（控制理论与控制工程专业论文）基于单片机网络的振动信号的采集系统.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 振动信号采集与分析技术是机械动力学和电子技术相结合的一门崭新的学 科，是机械动力学工程应用的一个极为普遍的方面。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、工作寿命等方面的要求越来越高。人们对振 动的认识也越来越深入，因此对振动信号监测和分析技术的研究提出了越来越高 的要求。我们所做的课题就是受华东油田研究院方面的委托，通过对油田钻井设 备中绞车轴承振动信号的监测，来实现轴承故障的预判断，从而降低由于故障引 起的巨大的经济损失。 本文开发的系统采用嵌入式单片机进行前端信号的采集，实现了绞车轴承装 置的全面监测。主要两个方面进行了研究：第一部分是前端信号采集，这是进行 振动监测的基础。该部分深入探讨并研究了现场采集节点的硬件及软件流程。其 硬件采用了嵌入式单片机，节点可以在监测点附近布置。因此模拟量传输线路短， 方便了布线；将模拟信号数字化，提高了系统抗干扰能力。通过r s 4 8 5 总线实 现了上下位机分布式控制系统，在上位机的软件设计过程中采用了多线程思想对 信号进行接收和处理，有效地提高了系统资源的利用率。第二部分根据采集的实 时性要求，综合利用了w i n d o w s x p 所提供的多种实时机制，提出了一套通用操 作系统平台的实时应用解决方案；同时，还给出了一个占用内存资源较少的大容 量信号文件的读写方法。 最后运用软件工程的思想，在b o r l a n dc + + b u i l d e r 平台下开发了具有良好的 可移植性和可扩充性、抗干扰性强、操作方便的状态监测系统。本文的研究对同 类状态监测系统的开发和应用具有借鉴作用。 关键词：振动信号；信号采集；r s 4 8 5 ；单片机 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i st e c h n o l o g yi si m p o r t a n tb r a n c ho fm e c h a n i c a ld y n a m i c s ，a n d i ti st h eu n i v e r s a la s p e c to ft h ea p p l i c a t i o no ft h em e c h a n i c a ld y n a m i ce n g i n e e r i n g w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h es c i e n c et e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n t sf o rt h er o t a t i n gs p e e d ，b e a r i n ga b i l i t y , w o r k i n gl i f e - s p a na n ds oo nb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r , a n dp e o p l eh a v em o r ea n dm o r et h o r o u g h u n d e r s t a n d i n go nv i b r a t i o n t h e r e f o r e ，t h er e q u i r e m e n tf o rt h es t u d yo f v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n d a n a l y s i st e c h n o l o g yb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r i n t h i ss y s t e mo ft h ed i s s e r t a t i o n ，m c ui sc h o s et oa c q u i r es i g n a l sa n dt h e mar o u n d e d m o n i t o r i n go f t h eu n i tc a nb ei m p l e m e n t e d g e n e r a l l y , t h es t u d yi sf o c u so nt w op a r t s i nt h ef i r s t p a r ts t u d i e st h ep r o b l e mo f d a t aa c q u i s i t i o na sab a s i so f c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dm a i n l yp r o b e s i n t ot h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ff i e l dn o