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y 5 8 5 9 7 7 摘要 随着我国铁路运输的提速的需要，对机车运行可靠性的要求越来越 高，因此对高速机车的运行参数进行i 己录和存储以及对其故障信息的在 线报警，可以对将来高速列车的安全运行及其检修提供重要依据，而且 根据这些数据对各种车型建立相应的质量状态信息库，可以极大提高其 运用、维修水平，对全路机务“修制改革、科学管理”具有重要的现实 意义。 韶8 型电力机车是目前我国功率最大的准高速客运机车，随着我国 电气化铁路的发展和提速需要，韶8 型机车将会成为我国客运机车的主 要车型。本项目是铁路运营部门根据实际需要，针对韶8 机车的运行及 检修状况而提出的。 本项目的主要指导思想是通过机车转向架部分的振动信号进行离线 和在线的处理，实现对走行部分机械故障进行诊断。 本题目是分为四部分： 1 ) 数据采集部分：应用d s p 采集机车振动数据，并经过故障判断后， 记录故障信号； 2 ) 通讯部分：利用u s b 通讯口和r s 2 3 2 串行通讯口向p c 机传输采集 的数据； 3 ) 地面软件部分：建立基于知识的专家故障诊断系统，对走行部分的 机械故障进行诊断。 4 )人机界面部分：利用液晶显示屏和键盘组成合适的人机界面，方便 现场工作人员对车载振动信号采集装嚣进行操作。 论文主要从七个方面进行阐述，分别是绪论、系统方案设计、硬件设 计、软件设计、振动信号的小波分析、专家系统和系统的可靠性。 关键词：韶8 机车数据采集振动信号处理系统可靠性 i ) s p 小波分析 束经馋奢、髻_ 1 f 一意 翻垒又公* i a b s t r a c t s h a o e l e c t r i cp o w e rl o c o m o t i v ei s ah i g hs p e e d p a s s e n g e rt 1 a n s p o r t w i t ht h eb i g g e s tp o w e ra tp r e s e n ti no u rc o u n t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u r e l e c t r i z a t i o nr m l w a ya n dt h en e e do fb r i n g i n gu pt h es p e e d s h a o e l e c t r i c p c w e r l o c o m o t i v ew i l lb et h em a i nt y p eo fo u rc o u n t r y sp a s s e n g e rt r a n s p o r t l o c o m o t i v e t h ei t e mi sp u tf o r w a r db yr a i l w a yo f f i c ea c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a l r e q u i r e m e n t t h e nm u c hi m p r o p e rr u n n i n go re x a m i n i n ga n dr e p a i r i n gs t a t u s w i l lb ei m p r o v e d t h em a i ni d e ao ft h i si t e mi st e s t i n ga n dc o l l e c t i n gv i b r a t i o nd a t ao ft h e l o c o m o t i v eb o g i ei nt h ep r o c e s so f t h el o c o m o t i v er u n n i n g a n o t h e rm a i ni d e ai s p r o c e s s i n gv i b r a t i o n d a t ao f s y s t e ma n d e x p e r ts y s t e m t h ep a p e rp a r t i c u l a r l y p r e s e n t s t h ef i r s t p a r t i nw h i c ht h e r ea r et w o a s p e c t sa b o u td s ps y s t e mc o l l e c t i n g v i b r a t i o ns i g n a la n dd a t ac o m m u n i c a t i n g b e t w e e nd s ps y s t e ma n dp cs o f t w a r e i nt h es e c o n dp a r tt h ep a p e rh a s e x p l a i n e dh o w t oa n a l y s i sa n dm a n a g i n gt h el i b r a t i o ns i g n a l a n dd e s i g n i n g e x p e r ts y s t e m f o rf a i l u r ed i a g n o s e sw i l la l s ob ed i s c u s s e d d e t a i l e d l y