（测试计量技术及仪器专业论文）基于can总线的分布式在线振动监测系统通讯网络设计.pdf

中文摘要 船舶的振动状况可以用来诊断船舶的设备运行特性，实现对振动状况的监测 可以为实时发现故障提供可靠的依据。尤其是对特殊用途的船舶来说，由于振动 噪声会影响船舶的声学性能，更是需要对设备的振动噪声进行实时监测，分析和 诊断，因此，在船舶上安装振动噪声实时监测网络系统是非常必要的。 通讯网络作为数据传输的桥梁，其可靠性直接影响着系统整体运行的可靠 性，本文采用控制器局域网c a n 总线构成了通讯网络，实现了信号的传输通讯， 将传统的集散控制系统d c s 转变为现场总线控制系统f c s ，其主要特点有：信 号传输的全数字化、控制功能的彻底分散、系统具有开放性和互操作性等。自主 开发的c a n 网桥的使用，可方便的进行网络节点的扩充。 本文的主要研究内容有： 1 、介绍了分布式在线振动监测网络系统的整体设计方案，比较了现场总线 控制系统f c s 和集散控制系统d c s 的优点和缺点，最后选用c a n 总线 为基础构建通讯网络。 2 、基于现场总线技术，构建了中央计算机- - c a n 网桥一测量处理单元一传 感器的f c s 系统分层网络结构模型。该结构模型具有安全、可靠、扩展 简单、实时性强等特点。 3 、编写了用于系统扩展和上下级之间通讯的c a n 网桥的软件程序。包括内 部的s p i 通讯接口程序及外部c a n 通讯接口程序。 4 、编写了上位机通过c a n 接1 3 卡进行通讯的接收和发送程序。 5 、搭建了用于实验的数据传输通讯网络，通过实验验证了数据传输通讯网 络的结构正确性以及软件程序的可行性。 关键词：振动 f c s通讯c a n 总线网桥 s p i a b s t r a c t t h ev i b r a n tc o n d i t i o n so fas h i pc a l lb eu s e dt od i a g n o s et h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r s o ft h ee q u i p m e n t so nt h es h i p ，m o n i t o r i n gv i b r a t i o nc a np r o v i d er e l i a b l eb a s i st of i n d t h em a l f u n c t i o nm o m e n t a r i l y e s p e c i a l l yf o rs p e c i a lf u n c t i o n a ls h i p ，i t sa c o u s t i c c h a r a c t e r i s t i c e sm a yb ea f f e c t e d b yt h ev i b r a n tn o i s e ss oi t i sn e c e s s a r yt om o u n t r e a l - t i m em o n i t o r n e t w o r kf o rv i b r a t i o nn o i s eo ns h i p s a sb e i n gt h eb r i d g eo fd a t at r a n s m i s s i o n ，t h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kd i r e c t l ya f f e c tt h er e l i a b i l i t yo f t h em o n i t o r i n gv i b r a t i o ns y s t e m i nt h i sp e p e r , t h ec a nb u si ss e l e c t e dt oc o m p o s et h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h ef c s ( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ) i su s e dt ot a k ep l a c et h ec o n v e n t i o a a ld c s ( d i s c r e t ec o n t r o ls y s t e m ) ， i th a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：c o m p l e t ed i g i t i z e ds i g n a lt r a n s m i s s i o n ，t h o r o u g h l y d i s c r e t eo fc o n t r o lf u n c t i o n sa n do p e n n e s sa n dm u t u a lo p e r a t i o na n ds oo n t h e n e t w o r kn o d e sc a ne a s i l yb ee x t e n d e db yu s i n go fc a n