d a lp o i n tf o ra c q u i s i t i o n a sac o r ep a r to f h a r d w a r e ，m i c r o p r o c e s s o rc h i pu n i ti su s e dt oa c q u i r es i g n a l sw h i c hb r i n g so na na d b a n t a g et h a t t h en o d a lp o i n tc a nb ee s t a b l i s h e dn e a rm e a s u r i n gp o i n t s s ot h et r a n s m i s s i o nl i n ei ss h o r ta n d c o n v e n i e n tf o rw i r i n g ，a n dt h ec a p a b i l i t yo f a n t i - i n t e r f e r e n c eh a sb e e ne n h a n c e dr e m a r k a b l y t h e n t h er s 4 8 5b u si su s e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e np ca n dm c u d u r i n gd e s i g n i n gt h es o f t w a r eo f p c ，m u l t i - t h r e a di d e ah a sb e e na p p l i e di ns i g n a la c c e p t i n ga n dh a n d l i n gf o rah i g h e re f f i c i e n t u t i l i z a t i o nf o rs y s t e mr e s o u r c e t h es e c o n dp a r tc o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n to f r e a l t i m es a m p l i n g ， as o l u t i o nw a sa d v a n c e d ，w h i c hs y n t h e t i c a l l yu s e da l lt h er e a l - t i m em e c h a n i s m sp r o v i d e db y w i n d o w s 2 0 0 0 x p t h ew a yh o wt or e a da n dw r i t et h el a r g ef i l eo fs i g n a lw a sa l s og i v e n ，w h i c h w i l lu s eo n l yal i t t e rm e m o r y f i n a l l yi nt h ed i s s e r t a t i o n ，b a s e do ns o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，ac o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo f r o l l i n gm i l lt e s t - b e d ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fg o o dt r a n s p l a n t a t i o na n de x p a n s i o n s 订o n g a n t i - i n t e r f e r e n c e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，i sd e v e l o p e do nb o r l a n dc + + b u i l d e r6 0a n dw i l lu s ef o r r e f e r e n c ef o rf u r t h e rp e r f e c t i o na n de x p a n s i o n k e y w o r d s ：v i b r a t i o ns i g n a l ；d a t aa c q u i s i t i o n ；r s 4 8 5 ；m c u i i 江苏大学硕士学位论文 y 。1 0 1 3 8 3 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者虢帮 指导教师签名：彩旋 矿口年z 月妇 秒多年莎月，多日 江苏大学硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 大型旋转机械，如汽轮机、发电机、压缩机、发动机、轧钢机等，是石化、 能源、冶金、航空等许多行业中的关键设备，该类设备安全、稳定、长周期、满 负荷、优质运行，会产生良好的经济效益和社会效益。