t h ep a p e r e x p a t i a t e s i ns e v e n a s p e c t s t h e r e a r e i n t r o d u c t i o n ，s y s t e m p r o j e c td e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g n ，w a v e l e ta n a l y s i so f v i b r a t i o n s i g n a la n ds y s t e mr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：s h a o we l e c t r i c p o w e rl o c o m o t i v e ；d s p ；d a t ac o l l e c t i o n l i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s ；s y s t e mr e l i a b i l i t y i i 一 薹王里婴墼塑圭枣堡塑坌垫堕竺型竺堑墨竺堕堕壅 第一章绪论 1 1 国内外现状： 目前，电力机车已成为我国铁路运输中主要牵引动力之一，其质量的优劣 直接关系着铁路运输组织的好坏，因此，提高机车质量和运用效率，同时降低 维修成本，一直是机务工作的重要组成部分。 突破传统的计划维修体制向状态修过渡是机车检修工作的发展方向。计划 修制可以说近几十年来在机车检修工作中发挥了重要的作用，在技术能力不高 的情况下，为了保证机车故障前及时进行检修或更换零部件采用了较保守的机 车运用时间、公里周期，基本上保证了机车的运行安全，但是随着管理水平的 不断提高，计划修制愈来愈暴露出其缺点，这种修制带有很大盲目性，就是机 车运行状态很好，到一定周期也要作不同程度的解体检查，一方面造成维修过 剩，检修量大；另一方面，机车过多拆卸还会造成人为故障，此外还存在需要 更换的库存备品多，维修人员基数大，费用过高等弊病。而状态修制是根据机 车在线检测和诊断所预报的机车故障状态判断机车劣化程度、发展趋势，确定 机车的维修时间和内容。状态修是以机车的实际运用情况为依据，以故障诊断 技术为基础，减少了过剩维修，机车的运用率也得以显著提高，因此以故障诊 断技术应用为基础的状态修制度可带来显著的经济效益。 反观国内外机械故障诊断技术的发展却呈蓬勃发展的势头，设备状态修正 成为设备维修的重要形式。自从6 0 年代美国、英国开始系统地开展故障诊断 技术研究以来，这一技术在世界各国正越来越受到重视，在诸如航天、军工、 船舶工业等得到了广泛应用，取得了巨大的经济效益而得到了迅速发展，特别 是近2 0 年来随着系统可靠性、维修性理论与技术的发展，故障诊断技术已发 展成为- f q 边缘学科，它涉及系统论、控制论、信息论、检测与估计理论、计 算机科学等多学科的内容，目前在机械图象分析、润滑油样分析、动态信息处 理及计算机模拟等方面，得到了广泛应用。 利用机械设备表面振动信号进行设备故障诊断是近年来发展非常迅速的 研究领域，它是通过机械运行时产生的振动、冲击以及转速等信号，即所谓二 次1 言息来间接判断设备状态的变化，因其具有方便性、无损性和在线性等优点， 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 非常适用于机车的故障诊断研究，目前，故障振动诊断技术已成功地应用于 机车轴承的状态监测。 1 2 课题的意义及由来 s s 8 型电力机车是“八五”国家重点科技攻关项目( 专题合同编号：8 5 4 0 2 一0 1 一0 2 ) 。原设计用于广深线准高速铁路，现用于我国主要干线铁路牵 引提速列车。s s 8 型电力机车是目前我国功率最大的准高速客运机车，随着 我国电气化铁路的发展和提速需要，s s 8 型机车将会成为我国客运机车的主 要车型。因此建立s s 8 型机车质量状态信息系统，提高其运用、检修水平， 将对各车型的运用检修及全路机务“修制改革、科学管理”具有重要的现实 意义和指导意义，同时为机务段检修管理信息系统提供数据依据。 本课题是s s 8 型机车质量状态信息系统的一部分，最初的考虑有两个， 一是通过机车振动的检测和处理可以从振动信号的角度对机车走行部分的运 行状态作一些较为准确的描述，能够更加全面地反映机车运行时的实际工作 状态，而且能对机车走行部分的机械故障做到早预报，早诊断。二是解决很 多韶8 电力机车都存在的晃车问题。所谓晃车，是指主要由轨道的不平顺性 引起的机车的左右摇摆，部分机车的晃车已经达到了非常严重的程度，对机 车的安全构成了极大的威胁，成为新的安全隐患。量化机车晃车的剧烈程度， 对其这方面的运行情况做一个量化的评估，对更准确的评价机车的质量意义 重大。 地面专家系统的研制，也是s s 8 型机车质量状态信息系统的一个重点内 容，调研中发现各机务段的局域网均已建立，并正在建立机务段综合信息管 理系统，这对该项目是一个强有力的支持。因为全面客观的评价机车质量， 做到趋势分析、故障预报、寿命跟踪及统计，最后指导科学修车，仅凭车载 数据还不够，还要借助运行参数、地面试验参数、大部件技术参数以及机车 履历等参数。段局域网为这些参数的提供创造了条件，使其变为可能，在此 条件下，运用先进的故障诊断技术、专家系统技术研制可行的地面数据处理 及机车质量评价软件，会使机务段修车水平、管理水平显著提高。同时，该 软件随着数据累积增加，将具有自学习功能，知识不断丰富，判断更加准确。 