b r i d g e t h ep a p e r sc o n t e n ti si n t r o d u c e db r i e f l ya sf o l l o w e d ： 1 t h eo v e r a l lp l a no fd i s t r i b u t e dm o n i t o r i n gv i b r a t i o nn e t w o r ks y s t e mi s i n t r o d u c e d d c sa n df c s & r ec o m p a r e da n dt h ec a nb u si ss e l e c t e dt o c o m p o s et h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 2t h em u l t i l a y e rd i s m i b u t e dn e t w o r ks t r u c 地r em o d e li n c l u d i n gc e n t r a l c o m p u t e r ，n e tb r i d g ea n dm e a s u r ea n dp r o c e s su n i t ，s e n s o r si se s t a b l i s h e d w h i c hi sb a s e d0 nt h ef e i l d b u st e c h n o l o g ya n dh a st h ef e a t u r e so fs a f e t y ， r e l i a b i l i t y , e a s ye x p a n s i o na n ds t r o n gr e a l - t i m ea n ds oo n 3 ，t h ep r o c e d u r e so ft h ec a nn e t b r i 电ei n c l u d i n gi n t e r n a ls p ii n t e r f a c e p r o c e d u r ea n de x t e r n a lc a ni n t e r f a c ep r o c e d u r ea r ep r o g r a m m e d 重t h ec o m m u n i c a t ep r o c e d u r eo f t h ec e r t r a lc o m p u t e ra r ep r o g r a m m e d 5t h ee x p e r i m e n t a ld a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sb u i l t ，t h er e l i a b i l i t yo f t h en e t w o r ka n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o c e d u r e sa r ep r o v e dt h r o u g hh e e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：v i b r a t i o n f c sc o m m u n i c a t i o nc a nb u sn e tb r i d g e s p i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生态堂或其他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。 学位论文作者签名：池扇文震龟签字日期：w 年月 弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期：呻年f 月日 导师签名 签字日期：巍嘶月尹日 第章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着电子计算机及自动化理论、设备的同益完善和飞速发展，船舶的电子化 程度的也随之飞速提高，设备和仪器的结构越来越复杂，自动化程度也越来越高。 由于许多无法避免因素的影响，设备有时会出现各种故障，以致降低或失去其预 定的功能。早在二十世纪初尤其是二战后，船舶噪声问题日益受到人们的关注( 酊 苏联自二十世纪五十年代起就将船舶声学的研究提到了首要地位) 。船舶振动噪 声会降低船舶的声学性能，影响搭乘人员的健康，使船舶结构发生多种形式的破 坏，船用的机器仪表设备工作失常乃至损害等，尤其对于具有特殊使命的船舶， 振动噪声的危害尤为重要。因此对这些设备进行在线监测与故障诊断是十分必要 的。通过在线监测与故障诊断，一方面可以及时了解设备当前的工作状况，进行 报警监测，同时还可将设备各种工作状态下的数据、信息进行存储、管理和分析， 实现故障预报和早期诊断，变定期预防维修为预测维修。另一方面在发生故障时 还能高速瞬时地保存大量异常信息以便进行事故追忆与分析。从而可以协助指挥 员进行迅速、f 确的指挥，缩短判断处理问题的时间。 