但由于工作条件及使用寿 命的限制，恶性事故屡有发生，造成了巨大的经济损失，有时还危及人身安全。 为保证设备安全运行，目前普遍采用的是“状态预先维修”的设备维修体制， 即基于对设备“健康”状况监测的机制。旋转机械的主要功能是通过转子的旋转 动作完成，而作为机械设备动力学特性表征的振动总是伴随着转子的运转而存 在，因此，对转子振动的时域、频域和幅值域的分析结果均可以作为旋转机械的 故障征兆。统计表明，9 0 的机械故障都发生在振动增大之后，国内外企业中， 使用振动方法进行设备监测和诊断的占其所用手段的6 0 以上。 工业现场的振动监测，通常有三类：离线、半在线和在线连续监测系统。前 两者由于属于非实时监测，不能用于关键设备或无后备设备。在线连续监测系统 需要有前端数据采集部分和后端计算机分析与诊断系统，前端数据采集部分通常 选用振动信号专用采集卡，后端计算机则运行在实时操作系统平台之上，利用高 速信息传输，实现远距离对设备的集中监测、分析和诊断，这些在线系统可随时 获得设备状况，信息把握全面，但通常投资和规模都比较大，价格昂贵，维护困 难，用户使用界面困难，对于中小型企业而一言，通用性强的、硬件设备简单、 性价比高的监测系统将更实用。 可见，寻找一种性价比高、通用性强、设备简单的振动监测解决方案，其现 实意义巨大。当今w i n d o w s 系列操作系统在p c 机上占据着统治地位，它标准、 美观的图形用户接口( g u i ) 和方便快捷的操作方式，被普通用户所接受，本文以 w i n d o w s2 0 0 0 x p 为平台，研究基于单片机的转子振动状态监测的解决方案，所 开发的软件可以用于中小企业的工业现场实时监测，完成监测软件的评测工作。 江苏大学硕士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 振动信号整周期采样技术 在对旋转机械振动信号检测的采样系统中，一般采用傅立叶变换对周期信号 进行谐波分析，使用整周期采样方法可以方便的实现以数量经济的时域数据获得 准确可靠的谱分析结果，并且可以避免离散傅立叶变换时泄漏效应与栅栏效应。 虽然旋转机械中轴系的振动是以转速为基波的周期信号，但由于转轴转速的波动 以及轴系的动不平衡等原因，振动信号实际上并不是严格的周期信号，在这种情 况下进行严格的整周期同步采样是实现振动监测的核心问题。目前普遍采用的方 法有三种：硬件锁相倍频、软件异步倍频和非整周期算法实现“1 。 ( 1 ) 硬件锁相倍频 在整周期采样中，触发采样的脉冲频率必须跟随转子转速的变化而变 化，因此针对在线监测系统常用的涡流传感器，在转子上开一个小槽，每转 一周，槽经过涡流探头时便会输出一个脉冲，这个脉冲就是鉴相信号。 锁相倍频器是锁相环应用的一种，通过在锁相环的反馈环节中加入一个n 分频器，完成鉴相信号的倍频输出功能，以该倍频输出作为采样触发脉冲控 制a d 采样。具体实现为：先由锁相环电路对鉴相信号倍频，在检测到下一 个鉴相信号上升沿到来的同时，发出采样触发脉冲，由触发脉冲控制振动信 号的采样频率，再在下一个键相信号的上升沿结束该周期的采样。 在硬件实现中，为实现多通道并行实时采样，一般还可设计并行采样 保持电路，对各个通道进行同步采样。 这种整周期实时采样法可以将p c 机的c p u 从实时性要求很高的采样和 a o 转换中解救出来，用于完成更多复杂的时频谱分析，但它需要锁相频与 并行采样的硬件电路，只有专用于振动信号的a d 采集卡才具有这个电路， 而使用专用m d 采集卡进行测量具有比较明显的缺点： 1 成本比较高。 2 通用性差专用a d 采集卡只能用于某一固定用途，不易根据具体应 用做大量的改动，较难实现升级。 3 难以维护专用a d 采集卡一旦发生损坏，不易查出故障所在，修复 江苏大学硕士学位论文 就更困难。 ( 2 ) 软件异步倍频 倍频数即每周期需要采样的点数，软件倍频的流程是：先得到基 频然后倍频再进行采样。由于振动信号是以转速为基波的周 期信号，因此根据鉴相信号计算出转子转速后，也就得到了振动信号 的基频。根据每周期倍频数n 和基波周期，即可确定采样点的间隔， 即采样频率，以此频率进行采样，多采回的振动信号即可满足指定的 倍频。 虽然软件倍频法实现起来非常方便，但它实现的是标准的异步倍 频，即计算采样频率的方法是以此时刻一转的转速作为下一转的转速 来计算，得到基频与进行采样两者并不同步，不能实现同步采样，则 不可避免地存在异步误差，特别是当转速大时误差犹为明显。 如果对基频的采样来源于第k 个周期，即使将计算时间忽略不计， 对振动信号进行采样最早也只可能发生在第k + 1 个周期，那么就会出 现这样的问题：由于转速波动，振动周期已经发生了改变。 振动信号采集的理想情况是整周期采样，即这n 个采样数据记录 了振动信号在一个完整周期内的变化情况。但实际情况是，多采集到 的n 个采样数据，可能并没有将整个第k + 1 个振动周期包括完全，也 可能还包含了第k + 2 个周期的部分数据，这样，就没有实现整周期采 样，从而导致了栅栏效应和泄漏效应。 可见，软件异步倍频只有在转子为匀速转动时，多采样信号才为 无误差的整周期信号，当转子为匀变速或变速转动时，则误差较大。 