本课题最终目的是为机车故障诊断专家系统提供强有力的支持，量化机 一2 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 车晃车烈度的等级，同时对机车运行时的一些简单故障作出在线报警和趋势预 报等等。 1 3 课题的主要任务及系统特点 s s 8 机车机车振动信号采集系统主要就是采集机车振动的信号，经过简单 的判断后，把系统所认为的故障信号记录下来。经过一定的处理，对一些简单 的故障进行诊断，对晃车情况做一些量化的显示、报警，然后把数据通过通讯 口传输回p c 机，在地面专家系统进行进一步诊断。 s s 8 型机车质量状态信息系统已经基本完成，我的工作主要集中在基于 d s p 的振动信号采集系统的软硬件设计方面和地面软件中振动故障诊断部分， 下面我就对我做的工作作详细的介绍。 3 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 第二章系统方案设计 在这一章里，主要介绍与系统的方案设计有关的一些内容。 1 常见测控方案的介绍与比较，通过分析得出本系统所要采用的测控 方案； 2 分析系统所要测量的对象：机车振动信号，并对机车的机械故降也 做了一定的分析，为后面的系统方案设计打好基础； 3 介绍根据几次现场调研的结果对系统设计的内容所作的修正和改 良： 4 详细介绍了车载系统设计的技术路线和地面软件的设计思路； 5 ，详细介绍了车载系统和地面软件的各功能模块。 2 1 常见测控方案介绍与比较 由于微机的出现，使传统的检测手段、方法、仪器、设备发生了根本性 的变化，形成了自动化、实时性、智能化的以微机为核心的测控系统，其基 本组成见图2 1 。实际的测控系统取决于现场测试的要求、硬件的选择与配置、 工作环境、系统对精度和实时性的要求等等。 一般来说，由于现场要求不同，微机测控系统的组成形式可以灵活多样， 以下仅就常见的几种组成形式分别作简单介绍。 图2 1 测控系统基本组成 2 1 1 嵌入式测控系统 这是一种功能全部由嵌入式系统完成的的测控系统，结构紧凑，工作可 靠，易于开发，价格低廉，并具有很好的灵活性。由于它是为工业要求而设 d 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 计的，因而具有较强的信号感知和输入输出能力。应用中，针对不同测控任 务，采用相应系统配置，在降低成本的同时，缩短了产品的研制周期。因此 它尤其适合完成工业测控任务，既可以组成超小型测控系统，也可以扩展为 较大规模的测控系统。若应用嵌入式系统来制作各种低成本智能设备，则可 以大幅度缩小产品体积，例如智能仪器仪表，计算机网络、高档家用电器等。 所谓嵌入式系统，就是指埋藏在宿主设备中专用的、使用者不可见的微 处理系统，我们常见的单片机系统就是一种典型的初级的嵌入式系统。 嵌入式系统种类繁多，有8 位、1 6 位、3 2 位单片机，专用信号处理器 d s p ( o i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和其他专用嵌入式微处理器等等，嵌入式测控系 统有如下优点： 1 由于嵌 式处理器普遍体积较小，而且可以根据各种需要增加或减少 外设的数量，所以基于嵌入式处理器开发的测控系统犬多体积不大， 结构紧凑，安装方便，成本较低，对于有移动测量要求的系统来非常 合适。 2 实时处理，及时响应，嵌入式系统的重要特点之一就是具有实时处理 的特点，即程序的处理在时间上与外部过程发生的事件同步，对外来 i 事件可以在规定时间内作出响应。在很多场合，测控系统都要被要求 随所澳4 信号的变化作出相应的反应，并在限定的时间内输出合适的开 关量，控制设备的变化。 3 功耗较低。由于嵌入式系统用途固定，没有很多不需要的外设，所以 功耗也可以压得非常低，当然，这也是为了适用其移动性的要求。 4 健壮可靠。由于嵌 式系统的使用人员多为非计算机专业人员，使用 环境不定，往往条件非常恶劣，所以嵌入式系统一般要求比较可靠， 另外软件容错性高，人机界面良好。经过多年的发展，时下主流的嵌 入式系统己完全达到了这一要求，并提供强大的硬件i o 支持，可以 实现相当良好的人机界面。 d s p 是嵌入式系统中相当特殊的一支，它是专门用来做数字信号信号的 微处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 。d s p 的硬件结构和软件设计都是为了实 现信号处理算法开发的，所以适合需要一定信号处理的测控系统。 5 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 2 1 2 微型机集中测控系统 微型计算机( p c ) 特别适宜制作较大规模的测控系统。由于受p c 机体 积和造价的限制，它不可能用来制作小型设备或小型钡4 控系统。随着技术的 不断发展，p c 各方面性能都有了大幅度提高，能够完成更多更复杂的功能。 在实际系统中，应着重发挥微型机在运算速度、存储容量、通讯及信息管理 等方面的优势，加强测控系统的功能。实际应用中，根据不同的钡4 控任务， 在微型机扩展槽中插入一些功能模板，通过功能模板将采集的各种信号转换 成为数字信号，由微机进行相应的处理：同样，微机发出的控制信号，也通 过功能模板控制相应设备完成特定的功能。 p c 机系统是典型的总线式结构。当今，大多数的计算机测控系统都采 用总线式结构设计。