目前航空领域内，飞机机内振动噪声的监控采用的是示波器这一可靠而又传 统的检测仪器，在船舶领域，美国对于船舶声学性能的实时检测技术已经在实际 中进行了应用，而在我国，此项技术的研究和应用刚刚起步。在船舶上安装噪声 振动实时监测网络系统，可以实现如下目的： 1 能实时检测本船舶的振动噪声性能，噪声振动谱，实现对船舶典型航 态的声场特性预报： 2 可以根据试航时的原始数据，实时监控船舶的各类主机附机的运行情 况，为实时发现故障提供可靠的依据。 船舶振动监测是实现船舶控制现代化的一个重要研究内容，随着现代工业和 科学技术的飞速发展，现代船舶设备和系统的结构日趋复杂，功能| 三| 臻完善，自 动化程度不断提高，不仅同一系统的各组成部分之间互相关联，而且不同系统之 间的联系也r 益紧密，对系统的可靠性和安全性的要求也越来越高，因而要求船 舶系统应相应配备有功能强大、技术先进的自动监测系统，以确保船舶各系统协 调配合、安全可靠地运行。其中的振动在线监测网络系统主要针对旋转机械的振 动状况进行在线测量、数据采集、a d 转换、数据格式设置、数据网络传输、分 析处理报警等功能。 第一章绪论 1 2 旋转机械的在线监测及故障诊断 1 21 旋转机械在线监测的意义 旋转机械，如压缩机、气轮机、燃气轮机、电机、风机、航空发动机和泵等， 是大型生产企业的关键设备。它们通常具有大型、高速、连续工作以及处于核心 地位的特点，其运行状态好坏会直接影响生产的进行。一旦出现重大故障，将造 成巨大的经济损失和严重甚至灾难性的后果。因此对旋转机械的运行实行有效的 监测和诊断非常必要。近年来，随着科学技术水平的提高，旋转机械设备不断向 大功率、高转速、高效率和复杂化等方面发展，这也对设备的运行状态监测和故 障诊断技术提出了更高的要求。 实施机器的在线监测，能够尽早识别较小的故障，以便在长期停机或者整个 系统发生破坏性严重事故之前，及时采取补救措施或有准备的停机、维修，从而 减少不必要的损失。另一方面，对大型旋转机械进行状态监测，可以更有效地指 导设备的管理维修。因此，积极开展对旋转机械在线振动监测与故障诊断技术的 研究，丌发完善先进的振动状态监测与故障诊断系统，具有重要的经济意义和实 用价值。 1 2 2 故障诊断 故障诊断是指系统在一定的工作环境下，查明系统某种功能失调的原因及其 性质，判断设备不正常状态发生的部位或部件，以及预测不正常状态的发展趋势 的过程。研究故障产生原因的目的是寻找故障产生的根源与其本质特征、建立合 理的故障模型。它是在深入研究设备的相对运动动力学特性并建立动力学模型的 基础上，依赖于振动噪声理论、摩擦学理论、动力学理论、材料失效理论等取得 不同的故障参数，然后进行计算机仿真和试验研究，以确定所建立的模型和取得 的参数的正确性和准确性。 判断系统发生故障的准则是：在给定的工作状态下，系统的功能与约束条件 是否满足正常运行时或原设计期望的要求。一般而言，引起系统故障的原因有两 个方面：一是工作环境变化为非正常，即系统的输入超过了允许的范围；二是在 系统的诈常工作环境下，系统部件、元件的状态由量变发展到质变，或者也可以 是这两者的联系作用。 故障诊断学是6 0 年代开始形成并发展起来的一门综合性学科，它是以机械 设备运行状态为依据、以预报和诊断机械设备的故障为目的的学科。随着故障诊 断理论的发展及其应用技术的不断完善，这门新兴学科已涉及到数理+ 力学、化 学、计算机与微电子技术、信息处理与控制技术、人工智能等多个学科。 第一章绪论 故障诊断作为一个不断发展和完善的科学领域，对实时监测目前船舶的各类 主机附机旋转机械的安全运行起到了关键的作用。在众多技术中，有效的振动监 测和故障渗断技术可以达到以下目的： 能及时、正确地对各种异常状态或故障作出诊断，预防或消除故障； 保证旋转机械发挥最大的设计能力，制定合理的监测维修制度，延长设 备服役期和使用寿命； 通过状态监测、故障分析、性能评估等，为旋转机械结构修改、优化设 计、合理制造以及生产过程提供数据和信息。 振动监测与故障诊断技术的研究与应用已经经历了几十年，其f r j 随着传感器 技术、信号分析处理技术以及计算机技术的飞速发展，振动监测系统的功能得到 很大的提高。在早期的故障诊断主要是依靠人工，利用触、摸、昕、看等手段对 设备进行诊断，通过经验的积累，人们可以对一些设备故障做出判别，但这种手 段由于其局限性，现在已不能适应对设备可靠性的要求。而信息技术和计算机技 术的迅速发展以及各种先进数学算法的出现，人工智能、计算机网络技术和传感 器技术等己经成为船舶振动监测系统中不可缺少的部分。 1 2 3 旋转机械在线监测及故障诊断技术的发展 7 0 年代以来，国外对大型旋转机械进行状态监测和故障诊断的研究取得了 很大的成绩，已进入实用化阶段，并取得巨大的经济效益。最早发展设备诊断技 术的国家是美国，早在1 9 6 7 年，在美国宇航局( n a s a ) 和海军研究所( o n r ) 的 倡导和组织下，成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) ，开始了有组织有计划地 对诊断技术分专题进行研究。而最有成效的首推美国西屋电气公司( w h e c ) ，从 1 9 7 6 年开始研制，到1 9 9 0 年已开发出电站a i d 系统( 三套人工智能诊断软件) 。 