为了改善精度，又产生了一种速度预估的算法，即利用插值的方法， 以此时刻一转的转速和上一转的转速来预估下一转的转速，再以预估 的转速来计算采样频率，此法在变速转动的情况下，对误差有一定的 补偿作用，但对于匀变速转动，误差依旧较大。 ( 3 ) 非整周期算法 由于转速的波动以及锁相环的精度不足，整周期采样不可避免地 存在一定的同步偏差，为了减小同步偏差带来的误差，也可以采用一 江苏大学硕士学位论文 些非整周期算法来提高信号分析精度。目前使用较多的方法有以下几 种。 准同步算法； 加窗运算和泄漏误差算法； 修正f f t 分析法； 非整周期采样谐波分析算法； 由于每种算法都包含了大量的理论分析和较复杂的公式推导，在此不对 这些算法的实际应用效果和优缺点进行分析。总体来说，用软件算法来 提高信号分析中的幅值精度和相位精度，但它们都是以复杂的分析来计 算作为代价，必然要占用大量的c p u 运算时间，从而影响监测系统的实 时性。 1 3 振动测试与信号分析的工程应用 振动测试与信号分析是一项综合性技术，在各个工程部门及各种工程结构中 有着广泛的应用。特别是模态分析技术，作为一门新的学科，并得到了迅速的发 展。随着电子技术与计算机技术的迅速发展，模态分析已成为解决复杂结构振动 问题的主要工具，并与计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助实验( c a t ) 相结合， 进入产品设计阶段，作为计算机辅助工程中的重要环节，有着广泛的应用0 3 。 1 诊断及预报结构系统的故障 近年来故障诊断技术发展迅速，而模态分析已经成为故障诊断的一个重 要方法。利用结构模态参数的改变来诊断故障是一种有效的方法。例如根据 模态频率的变化，可以判断裂纹的出现：根据振型的分析，可以确定断裂的 位置；根据转子支承系统阻尼的改变，可诊断与预报转子系统的失稳等等。 2 评价现有结构系统的动态特性“1 在处理结构的振动问题时，必须对其动态特征有全面的了解。结构的动 态特性通常用各阶模态参数如模态频率、模态振型及模态阻尼比等来描述。 通过对结构的模态分析可以求得上述动态特性参数，从而评价结构的动态特 征是否符合要求，并校验理论计算结构的准确性。结构的动态特性虽然可用 有限元方法计算，但是，由于实际结构的复杂性，在建立有限元模型时所引 4 江苏大学硕士学位论文 进的一系列认为假设往往很难与实际机构相符合，因此，计算结构与实际情 况往往不相吻合。模态分析是建立在实验基础上的，因此，所得到的动态特 征参数比较准确，特别是可以识别系统的阻尼。 3 在新产品设计中进行结构动态特性的预估及优化设计 在新产品设计中，通常采用有限元分析方法计算结构系统的动态特性， 但是，正如上面所指出的，由于在建立有限元模型时，在边界条件的处理及 力学模型的简化上，往往与实际结果相差较大。用模态分析度得到的模态参 数对有限元模型进行修改，使其更符合实际，从而提高有限元分析的精度。 用模态分析的结构进行结构动力修改，使动力特性达到预定的要求，并 使其优化，这也是模态分析的目标之一。模态分析进入产品的设计阶段，并 与有限元分析、c a d 、c a e 相结合构成所谓“理想设计过程”( i d e a ld e s i g n p r o c e s s ) ，是模态分析技术的一个发展方向。 4 控制结构的辐射噪声 结构辐射噪声是由于结构振动所引起的。结构振动时，各阶模态对噪声 的“贡献”并不相同，对噪声贡献较大的几阶模态成为“优势模态”。抑制 或调整优势模态可以降低噪声。而优势模态的确定，必须建立在实验模态分 析的基础上。 5 识别结构系统的载荷 某些结构在工作时多承受的载荷很难测量，这时，可以通过实测响应和 由模态分析所得到模态参数来加以识别。此方法在航空、航天及工程中应用 较广。 振动测试与分析在航空航天、造船、机械、核工程、交通运输、兵器等 工程部分中的应用可归结为以下几个方面。 ( i ) 宇航工程 如航空与航天结构振动的分析研究，声振疲劳分析研究，航空发动机的 监测与控制，飞行器的故障诊断研究等。 ( 2 ) 机械工程 对各种机械振动及由振动引起的结构强度与刚度的研究，如燃气轮机、 内燃机、柴油机、机床振动和自激振动的研究，传动齿轮、轴承与磨损的研 江苏大学硕士学位论文 究，拖拉机、装卸与挖掘机械的振动分析等。 ( 3 ) 铁路、交通工程 如火车、汽车、轮船的随机振动研究，运输车辆整体振动稳定性和零部件 强度与疲劳性能的研究、发送机共振频率和隔振、减振的研究，铁路线路与道 路随机特性、载荷谱分析研究等。 ( 4 ) 声学工程 如音响和噪声控制技术，水声和声发射技术研究以及生物声语训练的研究 等。 ( 5 ) 地球物理和地质工程 如地震信号的研究、抗震工程、地质勘探、爆破技术的研究、地质层结构 研究等。 1 4 本课题研究的内容 主要致力于振动信号采集监测系统的研究，系统采用嵌入式单片机实现实时 信号的采集，将模拟信号量转化为数字量，可有效地提高信号的可靠性，从而提 高了工业现场复杂环境下系统的抗干扰性：采用r s 4 8 5 总线将实时信号传送给监 测中心，同时提出了一种灵活的、兼容性强的状态监测方案，并对系统各个部分 进行了详细分析和设计。所做工作简述如下： ( 1 ) 总结前人所做工作，分析比较现行设备状态监测的各种技术，并对现行 状态监测所采用模式的优缺点进行研究，在此基础上提出振动信号采集监测体系 结构，以满足不同的用户对软件不同的需要。 ( 2 ) 研究了振动状态监测系统中前端数据采集部分，并根据监测对象的要求， 对现场监测节点的硬件和软件进行详细的分析和设计。 ( 3 ) 研究了现场采集节点上下位机分布式控制系统之间的通信方式，设计了 单片机与p c 机之间的通信协议：在w i n d o w s 平台下采用多线程思想结合w i n 3 2 a p i 函数实现串口通信。 ( 4 ) 在b o r l a n dc + + b u il d e r 平台下进行振动信号现场监测系统及远程监测 系统的开发。 江苏大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章系统的总体设计 设备状态监测系统，在工业界已经广泛应用，为保障设备安全运行，实现生 产合理调度、科学决策和自动化管理提供了有力支持。作为故障诊断的前提和设 备科学维护的基础，监测系统的设计应当考虑如下几点”： ( 1 ) 系统的可靠性：系统的研究开发，最终是为提高设备的可靠性，延长 其使用寿命，系统开发时应该努力加强每一部分的可靠性，提高软件 的质量，努力提高设备的可靠性。 ( 2 ) 系统的实用性：解决了系统第一位的可靠性问题后，应重视其实用性， 硬件的配置与软件的操作应当考虑用户的方便，满足用户的需求，系 统的功能应满足监测对象的需求。 ( 3 ) 系统的先进性：现代工业技术的发展日新月异，对于状态监测与故障 诊断系统而言也是如此，在保证系统可靠性和实用性的基础上，如何 使设备获得先进完善的监测是一个十分重要的问题。 ( 4 ) 系统的可扩展性：这与系统的实用性和先进性是分不开的。一方面， 考虑到我国的国情，企业的资金及购买能力相应的技术因素等，系统 不可能不步到位；另一方面，考虑到电子技术的不断发展，软件的升 级换代等，系统在研制和设计时应考考虑到今后的扩展问题，这也是 系统开发者保证其技术发展有连续性和一致性的需要。 ( 5 ) 系统的可维护性：指系统安装在现场后进行维护的便利性，模块的更 换，系统检查维护等应该十分方便，便于造作。 本章针对监测系统的这些需求，研究设计了振动信号采集系统的方案及体系 结构。考虑到本系统的应用场合，我们确定使用集散型的数据采集系统。 集散型数据采集系统的结构如图2 1 所示。集散型数据采集系统是计算机网 络技术的产物，它由若干个“数据采集站”和一台p c 机及通信线组成。 7 江苏大学硕士学位论文 上位机 。】。 通信接口 图2 1 集散型数据采集系统结构图 数据采集站( 下位机) 是由单片机数据采集装置( 在下面的章节介绍) 组成， 位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可以将数据以数字信 号的形式传送给上位机。 上位机一般为p c 机，可以配置打印机和绘图机等外部输出设备。上位机用 来将各个数据采集站传送过来的数据集中显示在显示器上或用打印机打印成各 种报表，或以文件的形式存储在磁盘上。此外，还可以将系统的控制参数发送给 各个数据采集站，以调整数据采集站的工作状态。 数据采集站和上位机之间通常采用异步串行方式传送数据。数据通信通常采 用主从方式，由上位机确定与哪个数据采集站进行数据传送。 集散型数据采集系统的主要特点： ( 1 ) 系统的适应能力强。无论是大规模的系统，还是小规模的系统，集散型数 据采集系统都能够适应，因为可以通过选用适当数量的数据采集站来构成 相应规模的系统。 ( 2 ) 系统的可靠性高。由于采用了多个以单片机为核心的数据采集站，若某个 数据采集站出现故障，只会影响某项数据的采集，而不会对系统的其它部 分造成任何影响。 ( 3 ) 系统的实时响应性好。由于系统中各个数据采集站之间是真正“并行”工 作的，所以系统的实时响应性较好。这一点对于大型、高速、动态系统来 说，是一个很突出的优点。 ( 4 ) 对系统的要求不高。由于集散型数据采集系统采用了多机并行处理方式， 江苏大学硕士学位论文 所以每个单片机仅完成数量十分有限的数据采集和处理任务。因此，它对 硬件的要求不高，可以用低档的硬件组成高性能的系统，这是微机数据采 集系统不可比拟的。 另外，集散型数据采集系统是用数字信号传输代替模拟信号传输，有利于克 服常摸干扰和共摸干扰。因此，这种系统特别适合于在恶劣的环境下工作。 2 2 设计目标与工作范围 针对传统数据采集系统存在封闭性与功能不易扩展的缺点，以b o r l a n d c 抖b u i l d e r 6 为开发平台，设计一套基于w i n d o w s 2 0 0 0 x p 操作系统的振动 信号采集与数据处理的系统，结合现场实验提供的数据对该系统有效性进行 评估，并可作为一种通用监测系统，对小型旋转机械实行连续实时在线监控。 根据振动信号监测系统的特点以及实时连续在线的需求，系统的主要功能 包括1 ： 振动信号时域在线连续监测； 振动信号频域在线连续监测： 高速大容量数据的实时存取： 报警功能； 2 3 数据结构 系统的功能结构决定了数据结构必须围绕着数据的实时处理来设计，基于通 用操作系统的实时数据处理主要时通过多线程和缓冲区机制来实现，因此，系统 的数据结构主要包括三个缓冲区类的设计，以及系统功能所抽象出的示波器和动 平衡类来实现。