在总线式结构的微机测控系统中，各个功能模板部分是 通过系统总线连接成为一个整体的，也就是说系统总线是系统中各模板的公 用信号线，是微机测控系统的重要组成部分和关键性的系统资源。 总线式结构的优点有： 1 、微机测控系统的软、硬件设计简捷、明快。采用总线式结构设计， 可使狈4 控系统的系统结构显得非常简明。系统按照其总体性能的要求，可以 被划分成几个功能子系统或功能模块：然后使用总线把这些子系统或功能模 块互相连接，并构成一个完整的测控系统。由于组态软件的成熟，上述结构 化设计方法也适用于应用软件的开发过程。 2 、简化了系统结构。采用总线式结构后，测控系统的结构变得非常简 单，只要把所要用的功能模板插到总线插槽内即可。 3 、采用标准总线，用户受益。采用同一标准总线的各个计算机工厂生 产的同类功能模板在硬件上互相兼容，这意味着用户得以享受兼容性带来的 利益，他们能够在各厂生产的同功能产品中进行优选，分别采用最好的产品 构成他自己的最好的系统。从另一个角度出发，由于各生产厂家采用同一个标 准分别进行生产，这有利于竞争，有利于提高产品的性能价格比。 4 、系统的可扩展性好。当测控系统需要增加功能时，只要选择所要求 的功能模板，插入扩展槽中就完成了。 5 、可维修性好。这样的结构就使得维修非常方便，遇有故障时先运行 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 诊断软件，依据结果拔下被际疑的模板，再插入一块功能相同的模板，若机 器恢复正常，现场维修的工作也就完成了，这大约只需要几分钟的时间，事 后再对换下来的模板仔细检修。 2 1 3 分布式微机测控系统 由于现代工业的生产过程越来越复杂，场所较多，设备分布很广，各工 序、设备同时并行的工作，彼此基本独立，因此采用常规方法来实现微机控 制系统越来越困难，应运而生的是全新的测控系统构成形式分布式微机 测控系统。它是针对_ u 6 复杂的测控任务而设计的，可以极大的提高系统可 靠性和运算、控制速度，使整个系统易于设计、开发和维护，并可简单的实 现软硬件结构的模块化；由于系统功能的分散，可以采用中低档计算机来替 代高档计算机，因此其价格必然低于使用中小型机的集中式微机测控系统。 分散后的各模块功能简单，实现较为容易，构成方式也比较灵活，主机可采 用p c x t 等机型，前端处理机则为单片机、d s p 或其他适用于手持设备的嵌 入式硬件平台。 由个人机与单组成分布式测控系统时，可以针对不同的测控任务，采用 数量不等的前沿单片机系统，由各种通讯完成信息在微机之间的传递。这样 的系统具有很强的灵活性，能够充分发挥单片机和微型机各目的优势，使整 个系统具有良好整体性能和优异的适应性，也极大的提高了系统的性能与价 格比。 本项目的主要目的是为了采集机车的振动信号，并对各路信号分别进行 信号处理后，再对其进行在线故障判断。考虑到系统需要对大量信号进行在 线处理和判断，对主c p u 的i o 控制功能并没有太高要求，主要是要求有高 速的信号处理功能，足以应付系统功能的需要。d s p 芯片从硬件结构、指令 周期和指令集的设计都是为了提高芯片信号处理的速度，可以说，在各类型 c p u 中，d s p 是最适合作高速信号处理的芯片。以系统选用的t i v i s 3 2 0 c 3 2 来说，它的指令周期最快可达3 3 n s ，每秒能执行3 千万条指令，这样的运算 速度为实现各种信号处理的算法比如说数字滤波等提供了非常强大的支持， 足以应付系统的需要。所以经过综合考虑，本项目选用基于d s p 的测控系统。 7 基于d s p 的机车走行部分故障捡测诊断系统的研究 2 2 振动信号分析 本系统主要测量和处理的是机车的振动信号，下面我就简单介绍一下振 动信号特别是机车振动信号的特点。 从力学的角度来看，振动可以定义为物体围绕某一固定位置来回摆动并 随时间变化的一种运动。振动的种类有很多种，这里我们只讨论机械振动问 题。 引起机械振动的原因有很多种，概括起来主要有： 1 转动部件不平衡； 2 联轴器和轴承安装不对中： 3 轴弯曲； 4 齿轮磨损、偏心和损坏； 5 传动带或传动链损坏； 6 轴承损坏； 7 电磁力； 8 空气动力； 9 扭矩变化： 对本项目而言，电力机车是一个非常复杂的动力系统，数万个零部件工 作中相互耦合，呈现出复杂的对外输出信号，机车工作过程是一个复杂的动 态过程、随机过程，在不同时刻的任何观测数据是不可重复的，从系统理论 特性看，机车故障具有以下一些特点。 ( 1 ) 层次性：机车数万个零件共同工作，元件之间相互耦合，决定着机车故 障的层次性，一种故障由多层次原因构成。 ( 2 ) 突发性及缓变性：突发性故障发生在瞬间，无明显症状，难以预测，而 缓变性故障具有渐进性和局部功能失效的特点，可以预测。 ( 3 ) 模糊性：机车故障和征兆信息并不是一一对应的，具有随机性，征兆之 间界限是模糊的，并且某些信息具有不确知性。 ( 4 ) 趋势性：机车大部分故障有随时间变化的一种趋势，即从微小征兆向显 著征兆发展的趋势。 机车故障振动诊断技术传统方法是对比测试法，即根据实际待测系统的输 8 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 出与参考模式输出或与标准值的比较来判断系统部件是否存在故障。若存在故 障，则从检测到的故障信息中分离出故障征兆，据此识别故障原因，将故障源 定位并采取相应的处理措施。这种方法比较简单直观，易于理解，很容易为现 场工作人员掌握，但是，机车作为大型动力机械，其实际典型故障信息是难以 得到的，现场有时不允许对典型故障进行长时间观测，并且认为故障设置较困 难甚至不可能实现，因此，宝贵的故障特征信息的积累是对比测试法的关键。 