r 本则在民用工业，如钢铁、化工等部门积极发展自己的t p m ( 全员生产维修) ， 如三菱重工的百木万博研制的m h m “机械保健系统”。我国对状态监测和故障诊 断技术的研究起步较晚。1 9 7 6 年，机械工业部在长春举办的设备科长学习班上， 在学习日本的全员设备维修( t m p ) 时刁接触到设备诊断技术的概念，而真f 的 起步应从1 9 8 3 年南京首届设备诊断技术专题座谈会开始。从8 0 年代以来，我国 有关部门开始重视对汽轮机进行状态监测和故障诊断技术的研究，使我国的旋转 机械监测和诊断技术水平迅速提高。1 9 8 6 年我国成立了中国振动工程学会故障 诊断学会，并且在“七五”、“八五”期间国家自然科学基金资助了数项有关的研 究项目，把相应的关键项目列为“七五”、“八五”期间的攻关项目。目前已有许 多状态监测与故障诊断技术应用于旋转机械的生产和工作过程中。特别在电力、 石化和冶金行业，由于该技术的应用，使突发故障的发生率大大降低，且在维修 成本、管理费用等方面大幅度降低，从而提高了生产率，对国民经济的发展起到 第一章绪论 了很好的促进作用。 目前，在船舶上对旋转机械的监测与故障诊断还属于全新的领域，鉴于对旋 转机械进行在线振动监测与故障诊断的重大作用和积极意义，迫切需要在船舶上 安装旋转机械的在线监测系统，以对旋转机械的振动状况进行实时监测，来提高 船舶的安全性与可靠性。 13 本文的主要工作 本文的研究工作是在课题组的项目“船舶振动实时监控网络系统”的基础上 提出来的，对在船舶上安装的分布式在线振动实时监测网络系统的通汛网络部分 进行方案设计及可行性研究和实验。主要进行了以下工作： 1 、基于现场总线技术，构建了中央计算机- - c a n 网桥一测量处理单元一传 感器的f c s 系统分层网络结构模型。 2 、编写了用于系统扩展和上下级之间通讯的c a n 网桥的软件程序。包括内 部的s p i 通讯接口程序及外部c a n 通讯接口程序。 3 、编写了上位机通过c a n 卡进行通讯的接收和发送程序。 4 、搭建了用于实验的数据传输通讯网络，通过实验验证了数据传输通讯网 络的结构正确性以及软件程序的可行性。 第二章分布式在线振动监测网络系统 第二章分布式在线振动监测网络系统 2 1 系统的总体方案及主要特点 船舶振动噪声实时监控系统是对船舶主要振动噪声源的振动噪声信息进行 实时采集、处理、分析，同时测量船舶航行时的物理环境( 如水温，深度等) ，并 在此基础上，预报其对水下辐射噪声的贡献，以及通过工程方法实时估算船舶的 水下辐射噪声水平的测控系统。这是一种全新的船舶系统测控平台，它与习惯的 船舶仪表系统有根本的变革。 本系统采用中央计算机一c a n 网桥测量处理单元一传感器的分层网络结 构。在船舱内安装传感器，检测船舱内的振动情况和耐压壳外的自噪声情况，综 合分析船舶目前的声学性能。鉴于船舶结构的复杂性，其各部位的声学性能不一 致，可采用多点采集、部分合成处理的物理结构。测量处理单元主要包括信号调 理放大、a d 转换、数据处理及网络通信等几个模块：设计了独立的c a n 网桥以 便于系统的扩展；在中央计算机内插有c a n 通信卡来组成c a n 的网络系统。系统 工作时，通过安器在设备上的振动传感器获取测量信号；测量处理单元对信号进 行调理放大滤波、a d 转换、f f t 变换后将数据按规定格式打包后通过现场总线 传输给中央计算机，保存在数据库中，相应的分析软件实现对机械设备的振动信 号分析，在线监测软件实时显示分析曲线和数据，并根据给定的门限值进行报警 或其它提示。 本系统的主要特点有： 建立了全船振动监测网络系统，实现振动状况的实时在线测量监控。测 量网络可实现在线和全同步测量，可在同一时刻同时采集全船的振动状 况。振动信号的同时测量是振动监测的一个重要措施，它既能分析某一 测点的振动状况，又可分析某一区域的振动状况，还可以分析全船的振 动状况，同时可以分析各测点或区域的振动相互作用的影响。这种同时 测量方式只有在建立了大型监测网络的基础上才能实现，这在以往的单 独仪表方式下是根本无法做到的。 可以方便的实现测量网络的在线扩展，在中央计算机- - c a n 网桥一测量 处理单元传感器的网络结构下，最多可负载1 2 1 0 0 个测量处理单元( 每 个处理单元带有8 个传感器，共9 6 8 0 0 个传感器) 。还可无限扩充c a n 网桥的分层结构，无限扩大监控点。完全满足当前和今后一段时恻内的 第二：章分布式在线振动监测网络系统 船舶在线振动监控的需要，为今后振动在线监测的发展留_ f 足够的升级 和扩展空间，使得该网络系统具有完全向下兼容的能力。 多c p u 结构可实现并行、同时采样；单片机、d s p 、高速内存的配合使 用，使得编程方便，可以很容易地面对快速测量信息处理和复杂的网络 传输，特别是现场可编程逻辑器件c p l d 的使用，使得硬件设计工作变 得容易轻松。系统做成之后，可以很容易的通过改变可编程逻辑器件的 内部功能来满足不同的需要，大大的提高了系统的灵活性、方便实用。 使用嵌入式c a n 网络系统，具有高适应性、可靠性、保密性、安全性、 体积小、重量轻、占船舶空间少等特点，可在一4 06 c + 8 0 温度范围内 使用。c a n 网桥的研制是一项具有独立知识产权的产品，在船舶振动 噪声实时监控系统中可以非常方便的进行监测布点和测量区域的设置， 还可以进行网络的扩充，这些在其它的测量传输网络上是非常麻烦的事 情。