“ 2 3 1 二级缓存 二级缓存c b u f f a r r a y 用于保存采集线程从系统内存中采回数据，主要用于 实现采集线程，存盘线程和数据转移线程之间的同步。它的形式为循环指针数组， 江苏大学硕士学位论文 固定长度为m a x b l o c k ( m a x b l o c k = i o ) ，节点为c s i g b l o c k 对象的指针。 采集线程与数据转移、存盘线程处理的都是从一级缓存即系统内存中取回的 数据，从理论上分析，它们的速度应该基本上是匹配的，采集线程每隔5 1 2 m s 工作大约1m s 时间，在剩下的4 1 2 m ，中，存盘线程完成数据的文件存盘，数 据转移线程完成数据从二级缓存至整周期截取链表的转移，三者的工作时问应该 都很充分，但考虑到波形绘制和频谱分析线程也需要一定的c p u 资源，频谱分析 属于计算密集型任务，而波形绘制涉及到w i n d o w s 下的图形化操作，是相当耗 费资源的一项工作，虽然w i n d o w s 2 0 0 0 x p 为了提高图形绘制的速度，把图形绘 制定义为一组核心的系统服务，但图形绘制所需要的c p u 资源并没有减少，而且 图形绘制优先级的提高，将导致波形绘制线程更容易获得c p u 资源。因此有可能 会出现由于某个线程暂时被切换，而无法在指定时间内完成工作任务的情况。采 集、存盘和数据转移线程在处理速度上不能做到完全同步，引入二级缓冲，则可 避免因线程速度不匹配而造成的漏处理。考虑到内存的限制，二级缓冲不能无限 大，所以设为循环型链表结构。 其工作过程为：采集线程先启动，向缓存中写入采集回的信号数据，缓存每 个节点可保存1 0 2 4 k b 的信号数据，存盘线程将新写入节点内的数据拷贝至指定 文件，同时，给该节点置一个标记，表明已完成写入任务，数据转移线程最后工 作，它将己完成存盘的节点转移至整周期检测缓冲区，链表的节点设为指针型， 正是为了提高转移线程的速度，它只需要简单地将节点指针传过去，而不必一个 个拷贝节点内的数据点。 c b u f f a r r a y 的主要成员变量包括： c s i g b l o c k $ md a t a a r r a y m a x b l o c k j 循环链表主体，用于存放各节点的指针。 i n tm _ n a r r a y l e n s 循环链表中实际存放的节点数。因为转换线程会不断地 从链表中取走数据，导致链表中节点数目不一定就是满的，即m a x b l o c k 个，所 以增设该变量标识链表的实际长度。 v o l a t i l ei n tmn w r i t e l n d e x 当前正在写入采集数据的节点的下标，初值为 0 。mn w r i t e l n d e x 所指向的节点是正在写而且还未写完，因此它所指向的节点， 是不能同时进行其它任何操作。 v o l a t i l ei n tmn s a v e l n d e x 刚完成存盘操作的节点的下标值，初值为一1 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 它总是跟在m _ n w r i t e l n d e x 之后，但不能与之相等。注意它所指向的节点是已经 完成存盘，即该节点可以执行转移操作。如果用户要求存盘，在采集过程中，系 统会启动存盘线程，则m _ n s a v e i n d e x 在存盘线程中随着节点的写入而改变位置： 若用户不要求存盘，则m _ n s a v e i n d e x 会紧跟在m _ n w r i t e i n d e x 的后面，指示刚 采集完成的节点。 v o l a t i l ei n tm n r e m o v e i n d e x 正在进行转移的节点的h 标，初值为一1 。转 移线程只能转移已存盘的节点，因此，由mn s a v e l n d e x 的工作机制可知， m _ n s h o w i n d e x 必定小于或等于m _ n s a v e i n d e x 。 由于m _ n w r i t e l n d e x ，m _ n s a v e l n d e x ，mn r e m o v e l n d e x 均将被一个线程改写， 另两个线程读取，为了保证线程异步操作的正确性，这三个变量都限定为 v o l a t i l e ，以关闭编译优化开关，避免由于变量值没有及时更新，而造成的错误。 2 3 2 整周期检测缓存 从采集卡取回的信号数据是以1 0 2 4 k b 为单位的数据块，整周期截取线程必 须将信号转换成以周期为单位的数据，以便波形绘制、频谱分析等后续数据处理 线程的工作。根据软件模拟锁相倍频技术，可知整周期截取线程需要检测鉴相信 号的每一个采样点，根据鉴相采样点上升沿的跳变确定周期的起始，因此，线程 耗时很大。为了不阻塞采集和存盘线程，必须为整周期截取线程单独建立一个缓 存。 整周期检测缓存c b u f f l i s t 实现的是一个先进先出的单向链表，节点为 c s i g b l o c k 对象的指针，共有两个线程对其进行访问：转移线程负责从二级缓存 中将己存盘节点转移至检测缓存，节点从链表尾部加入：而整周期截取线程则从 链表头部读取节点，以软件模拟锁相倍频的功能，实现精确的整周期截取，最终 将以周期为单位的信号数据转移至频谱分析、波形绘制等需要整周期数据的线程 的缓存。 