因为这种方法比较成熟，采取这种方法对故障的特征值进行积累，进而建立机 车常见的故障特征库，根据这个特征库对机车的常见故障进行诊断。 2 3 现场调研 在研究设计开始阶段，我们为了确定系统的总体架构，a d 的采样频率 等技术细节，在石家庄机务段做了大量的实验工作，主要是利用我们前期开发 的基于p c 1 0 4 的车载仪器大量采集振动数据，然后转储至p c 机里，然后利用 m a t l a b 软件对信号进行频域分析，最终确定，机车的振动频率属于低频，转向 架构架上的振动大概在5 5 h z 以下，为保证不出现混叠现象，采样频率初步定 在1 2 0 h z 左右。其他部位频率较高，如牵引电机吊装位置，采样频率初步定为 1 k 。 为满足现场对数据传输速度的要求，我们决定开发两个数据通讯口，一个就 是比较常用的r s 2 3 2 口，这样的串行口一般电脑都有，适用面广j 但由于速度 比较慢，只能用于数据异步转储，另外一个就是u s b 口通讯，速度非静决， 支持同步传输。就是说可以在边采数，一边就可以把数据同步传回p c 机进 行显示、处理，有了这样的功能，就可以在作实验时，同步观测到所测振动数 据的频谱，实时进行分析， 为保证现场对数据掉电不丢的要求，设计系统时数据存储器采用了铆s h 存储器，这样读写都比较容易，而且关机后原来存储的数据不会丢失，充分满 足了现场工作的要求。 关于振动传感器安装点的选择，由于转向架结构复杂，动力机械吊装点较 多，所以在开始构架角上安装四个振动传感器的基础上，在振动较剧烈的点上， 比如说电机吊装点等等加装传感器。 总之，系统的开发设计经过了现场几次调研，充分听取了现场各方面的意 9 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 见，几易其稿，不断地进行更新，最终拿出了最后的方案，也就是现在实现的 机车走行部分故障检测诊断系统。 系统分为两部分：车载振动信号采集部分和地面软件处理部分。 2 4 车载振动信号采集部分技术路线 车载振动信号采集部分主要工作是采集各点振动加速度信号，对其进行一 定的实时信号处理，在线进行一些简单的故障判断，对于认定出现的故障信 号，就把这一条信号前面一段和后面的信号记录下来，存储到f a l s h 存储 器中，留到地面软件分析处理，对于一些需要报警的故障比如说晃车超过了 界限，就在液晶屏处显示报警字样，并告诉司乘人员晃车的级别。在需要的 时候，通过两个通讯口把数据传向p c 机软件处理，这些功能操作人员都可 以通过键盘和液晶显示屏组成的人机界面很方便的实现。 2 4 1 数据的来源 主要是通过振动传感器采集振动加速度信号，由于选用i c 集成式传感 器，传感器里已经集成了信号放大调理电路，所以己经省去了通常意义 上的信号放大电路，直接从传感器里出来的就是o 一5 v 的标准电压信 号，可以直接接入a d 转换器。 2 4 2 人机界面 主要由液晶显示屏和按键组成，液晶显示主菜单和子菜单，操作人员通 过菜单选择所测数据通道、向上位机传输方式，并可以显示机车晃车烈 度的等级，如果出现危险情况还可以报警等等。 2 4 3 硬件架构 本系统采用的是以d s p 弧d s 3 2 0 c 3 2 为核心开发的，加上a d 转换、 u s b 通讯口、r s 2 3 2 、存储器等等元器件，另外在加上一些辅助的元器 件和设备，比如电池等等，以保证系统能正常工作。 2 4 4 开发语言 对于d s p 来说，效率最高的开发语言当然是汇编语言，但考虑到全部 使用汇编有较大难度，开发周期较长。所以这里我采用c 和汇编混编， 既保证了开发周期不是特别长，又基本上保证了程序运行的效率。 一1 0 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 2 4 5 传输数据方式 系统和p c 机有两种数据传输方式，一种是串行总线( u s b ) ，可以保证同 步实时传输数据，另外一种是r s 2 3 2 ，速度虽然比较慢，但这是计算机 都有的串行口，适用面广，特别是在现场，这一点更是重要。 2 4 6 振动信号的分析与处理 由于信号处理算法的复杂，开发时间较短，目前在d s p 上只是实现了 频谱变换和一些简单的计算，进一步的的处理放在了p c 机上。在地面 部分主要是利用m a t l a b 对信号进行小波分析，并通过从纷繁复杂的 信号中得出我们想要的信息，并对机车走行部分的机械故障作出一定的 诊断 2 5 地面软件技术路线 地面软件的主要任务是对下位机d s p 传送上来的振动故障信号进行接 收、存储、处理等工作，并对根据这些振动数据对 2 5 1 通讯模块 利用r s 2 3 2 串行口和u s b 通讯口和下位机d s p 进行通讯，选择接收数 据的种类、形式等参数，然后接收所要接受的数据，存储成数据文件以供地 面故障诊断处理程序使用。 2 5 2 故障诊断模块 根据走行部分故障特点，这里采用基于知识的因果模型诊断方法，建立 一个因果网络诊断模型模拟机车转向架的状态、功能、故障等等，从而实现 对走行部分的故障诊断与状态监测。 2 6 车载系统基本功能介绍 2 6 1 数据采集判断记录功能 本系统可以最多同时采集l o 路信号，能够通过软件对这1 0 个通道进 行自如的切换，并可改变采样频率，适应以后不同的采样需要。