此外，c a n 网桥还可以应用在其它基于c a n 总线的过程自动化控 制系统中。 分布式在线振动监测网络系统是根据国内外船舶监测的发展，在研究船舶噪 声振动的基础上提出来的。系统通过对船舶振动噪声的实时监测，并分析噪声振 动的谱特性来实现对船舶典型航态的声场特性预报，同时用来诊断船舶的设备运 行特性，为实时发现故障提供可靠的依据。 2 2 传感器的选择 通常用来描述振动响应的三个参数是位移、速度和加速度。一般情况下，低 频时振动强度由位移值度量；中频时的振动强度由速度值度量；高频时的振动强 度由加速度值度量。本系统实际应用中的技术条件如下： 1 _ 设备转速：6 0 0 r p m 3 0 0 0 r p m ； 2 工作环境温度：一4 0 8 0 度： 3 现场提供直流2 4 v 电源； 4 回转体加速度的范围是0 0 0 0 1 9 - - l o g 5 频率范围是1 0 h z - - 1 0 k h z ； 故选择压电式加速度传感器。压电式加速度传感器是利用某些晶体材料( 比 如压电陶瓷锚钛酸铅p b z r o ，- p b t i o ：；等) 的正压电效应作为机电变换器而制成的 加速度传感器。这种传感器具有极宽的频带( o 2 h z l o k h z ) 、本身质量较小( 2 9 5 0 9 ) ，动态范围很大，耐温性能好，因此比较适合于轻型高速旋转机械的轴承座 及壳体振动的加速度测量。 图2 1 为加速度传感器的结构简图，其惯性质量与压电晶体构成一个质量弹 第二章分布式在线振动监测网络系统 簧系统。压电晶体相当于一个弹簧。其工作原理如下：加速度传感器安装在机壳 或轴承壳上，由于惯性质量，压电晶体组成的系统具有极高的频率，一般在2 0 k h z 云母 导 电绝 图2 - 1 加速度传感器 以上，因此当被测频率远低于固有频率时，传感器内部惯性质量的加速度实际上 等于被测物体的加速度。 由于加速度导致的，作用在压电晶体上的压力或张力，使得压电晶体产生与 加速度成正比的电荷。设被测物的加速度为j ，惯性质量为m ，则压电片所受的 正压力为m 碧，压电片极化面上所产生的电荷为： q = d 3 3 m 2 式( i 广1 ) 式中d 。为压电陶瓷的压电常数，对于锆钛酸铅，d ，约为l o o p c n 的量级； 传感器的电荷灵敏度( 每单位加速度的输出电荷量) 为 瓯= 兰= 氏( p c m s 。)式( 争2 ) x 按不同用途( 冲击型、一般型和微型等) 制作的压电式传感器其电荷灵敏度约从 0 2p c m s 1 0p c m s 2 ，特高的可达1 0 0p c m s ，一般规律是电荷灵敏度越高， 其质量越大，而其可测频率上限 越低。 由压电晶体产生的电荷，经积分放大器，将电荷转换为电压，并通过电缆传 送到接口模块。接口模块可以向加速度计提供稳定的电流。同时它也能将来自加 速度计的信号放大。 本系统选用的是美国p c b 公司生产的6 0 2 a l l 型压电式加速度传感器，其灵 敏度为l o o m v g ，测量范围5 0 9 ，温度范围一5 4 + 1 2 1 ，频率范围为 0 2 7 h z l o k h z ，建立时间4 s e c ，能很好地满足系统要求。传感器在实验中的情 况见图2 2 。 第二章分布式在线振动监测网络系统 2 3 系统的网络结构 图2 - 2 实验中的传感器 在实际应用中，被测船舶分为多个舱室，每个舱室中安装有多个旋转机械， 因此要根据测量需要设置被测点。监测系统要求将每个被测点作为一个单元，各 个单元能够不依赖上位机独立进行振动信号的监测，并通过d s p 数据处理系统对 单元测量数据进行处理，然后将处理结果存入数据库，实现对船舶机械设备的振 动信号分析，初步评价设备的运行情况，并且对各个设备振动引起的辐射噪声进 行预报。由于被测节点数量较多，系统需要构建通讯网络，本系统通讯网络采用 现场总线方式，如图2 3 所示，有关系统通讯网络部分的介绍详见第三章。 图2 - 3 系统的网络结构 第二章分布式在线振动监测网络系统 2 ，4 测量处理单元的实现 加速度传感器采集到的数据通过测量处理单元的初步处理后传到上位机进 行综合分析处理，测量处理单元通过安置在设备机座上的振动传感器获取测量信 号，信号调理电路进行放大和滤波，a i d 转换电路将其转换为数字信号，并存入 输入数据缓存器，单元以c p l d 和d s p 为核心，d s p 将振动数据进行实时处理 并按照要求的格式将结果存入输出数据缓存器，选用容量为6 4 k 1 6 的s r a m c y 7 c 1 0 2 l v 两片外部存储器存储运行过程中的程序和数据中间结果，控制时序 则由c p l d 完成，处理后的数据通过c a n 总线向外发送，单片机p i c i8 f 2 4 8 带 有c a n 接口，通过c a n 收发器与外部通信。上面的控制单片机p i c l 8 f 2 4 8 通 过1 2 c 总线与下面的采样单片机p i c l 8 f 2 4 8 进行联系，可以给a ，d 送控制信号。 为了显示系统时钟，在单元内加入了同历时钟芯片p c f 8 5 8 3 ，其与控制单片机 p i c l 8 f 2 4 8 采用1 2 c 总线通信。