机组成员。 4 网络层 网络层是t c p i p 模型的最底层，负责数据包的发送和接收。 3 3 2 u d p i p 协议简介 u d p 协议是用户数据报协议的简称。 3 3 2 1t c p 协议与u d p 协议的区别 t c p 是一种面向连接的协议，而u d p 是无连接的协议。区别在于： 1 t c p 提供的是可靠的传输服务，而l 刀) p 协议提供的是不可靠的服务。 2 t c p 提供的是面向字节流的服务；而u d p 协议的传输单位是数据块，一 个数据只能封装在一个u d p 数据包中。 3 一个连接是由两个端点构成的。要使用t c p 进行通信必须在通信双方之 间建立连接。连接的两端必须就连接的问题进行协商( 如最大数据长度等) ，并 为该连接分配一定的资源( 缓冲区) ，而u d p 协议不需要这个过程，可以直接发 送和接收数据。 4 t c p 协议是以连接作为协议数据的最终目的；u d p 协议则是以目标端口 作为协议数据的最终目标。 由此看来，t c p 协议提供了可靠的面向字节流的服务，而且有一套高效的机 制保证数据的高效传输，所以适用于有大量数据需要进行可靠传输的场合，典型 的例子就是文件传输协议( f t p ) 。 而对于实时数据，不管其量大小和可靠性高低，由于t c p 协议对数据的传 输是有先后顺序的，只有前面的传输成功才会开始后面的数据传送，所以此时不 宜使用t c p 协议，而只能使用u d p 协议。使用u d p 协议进行通讯需处理以下 问题： 1 应用程序必须自己提供机制来保证可靠性； 2 应用程序必须自己处理大块数据的分割，以让其能封装在一个u d p 数据 包中“”。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 3 2 1 2u d p 的数据包 o 81 63 1 图3 5u d p 的数据包的格式1 f i g i l r e 3 - 5d a t ap a c k e tf o 珊a to f u d p o81 63 1 源口地址 目的m 地址 协议 u d p 数据包长 o 代码 度 ( 1 7 ) 图3 6u d p 伪头部结构格式3 f i g m e 3 - 6f a k eh e a df 0 r m a to f u d p 图3 5 为u d p 的数据包的格式，其中： 源端口：占用u d p 报头前1 6 位，用于存放发送数据报的应用程序的u d p 端口号。源端口号的值供接收端应用程序在准备发送应答信息时用作返回地址。 目标端口：1 6 位域，用于表示相应数据包应发往的端口号。 包长：用户数据包的长度，包括报头和数据，以字节为单位，由于u d p 报 头的长度是8 个字节，因此该值至少应该是8 。 校验和：用来保证u d p 数据包的完整性，可有可无，不用设为0 。 由图3 5 知，u d p 数据包的结构中只包含了数据包的源地址和目的地址，而 没有包含源i p 地址和目的i p 地址。因此，u d p 使用伪头部结构来计算校验和。 在发送方构造一个伪头部结构与待发送的u d p 数据包一起计算校验和后发送给 接收方。在接收方使用同样的方法计算校验和并与发送方计算的校验和进行比 较，如果两个校验和匹配，就说明该数据包是发给本主机的，且数据传输没有出 错。实际上，u d p 伪头部不会进行传输，其长度也不包含在u d p 数据包长度字 段内。u d p 伪头部结构如图3 6 。 一1 6 一 第3 章振动分析仪常用的通信技术 3 3 2 3 切) p 数据包的封装 应用程序 u d p i p 网络层 图3 7u d p 协议的层次图“3 f i g u r e 3 - 7a m n g 锄e n to f u d p 图3 8u d p 数据包封装1 f i g u r e 3 - 8e c a p s u l 撕o no f d a t ap a c k c to f 切) p 由图3 7 和图3 - 8 知，切) p 协议位于口协议之上，说明l 丌) p 数据包是封装 在口数据包中进行传输，即整个u d p 数据包是作为i p 数据包的数据部分封装 在口数据包中的。i p 数据包的头部有一个协议字段，该字段表明i p 数据包装的 是上层哪种协议的数据包( 对于u d p 数据包，该字段的值为1 7 ) 。以下为一个使 用u d p 协议的应用程序是如何将数据传输到目标主机a 的特定应用程序的。 首先接收数据的应用程序要申请一个u d p 端号，设为p ，发送方的应用程序 准备好数据后，将其交给u d p 协议，让其将该数据发送给主机a 的端口p 。u d p 协议将应用程序的数据作为u d p 数据包的数据部分封装在一个u d p 数据包中， 并将数据包的目标端口字段设置为p 。u d p 协议再将u d p 数据包交给口协议处 理，让其将该数据包发送到主机a 。i p 协议将u d p 数据包作为p 数据包的的数 据封装在一个i p 数据包中，并将目的地址设置为a ，将协议字段设置为1 7 ，然 后将其交给网络层处理并发送出去。该口数据包可能会经过数个路由器，并最 终到达主机a 的口协议层。 主机a 的i p 协议发现协议字段为1 7 ，就将i p 数据包的数据区交给u d p 协 议处理。u d p 协议发现端口号为p ，就将u d p 数据包的数据区放置在端口p 的 队列中。a 的应用程序从该队列中将数据取出进行处理。”。 3 4d s p 的选择和介绍 3 4 1d s p 的选择 目前市场上主要有t i 和a d 两大d s