对每一路采 集进来的信号都要做一定判断，当出现符合故障特征的信号时，就把此信号 前一段和后一段的数据都写入f a l s h 存储器此通道对应的存储区内，并在 每一条数据头上附上此次记录的时间。 1 1 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 2 6 2 与主机通讯功能 系统带有u s b 口、r s 2 3 2 串行口，可以很方便地和主机互联，特别是u s b 口，支持热插拔，速度可以保证同步传输。 2 6 3 人机界面 通过键盘和液晶显示屏构成的人机界面，可以很方便的操作系统。 2 7 地面软件处理功能 2 7 1 通讯功能 主要是传输p c 机的命令给下位机d s p ，这些命令是指定上位机所需要的 数据，并命令d s p 向上位机发送数据。上位机接收这些数据并把这些数据各 自写成数据文件，如果需要还可以转入数据库内，以供诊断系统查询之用。 2 7 2 故障诊断功能 根据从下位机d s p 传送来的各点振动信号数据，分析走行部分各个机械部分 的工作状态，对出现工作异常的部位进行诊断，利用转向架各部分动力机构 之间互为因果的紧密联系对具体故障部位和故障形式作出诊断，从一定意义 来说，这就是对机车走行部分的故障诊断专家系统。 1 2 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 第三章车载系统硬件设计 本章主要对车载d s p 振动信号采集系统的硬件部分做详细的分析。 d s p 系统的主要功能： 1 ) 多点振动信号的采集； 2 ) 多路模拟信号的a d 转换； 3 ) 数据的存储和通讯； 钔振动信号的实时各种处理和在线故障判断； 车载系统硬件组成框图如图3 1 所示。在概述中已经提到该系统主要由 三个方面构成。第一是振动信号的采集与存储；第二是本系统与p c 机的 通讯接口部分：第三是 机界面部分包括液晶显示屏与按键。下面对这 三个方面的硬件组成进行详细的介绍。 ： 图3 1 韶8 机车振动信号采集处理系统硬件框图 3 1 机车振动信号采集部分( 包括c p u ) 振动信号采集部分由d s p 和a d d 转换芯片和振动传感器组成，并辅以 8 2 5 5 等辅助元器件组成，主要作用是为了采集振动数据，下面就分别详细 介绍一下。 1 3 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 3 1 1c p u 本系统的c p u 选用1 1 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 2 。 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于迸行数字信号处理 运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根 据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持： ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部 优点： ( 1 ) 接口方便。d s p 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相 互兼容的，与这样的系统接1 2 1 以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口 要容易得多； ( 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵 活方便地对软件进行修改和升级； ( 3 ) 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较 小，可靠性高； ( 4 ) 精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 。5 的精度； ( 5 ) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系 统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； ( 6 ) 6 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件 结构。下面以本系统采用的t m s 3 2 0 系列为例介绍d s p 芯片的软硬件结构结 构。 1 4 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 a 1d s p 芯片的基本结构 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的基本结构包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水线操作； ( 3 ) 专用的硬件乘法器；( 4 ) 特殊的d s p 指令；( 5 ) 快速的指令周期。 这些特点使得t m s 3 2 0 系列d s p 芯片可以实珊陕速的d s p 运算，并使大部 分运算( 例如乘法) 能够在一个指令周期内完成。由于t m s 3 2 0 系列d s p 芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。下 面分别介绍这些特点是如何在t m s 3 2 0 系y f j d s p 芯片中应用并使得芯片的功 能得到加强的。 ( j )哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯诺曼( v o n n e u m a n ) 结构的并行体系结构， 其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据 存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个 存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据 的吞吐率提高了一倍。而冯诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同 存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是 地址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指 和执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，t m s 3 2 0 系列 d s p 芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储 器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性：二是指令存储在 高速缓冲器( c a c h e ) 中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令， 节约了个指令周期的时间。如t m s 3 2 0 c 3 0 具有6 4 个字的c a c h e 。 ( 2 ) 流水线 与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而 增强了处理器的处理能力。t m s 3 2 0 系列处理器的流水线深度从2 - - 6 级不等。 第一代t m s 3 2 0 处理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代 则采用四级流水线。也就是说，处理器可以并行处理2 条指令，每条指令 处于流水线上的不同阶段。 在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使 1 5 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 指令执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态。 _ 厂 厂 厂 。一1lu_l 取指b j l _ + - l h 型生* 译码 土_ + r l _ t l _ + _ 一 撕p 主_ p 1 h 十卫_ 图3 3 三级流水线操作 ( 3 )专用的硬件乘法器 在一般形式的f i r 滤波器中，乘法是d s p 的重要组成部分。对每个滤波 器抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，d s p 处理器的性能就 越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多 个指令周期来完成。相比而言，d s p 芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法 器。在t m s 3 2 0 系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周 期内完成。从最早的t m s 3 2 0 1 0 实现f i r 的每个抽头算法可以看出，滤波器 每个抽头需要一条乘法指令m p y ： l t；装乘数到t 寄存器 d m o v：在存储器中移动数据以实现延迟 m p y：相乘 灿) a c：将乘法结果加到a c c 中 其他三条指令用来将乘数装入到乘法器电路( l t ) ，移动数据( d m o v ) 以 及将乘法结果( 存在乘积寄存器p 中) 加到a c c 中( a p a c ) 。因此，若采 用2 5 6 抽头的f i r 滤波器，这四条指令必须重复执行2 5 6 次，且2 5 6 次乘法 必须在一个抽样间隔内完成。在典型的通用微处理器中，每个抽头需要3 0 4 0 个指令周期，而t m s 3 2 0 1 0 只需4 条指令。妞果采用特殊的d s p 指令或 1 6 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 采用t m s 3 2 0 c 5 4 x 等新一代的d s p 芯片，可进一步降低f i r 抽头的计算时 间。 ( 4 ) 特殊的d s p 指- d s p 芯片的另一个特征是采用特殊的指令。2 2 3 节中介绍的d m o v 就 是一个特殊的d s p 指令，它完成数据移位功能。在数字信号处理中，延迟操 作非常重要，这个延迟就是由d m o v 来实现的。t m s 3 2 0 1 0 中的另一个特殊 指令是l t d ，它在一个指令周期内完成l t 、d m o v 和a p a c 三条指令。l t d 和m p y 指令可以将f i r 滤波器抽头计算从4 条指令降为2 条指令。