测量处理单元结构如图2 - 4 所示。 幽2 4 测鼙处理单元结构图 第二章分布式在线振动监测网络系统 测量处理单元电路主要分为两部分，虚线框外为信号采集与传输电路。虚线 框内为信号数据处理电路。 241 主要芯片介绍 一、数字处理芯片d s p d s p 是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp m c e s s o r ) 的英文缩写，它是伴随着 微电子学、数字信号处理技术、计算技术等学科的发展而产生的。由于它特殊的 结构设计，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。一般具有以下特点： 1 、哈佛( h a r v a r d ) 结构 哈佛( h a r v a r d ) 结构是不同于冯诺依曼( v e nn e u m a n n ) 结构的并行体系 结构。哈佛结构的最大特点就是使d s p 芯片的程序存储空间和数据存储空间相 互独立，系统中相应有独立的数据总线和程序总线，c p u 可以同时进行数据访 问和指令读写，提高了数据吞吐率，从而提高了系统的运行速度。为了进一步提 高c p u 的运行速度和芯片的灵活性。 2 、专用的硬件乘法器 在数字信号处理过程中，如f f t 、f i r ，乘法和加法是最重要的运算。在通 用的微处理器中，一般来讲，乘法指令实际上是由时钟控制的一连串“移位- 力n 法” 操作，乘法需要多个指令周期来完成；在d s p 芯片中，有专用的硬件乘法器， 甚至于有两个或多个，使得一次甚至多次乘法运算可以在一个单指令周期内完 成，从而提高了d s p 的运算速度。 3 、指令系统的流水线操作 d s p 处理指令系统的流水线操作是与其哈佛结构相配合的，增加了处理器的 处理能力，把指令周期减少到最小值，同时也就增加了信号处理器的吞吐量。 4 、片内外两级存储结构 在片内外两级存储结构中，片内存储器虽然不可能具有很大的容量，但速度 快。片外存储器的容量大，但速度慢。结合它们各自的优势，在实际应用中， 般将正在运行的指令和常用的数据存放在片内存储器中，暂时不用的程序和数据 存放在片外存储器中。 5 、特殊的d s p 指令 片内存储器的速度接近于寄存器的速度，因此在d s p 的指令系统中，采用 存储器指令取代了寄存器访问指令，而且可以用双操作数或三操作数来完成多个 存储器的同时访问，使指令系统更加优化。 6 、快速的指令周期 c m o s 技术、先进的工艺及其集成电路的优化设计、工作电压的下降，使得 d s p 的主频不断提高。 第二章分布式在线振动监测网络系统 系统选用的德州仪器( t i ) 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片，具有增强的哈佛结 构和循环寻址。主要性能指标如下： 1 、采用高性能静态c m o s 技术，内核电压1 8 v ，i o 电压3 3 v ，减小了 控制器的功耗，高达1 5 0m h z 的执行速度使得指令周期缩短到6 6 7 n s ， 从而提高了控制器的实时控制能力； 2 、 基于c 2 8 x 的3 2 位高性能c p u 核，且与t m s 3 2 0 f 2 4 x l f 2 4 0 x 系列d s p 代码兼容： 3 、可扩展的外部存储器高达1 m 空间，扩展z o n e0 ，z o n e 2 和6 ，z o n e 7 可分别片选并独立编程等待状态； 4 、 片内有1 2 8 k 字的f l a s h 程序存储器，片上存储器资源还有l k 字的 o t p r o m ，2 个4 k 字的s a r a m ( l 0 和l 1 ) ，1 个8 k 字的s a r a m ( 1 4 0 ) ， 2 个1 k 字的s a r a m ( m o 和m 1 ) ； 5 、 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个管理器包括两个1 6 位通用定时 器，6 个脉宽调制( p w m ) 通道，3 个输入捕捉和3 个输出比较单元； 6 、 内部时钟输入有锁相环( p l l ) 并带看门狗定时器模块( w d t ) ： 7 、 具有1 6 通道的1 2 位a i d 转换模块，两个采样保持电路，最小转换时问 为8 0 n s ； 8 、 具有控制器局域网络( c a n ) 2 o b 模块，串口资源还包括串行外围接口 模块( s p i ) ，两个串行通信接口模块( s c i s ) ，多路缓冲串行模块 ( m e b s p ) ： 9 、 高达5 6 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) ； 1 0 、3 个外部中断： 1 l 、包括3 种低功耗模式、能将各个外设器件独立转入低功耗工作模式。 二、复杂可编程逻辑器件c p l d 近年来发展迅速的可编程专用集成电路( a s i c ) 包括复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) 和现场可编程逻辑门阵列( f p g a ) 等器件，c p l d 与f p g a ( 现场可 编程门阵列) 相比较，具有容易使用、时序可预测和速度高等优点，同时c p l i ) 的 r o 更多，尺寸更小。