c b u f f l i s t 主要成员变量包括； c s i g b l o c k * m _ p f i r s t 链表头指针； c s i g b l o c k * m d l a s t 链表尾指针； u 1 n tm n l e n s 链表长度。 江苏大学硕士学位论文 c c r i t i c a i s e c t i o nm _ c s 内置临界区。转移线程不断向缓存中写入节点，整 周期截取线程在完成整周期截取后，将删除原节点，因此，内置临界区就是用来 保证线程对缓存资源的无冲突访问。 2 3 3 显示链表 显示链表c s h o w l i s t 为双向非循环链表，节点为c s i g b l o c k 对象的指针。整 周期截取线程负责将以周期为单位的数据块从链表尾部加入；频谱分析线程每次 只取最新的数据分析，即它只取尾节点；波形绘制线程根据当前屏幕的分辨率， 确定需要绘制的象素点数，它也从链表尾部开始取节点，直至取够所需的采样点 数。 由上面的分析可以看出，显示链表最多只需要保存足够满屏显示所需的节点， 通常为1 0 2 4 个像素。由于a d 的最高采样频率为i o o k h z ，转子转速最高为5 0 转 秒，按最大通道数1 2 计，可知每通道每周期最少为1 6 个采样点，即显示满屏 最多需要3 2 个节点，我们设显示链表最大长度为6 4 个节点。系统工作在转子转 速在1 转秒以上的情况，即最坏的情况为转子转速为1 转秒，按单通道计，每 通道每周期为5 0 k 个采样点，6 4 个节点所占最大内存空间为3 2 m 。 c s h o w l i s t 的主要成员变量为： c s i g b l o c k * m a o h e a d 链表头节点； c s i g b l o c k * m s o t a i l 链表尾节点； u i n tm _ n l i s t l e n s 链表长度，链表中最多存放m a x m e m o r y 个整周期数据节点， 长度一旦超出这个限度，头节点将被挤出。 c c r i t i c a l s e c t i o ni l lc s 内置临界区。 2 3 。4 缓冲区节点的设计 驱动程序发出信号量通知应用程序取采样数据时，用户可以决定读入多少数 据至内存中，由于是串行采样的，即采样数据是按通道号顺序排列，因此，为了 便于管理，读入值通常设为采样通道数的整数倍。二级缓存节点中保存的就是从 a d 读回的数据，有称为半满数据块。 整周期截取缓存中的数据为转换线程从二级缓存中直接拷贝回的节点指针， 江苏大学硕士学位论文 因此，它的节点结构与二级缓存节点完全相同。 显示链表中保存的整周期截取后的数据，即整周期数据块。整周期数据块是 按通道号存放，以周期为单位的采样点。 在实时处理过程中，数据总是不断地在三个缓存之间移动，为了避免移动过 程中的转换工作，有必要统一缓冲区节点的数据结构。由上面的分析可以看出， 三个缓冲区的节点根据功能可以分为两类：半满数据块和整周期数据块，他们的 结构基本类似，都可以保存在动态分配的数组中。 缓冲区节点是由类c s i g b l o c k 实现，它的主要成员变量包括： w o r d * m _ p d a t a a r r a y 动态分配数组，用于存放半满数据，采样点按通道顺序 依次排列； d o u b l e * * ms a m p l e d a t a 动态二维数组，用语存放整周期数据，它的第一维 为通道号，第二维为实际倍频数； u i n tmn c h a n n e l 采样通道数； u i n tm _ n b l o c k l e n s 数组大小。存放半满数据时，该变量用于指示 m _ p d a t a a r r a y 数组的大小，存放整周期数据时，它用于指示m _ s a m p l e d a t a 数组 第二维的大小，即本周期的实际倍频数。 w o r dm _ n r e v 当前的转予转速。该变量仅在存储整周期数据时有效。 c s i g b l o c k * m j o n e x t 后向指针。 c s i g b l o c k * m _ p p r i o r 前向指针。 2 3 5 示波器类 为了更直观的进行故障监测，波形绘制功能必须提供时域、频域波形图以及 轴心轨迹图。同做归纳分析，可以抽象出示波器类c o s c i l l o g r a m ，负责完成各类 波形的绘制，并给出说明栏、坐标轴。他可以实现波形的放大与缩小。在绘制多 通道振动信号波形时，使用多种颜色区分不同通道的波形。 c o s c i l l o g r a m 类的主要成员变量包括： c s i z emv i e w c l i e n t s i z e 示波器屏幕范围，通常就是视图的可户去范围； c r e c tmp a i n t r e c t 作图区域； c r e c tmt e x t r e c t 说明栏区域。