在第二 代处理器中，如t m s 3 2 0 c 2 5 ，增加了2 条更特殊的指令，即r p t 和m a c d 指令，采用这2 条特殊指令，可以进一步将每个抽头的运算指令数从2 条降 为1 条： r p t k2 5 5 ；重复执行下条指令2 5 6 次 。 m a c d；l t ，d m o v ，m y 及a p a c ( 5 )快速的指令周期 啥佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令再加上集 成电路的优化设计，可使d s p 芯片的指令周期在2 0 0 n s 以下。t m s 3 2 0 系列 处理器的指令周期已经从第一代的2 0 0 n s 降低至现在的2 0 n s 以下。快速的 指令周期使得d s p 芯片能够实时实现许多d s p 应用。 本系统选用的是1 r i 公司的浮点d s p t m $ 3 2 0 c 3 2 ，是t m s 3 3 2 0 3 x 系列 中的一种，t m s 3 2 0 c 3 x 是1 1 的第三代产品，也是第一代浮点d s p 芯片。 1 m s 3 2 0 c 3 x 中目前具有1 m s 3 2 0 c 3 0 、1 m s 3 2 0 c 3 1 和t m s 3 2 0 c 3 2 三种。 t m s 3 2 0 c 31 是t m s 3 2 0 c 3 0 的简化和改进型，它在，i m s 3 2 0 c 3 0 的基础上去 掉了一般用户不常用的一些资源。降低了成本，是一个性能价格比较高的浮 点处理器，在国内已得到了较广泛的应用。t m s 3 2 0 c 3 2 是t m s 3 2 0 c 3 1 的进 一步简化和改进。表2 5 示出了三种芯片的比较。 t m s 3 2 0 c 3 0 的指令周期为5 0 6 0 7 4 n s ，t m s 3 2 0 c 3 1 的指令周期为 3 3 4 0 5 0 1 6 0 7 4 n s ，t m s 3 2 0 c 3 2 的指令周期则为3 3 4 0 5 0 n s 。 1 7 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 b ) t k s 3 2 0 c 3 x 的硬件资源 t m s 3 2 0 c 3 0 的硬件资源相当丰富。其内部包含了2 k 3 2 位的快速r a m 块。分开的程序总线、数据总线和d m a 总线使得取指、读写数据和d m a 操作可并行进行，如c p u 可以在一个周期内完成下列操作：在一个r a m 块 中存取两个数据值，进行一次外部取指，d m a 装入到另一个r a m 块。6 4 3 2 位的指令c a c h e 用来存储经常使用的代码块，这可大大减少片外访问的 次数，从而提高程序运行速度。由于主总线的地址总线是2 4 位，因此 t m s 3 2 0 c 3 0 可以访问多达1 6 m 的3 2 位字的存储器空间，程序、数据和i o 空间都包含在t m s 3 2 0 c 3 0 这个16 m 字的空间中。 t m s 3 2 0 c 3 0 有一个4 0 3 2 位的浮前整数乘法器，这个乘法器可以在单 周期内完成2 4 位整数和3 2 位浮点值的乘法，为了达到更高的性能，可以采 用并行指令在单周期内完成一次乘法和删操作。当乘法器进行浮点乘法 时，输入是3 2 位单精度浮点值，而输出则是4 0 位的扩展精度浮点数。整数 乘法时，输入是2 4 位，而输出则是3 2 位。 t m s 3 2 0 c 3 0 的整数浮点算术逻辑运算单元a l u 可以进行单周期的3 2 位整数、3 2 位逻辑数和4 0 位的浮点数操作，舢的运算结果是3 2 位熬数 或4 0 位浮点数。内部的桶形移位器可以在单周期内进行高达3 2 位的左移或 右移。内部总线c p u i c p u 2 和r e g l r e g 2 可从存储器中取两个操作数和 从寄存器取两个操作数，这就使得对四个操作数进行乘和加减可以在单周期 内完成。 t m s 3 2 0 c 3 0 内有两个辅助寄存器算术单元( a r a u 0 和a r a ij 1 ) ，它 们可以在单周期内产生两个地址。a r a u 的操作是和乘法器及a l u 的操作 并行进行的。a r a u 支持多种寻址方式。 t m s 3 2 0 c 3 0 提供2 8 个寄存器，这些寄存器可以由乘法器和a l u 操作， 可以用作通用的寄存器。但是，它们也有一些特殊的功能，如8 个扩展精度 的寄存器( r 0 r 7 ) 可当累加器使用，特别适合用于存放扩展精度的浮点结 果。8 个辅助寄存器( a r 0 - - a r 7 ) 支持一系列间接寻址方式，并且可以用作 通用的3 2 位整数和逻辑寄存器。其他寄存器提供一些系统功能，如寻址、堆 栈管理、处理器状态、中断和块重复等。 1 8 基于d s p 的机车走行部分故障检测诊断系统的研究 t m s 3 2 0 c 3 0 的外设是i 麟储器映射的寄存器对外设总线进行搭副的， 外设总线由3 2 位数据总线和2 4 位地址总线组成，允许与外设直接通信。 t m s 3 2 0 c 3 0 的外设包括两个可支持8 1 6 2 4 3 2 位数据交换的串行口和两个 3 2 位定时器。串行口的时钟可以由内部产生也可由外部提供，串行口的引脚 可以配置为通用的i o 引脚，特殊的握手方式可保证t m s 3 2 0 c 3 0 与串行口 的同步。定时器是通用的3 2 位定时器或事件计数器，具有两种信号方式，可 由内部或外部提供时钟，每个定时器对