c p l d 可编程逻辑器件的优点如下： 1 、逻辑和存储器资源丰富； 2 、带冗余路由资源的灵活时序模型； 3 、提供单片c p l d 的可编程p h y 方案； 4 、i o 数目较多，可用于复杂逻辑设计： 5 、改变引脚输出很灵活： 6 、采用先进的f a s t f l a s hc m o s 工艺； 7 、具有可保证性能的集成存储器控制逻辑； 第二章分布式在线振动监测网络系统 8 、具有在系统可编程能力( 1 s p ) ，适合所有电平和温度； 本系统选用c p l d 的是x i l i n x 公司的x c 9 5 2 8 8 x l 芯片，其主要性能指标 如f ： 1 、引脚到引脚最大延迟时间为7 5 n s ； 2 、2 8 8 个宏单元提供6 4 0 0 可用逻辑门，高达1 6 8 个i o 引脚； 3 、兼容25 v 、3 3 v 和5 v 电平的i o ； 4 、具有1 6 个灵活多变的5 4 v 1 8 功能模块，每个功能模块有1 8 个宏单元， 每个宏单元有9 0 个乘积项；提供全局与乘积项时钟，输出使能和置位 与复位信号： 5 、采用先进的3 3 vf a s t f l a s hc m o s 工艺； 6 、支持在线编程( i s p ) ，高达1 0 0 0 0 次编程擦除，适合所有电平范围和温 度范围。 三、单片机p i c l 8 f 2 4 8 p i c 系列单片机是美国m i c r o c h i p 公司生产的，其硬件系统设汁简洁，指令 系统设计精练。与其它单片机相比p i c 单片机的优越之处在于： ( 1 ) 哈佛总线结构 在p i c 系列单片机中采用的哈佛总线结构，在芯片内部将数据总线和指令总 线分离，并且采用不同的宽度，如图2 5 ( a ) 所示。这样便于实现指令提取的“流 水作业”，在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作；便于实现全部指 令的单字节化、单周期化，从而有利于提高c p u 执行指令的速度。而在一般的 单片机中，指令总线和数据总线是共用的( 即时分复用) ，如图2 5 ( b ) 所示。 ( a ) p 1 c 单片机内部结构 ( b ) 普通单片机内部结构 图2 - 5 结构比较 第二章分布式在线振动监测网络系统 ( 2 ) 指令单字节化 因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序存储 器r o m 和数据存储器r a m 的寻址空间( 即地址编码空间) 是互相独立的，而 且两种存储器宽度也不同。这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行 速度和实现全部指令的单字节化。这里所说的字节，特指p i c 单片机的指令字节， 而不是常说的8 位字节。例如，p i c l 2 c 5 0 x p i c l 6 c 5 x 系列单片机的指令字节为 1 2 位：p i c l 6 c 6 ) ( 8 x 系列的指令字节为1 4 位；p i c l 8 f x x 8 系列指令字节为1 6 位。它们的数据存储器全为8 位宽。而m c s 一5 1 系列的单片机的r o m 和r a m 宽度都是8 位，指令长度从一个字节( 8 位) 到3 个字节长短不一。 ( 3 ) 精简指令集( r i s c ) 技术 p i c 系列单片机的指令系统只有3 5 条指令。而m c s 一5 1 单片机的指令系统 共有l l l 条指令。p i c 系列单片机不仅全部指令均为单字节指令，而且绝大多数 指令为单周期指令。 ( 4 ) 功耗低 p i c 系列单片机的功率消耗极低，是目前世界上最低的单片机品种之一。其 中有些型号在4 m h z 时钟下工作时耗电不超过2 m a ，在睡眠模式下耗电可以低 到1 州以下。 p i c l 8 f 2 4 8 是m i c r o c h i p 公司2 0 0 2 年新研制出的具有c a n 总线接口的高性 能的单片机，不需再外扩c a n 接口，只需加一个总线收发芯片即可，方便了通 讯调试，提高了系统的抗干扰能力。它的突出特性有： 1 、精简指令，1 6 位指令宽度，8 位数据宽度，运行速度可达1 0 m i p s 。 2 、支持c a n l 2 ，c a n 2 0 a ，c a n 2 0 b 通讯协议，除c a n 接e l 外还具 有1 2 c 、s p i 、u s a r t 等通讯接口，方便调试。 3 、1 0 - b i t 8 - c h a n n e l a d 转换接口，转换一位最短时间为1 6 , u s 。 4 、内置看门狗电路，s l e e p 工作模式，4 倍时钟锁相环。 5 、高达1 6 k 的低功耗、高速f l a s h m e m o r y 空间。 2 ，4 2 数据采集和传输 数据采集模块的主要功能是将被测对象的振动信息经传感器转换成模拟信 号，并经调理、放大和模数( d ) 转换后使其成为数字信号处理器能够识别的 数字信号。 