通常用于绘制多通道波形时，给出各通道波 江苏大学硕士学位论文 形的颜色标识； c p e nm _ b o l d p e n 坐标轴画笔： c p e nmt h i n p e n 网络画笔； c p e n * m _ c o l o r p e n 彩色化笔，用于绘制波形； i n tm _ n x d i a m e t e rx 轴放大缩小倍数； i n tm _ n y d i a m e t e ry 轴放大缩小倍数。 成员函数主要有两个：d r a w a x i s t r a c k 0 d r a w o s c i l l o g r a m ( ) 。分别完成轴 心轨迹图、时域频域波形的绘制。 2 3 6a d 采集类 c a d c a r d 类表征的是a d 采集卡，负责所有与a d 采集相关的操作，包括参数 设置、采集控制等。 主要成员变量包括： c s t r i n gm _ s t r a d c a r d n a m e 采集卡厂商信息； c s t r i n gm _ s t r d l l n a m e 驱动程序文件名； u i n tmn f i r s t c h a n n e l 采样首通道； u i n tm _ n l a s t c h a n n e l 采样末通道； u i n tm _ n f r e q u e n c y 采集频率( 单位：h z ) ； u i n tm _ n g a i n s 采样增益； u i n tmn t r i g g e r m o d e 采集卡触发模式： h a n d l em _ h e v e n t i n t 信号量，用于驱动程序与采集线程之间的通信。 主要成员函数有： p r e p a r e c o l l e c t0 负责采样前的准备工作，采集卡的参数的设置； c o l l e c t d a t a 0 启动采集卡，进行振动信号的采集； c o l l e c t s t o p 0 停止采集卡的工作。 2 3 7 动平衡类 由于设计和结构方面的因素，转子材质不均匀以及知道安装误差等原因，实 际转子的中心惯性主轴总是或多或少地偏离其旋转轴线，从而在转子转动时，形 江苏大学硕士学位论文 成一个不平衡力系，它是转子振动的主要激振源。振动通常是有害的，它使机器 的零部件承受附加的动载荷，加速机器的磨损。监测系统不仅要对振动进行监测， 防止其超出限定范围，影响生产或造成事故，同时，它还应能在中做转速下直接 对整机中的转予进行平衡，达到减振的目的。动平衡功能是工业现场转子减振的 经济解决方案。 动平衡类c d y n b a l a n c e 实现的是现场广泛使用的影响系数动平衡法，可实现 转子的单平面、双平面动平衡。主要成员变量为： d o u b l e * * m _ d f a c t o r 影响系数： d o u b l e * m _ d b a l a v a l 平衡校正量； d o u b l e * m _ d o r i g v i b 原始不平衡量； i n tm _ n b a l a t y p e 动平衡类型，包括单平面动平衡和双平面动平衡； 2 3 8 多文挡视图结构 文挡有两个：c s i n g a l d o c 和c h i s t o r y d o c ，分别用于实时信号处理和历史信 号处理。 与文档对应的子框架也有两种：c c o l l e c t f r a m e 和c h i s t o r y f r a m e ，其中 c c o l l e c t f r a m e 为实时信号处理时的子框架，它有三个子类，如图2 2 所示： c c c l l e c t f r a m e + p r e p a r e c o l l e c t o + o n c o l l e c t d a t a o + o n c o l ! e c t s t o p o + o n s a t n o d a m g o + o n p a u s e v i e w o + o n c l e a r v i e w o + o n w a v e x e n l a r g e 0 + o n w a v c x d e f l u t o + o n w a v e y d e f l a t e o + o n w a v e y e n l a r g e o i c a x i s t r a c k f m m e c d y 帕a l a n p r a m e + o n c l r l i s t ( ) + o n b a l a n c c o n e p a n 0 + o n s a v e t o l i s t 0 + o n b a l a n c e t w o p a n o c r t c o l l c c t f r a m e + b e g m v o l t t r a n s o + $ m p v o l f f r a n s 0 + s h o w r c v 0 图2 2 实时处理子框架类图 江苏大学硕士学位论文 形的颜色标识； c p e nm _ b o l d p e n 坐标轴画笔： c p