在本系统采集模块中，为了保证采集信号的同步性，并且考虑到p i c l 8 f 2 4 8 单片机价格合适，故8 路a d 转换通过8 片p i c l 8 f 2 4 8 单片机来完成。每个单 片机接收到由c p l d 发送的同步采集信号c c p 后，通过内部的1 0 位的a d 转 第二章分布式在线振动监测网络系统 换电路，采集振动数据，然后通过c p l d 传入输入数据缓存器。c p l d 通过控制 线c b 和数据线d b 与p i c l 8 f 2 4 8 联结，采用并口通信。 数据传输模块的主要功能是将d s p 处理完成的数据传输给上位机进行分析 处理以及将上位机发出的行动指令传输给测量处理单元。数据及命令传输通过最 上一级的p i c l 8 f 2 4 8 单片机来完成，通过单片机内部集成的c a n 模块和上层网 桥进行通讯。 243 数据处理 信号处理模块以d s p 为核心，d s p 与c p l d 通过地址线a b 、数据线d b 和 读写控制线c b 连结，d s p 在c p l d 控制下从r a m 中读取数据进行处理，处理 结果通过p 1 c 1 8 f 2 4 8 的c a n 接口传送到c a n 总线上。 单元对8 路传感器采集的数据进行f f t 处理，并按3 1 个频段分组，频段值 分别为：1 0 ，1 2 5 ，1 6 ，2 0 ，2 5 ，3 1 5 ，4 0 ，5 0 ，6 3 ，8 0 ，1 0 0 ，1 2 5 ，1 6 0 ，2 0 0 ， 2 5 0 ，3 1 5 ，4 0 0 ，5 0 0 ，6 3 0 ，8 0 0 ，1 0 0 0 ，1 2 5 0 ，1 6 0 0 ，2 0 0 0 ，2 5 0 0 ，3 1 5 0 ，4 0 0 0 ， 5 0 0 0 ，6 3 0 0 ，8 0 0 0 ，1 0 0 0 0 ，共3 1 个倍频值。例如，对于1 0 h z ，应该先求出8 h z 、 9 h z 、1 0 h z 、1 1 h z 、1 2 h z 处的幅值，求其平均值为爿f ，然后作算法 2 0 l g ( a i 1 0 “) = e n d ，则e n d 为最后所要传递的幅值。 2 4 41 2 c 总线及系统时钟 在测量处理单元的设计方案中，上层p i c l 8 f 2 4 8 单片机传送a d 采集的控 制信号给下层的p i c l 8 f 2 4 8 单片机通过1 2 c 总线来实现。同时，为了方便地显示 系统时钟，在测量处理单元电路设计中加入了日历时钟芯片p c f 8 5 8 3 ，也通过 1 2 c 总线与单片机进行联结。 1 2 c 总线是由p h i l i p s 公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只 需要两根线( 串行时钟线s c l 和串行数据线s d a ) ，即可在连接于总线上的器件 之间传送信息。1 2 c 串行总线上的各模块通过一条数据线( s d a ) 和一条时钟线 ( s c l ) ，按照通信协约进行寻址和信息传输，每个集成电路模块都有唯一的地 址。1 2 c 总线的主要特点有： 总线上只有两根线，串行时钟线和串行数据线，这在设计中大大简化了 硬件接口； 每个连接到总线上的器件，都可由软件分配唯一的地址标识，建立简单 的主从关系，主器件既可以作为发送器，又可作为接收器； 它是一个真j 下的多主总线、带有竞争监测和仲裁电路，多个主机任意发 送而不破坏总线上的数据； 同步时钟允许器件以不同的波特率进行通讯； 第二章分布式在线振动监测网络系统 同步时钟可以作为停止或重新启动串行口发送的握手方式； 连接到同一总线的集成电路数只受4 0 0 p f l 构最大总线电容的限制。 1 2 c 串行总线上的各模块通过一条数据线和一条时钟线，按照通信协约进行 寻址和信息传输，每个集成电路模块都有唯一的地址。当1 2 c 总线中要丌始通信 时，是从个主控器件对整个系统发出信号开始，这个主控器件首先送出地址信 号，表示是要对哪一个从动器件进行通信，总线上所有的器件都会接收到这个地 址信号，并判断这个地址是不是自己，如果不是就不予理会，如果是，就发送 个应答信号给主控器件，主控器件收到从动器件的响应信号，就开始接下来的数 据传输。 1 2 c 有两种工作方式：主控方式和从动方式。主器件作为发送器发送串行时 钟、地址和数据，从器件作为接收器可以接收数据。在1 2 c 工作方式下，p i c l8 f 2 4 8 单片机的s c l 引脚与s d a 引脚都必须设定为输入引脚。 1 2 c 总线上数据传送时的启动、停止和有效状态都是由s d a 、s c l 电平状态 决定的，总线状态如下： 启动状态：在s c l 位于高电平时，s d a 出现一个下降沿，则启动1 2 c 总线。 停止状态：在s c l 位于高电平时，s d a 出现一个上升沿，则停止1 2 c 总线。 在其余的状态，s c l 的高电平对应于s d a 的稳定数据状态，通过s d a 的电平 表示每一个被传送的数据位，对于每一个被传送的数据位都在s c l 上产生一个时 钟脉冲。在s c l 高电平期间，s d a 线上的数据必须稳定，否则被认为是控制信号， s d a 只能在s c l 低电平时改变。启动后总线状态为“忙”，停止后总线状态为“空 闲”。在启动和停止之间传送数据，每个字节为