（测试计量技术及仪器专业论文）嵌入式振动信号采集系统网络通信设计.pdf

东南大学硕上学位论文 摘要 大型汽轮发电机组运行过程中需监视大量实时状态数据，其中振动数据非常重要。将这些振动 数据及时地采集并快速传输至远方监测站，以便专业技术人员及时了解设备的运行状态，并进行相 应处理，对保障机组安全稳定运行具有重要意义。伴随着网络技术和嵌入式系统的发展。利用嵌入 式设备来采集、处理和传输汽轮机组的振动信号。实现汽轮机组的远程监测和故障诊断成为一种可 能。 本文采用a r m 嵌入式微处理器和嵌入式l i n u x 操作系统，通过以太网接入网络，来研究解决汽 轮发电机组振动数据的远程传输和处理问题。论文选题具有重要理论意义和工程应刷价值。 论文主要研究 二作年u 成果： ( 1 ) 提出了基于以太网的嵌入式系统振动信号采集网络通信总体方案，采用a r m 9 硬件平台、 嵌入式l i n u x 操作系统等，完成了振动数据远程采集处理和传输系统的研发：j ：作。 ( 2 ) 研究了嵌入式系统的b o o t l o a d e r 技术，详细分析了系统的板级程序、c p u 程序，启动程 序干u 网络驱动程序等相关代码，并基于实际应h j 需要进行了内核定制，完成了系统程序设计。 ( 3 ) 基于l i n u x 操作系统的s o c k e t 技术，开发了c i l e n t s e r v e r 模式的通信程序，解决了大 容量数据远程高速传输问题。 实验表明：基于嵌入式系统的振动信号采集、处理和网络传输系统能及时准确的采集处理振动 数据并将数据快速传输给远方的监测站，将会给电厂带来更大的经济效益。 关键词： 嵌入式系统 b o o t l o a d e r 网络接口 s o c k e t坂云自 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sn e c e s s a r yt om o n i t o rr e a l t i m es t a t ed a t ao ft u r b og e n e r a t o rs e td u r i n gi tr u n s ， e s p e c i a l l yt h ev i b r a t i o nd a t a i no r d e rt h a tt e c h n i c i a n sc a nk o w nt h es t a t eo ft h ee q u i m e n t a n dd os o m ew o r kt ot h ee q u i p m e n ta n dt h a tg u a r a n t e et h es e ts a f e t ya n ds t a b l yr u n ，a c q u is o n v i b r a t i o nd a t ai nt i m ea n dq u i c k l yt r a n s f e rt h o s ed a t at or e m o t em o r t i t o r i n gs t a t i o na r e m o s ti m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o n a st h ef a s td e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n de m b e d d e ds y s t e m w i d e l yu s e d i nm a n yf i e l d s ，i ti sp o s s i b l et ot r a n s f e rv i b r a t i o ns i g n a lso ft h et u r b i n e b ye m b e d d e de q u i p m e n ta n di ti se a s yt oi m p l e m e n tv i b r a t i o nc o n d i t i o nm o n i t o r i n go n l i n e a n df a u l ta u t o m a t i cd i a g n o s i so nt u r b o g e n e r a t o r t h isp a p e ru s e da r m 9h a r d w a r ep l a t f o r ma n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m c o n n e c t e d t h ee q u i p m e n tt oi n t e r n e tb ye t h e r n e t ，s o l v e dr o m o t ct r a n s f e ra n dd e a lo fv i b r a t i o nd a t a o fo nt u r b o g e n e r a t o r t h et h e m s i sh a st h e o r ys i g n i f i c a t i o na n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n v a l u e t h ef o l l o w e da r et h em o s t l yr e s e a r c hw o r k sa n dr e s u l t so ft h et h e s i s ： ( 1 ) t h ec o l l e c t i v i t ys c h e m eo fe m b e d d e ds y s t e mv i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i o nn e t w o r k c o m m u n i c a t i o ni sp u tf o r w a r db yu s e da f w 9h a r d w a r ep l a t f o r ma n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o n s y s t e m i t is a c c o m p l i s h e d a b o u tt h er e s e a r c hw o r k so ft h ev i b r a t i o nd a t ar e m o t e a c q u i s i o n ，d e a l l i n ga n dt r a n s f e r ( 2 ) t h eb o o t l o a d e rt e c h n o l o g yo fe m b e d d e ds y s t e ma r es t u d i e d 。t h ep r o g r a ma b o u t b o a r d c p u ，s t a r t u pp r o g r a ma n dt h ed r i v ep r o g r a mc o d eo ft h en e t w o r ki n t e r f a c ei sa n a l y z e d p a r t i c u l a r w ei m p l e m e n tt h ek e r n e le u s t o m i z a t i o na n da c c o m p l i s ht h es y s t e mp r o g r a md e s i g n b a s e da p p l i c a t i o n ( 3 ) i ti sa c c o m p l i s h e da b o u tt h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mo fc l l e n t s e r v e rm o d eb a s e d s o c k e tt e c h n o l o g yo fl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m t h er e m o t et r a n s f e ro fl a r g ec a p a c i t yd a t a s i ss o l v e d e m b e d d e ds y s t e mb a s e dv i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ge q u i p m e n tc a n t r a n s f e rv i b r a t i o ns i g n a ld a t af a s t l yt or e m o t es t a t i o n i tw i l lb r i n gg r e a tb e n e f i tt o t h o s ep o w e rp l a n t s k e yw o r d ：e m b e d d e ds y s t e m b o o t l o a d e rn e t w o r ki n t e r f a c es o c k e tv t 妊乇；机 i l 东南大学顶上学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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剌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， 也不包含为获得东南人学或其它教育机构的学位或证i 而使h j 过的材料。与我一同r 作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明井表示了谢意。 研究生签名：虚连塞日删i ! 兰 东南大学学位论文使用授权声明 尔南人学、中国科学技术信息研究所、国家幽i5 馆有权保留本人所交送学住论文的复印什羊l 巳 子文档，可以采h j 膨印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容羊纸质论文的内容相 一致。除在保密j 仆j 内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅可以公布( 包括以电f 信息形式刊登) 论文的全部内容戏中英文摘要臀部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权尔南人学 研究生院办理。 研究生签名：壹垒重导师签名：避日j 明：! i 竖 第一章绪论 1 1 立题背景 第一章绪论 近年来电力t 业飞速发展，电厂汽轮机发电机组运行参数不断提高，容量不断增火各种设备 的数量也大大增加，相应的对机组的运行效率、可靠性、安全性、经济性也提出了更高的要求。随 着运行自动化，制造精度和安装工艺水平的提高，汽轮机发电机组的振动故障有一定程度的减少， 但由于机组设备的复杂性，运行环境的特殊性，以及影响振动因素的不确定性，振动依然影响着汽 轮机发电机组的可靠运行“1 。 在现场新机组调试、人修后开机或运行中，经常发生机组振动过大而致使机组不能正常运行， 造成设备损坏，甚至带来重大经济损失。例如，2 0 0 0 年6 月，珠海某电厂台引进的7 0 0 m w 的新 机组由_ 丁- 振动过大，无法投入运行，导致工期延误一年之久；2 0 0 1 年l o 月阜新电厂某机组由于 未对振动问题及时处理，导致断轴事故等。 汽轮机发电机组运行中产生振动，不仅会影响机组的经济性，而且会直接威胁机组的安全运行。 所以在启动和运行中，为了监测汽轮机发电机组的t 作状况和评定汽轮机发电机组振动的等级，必 须经常对汽轮机发电机组的振动进行检测，当汽轮机发电机组发生不正常的振动时，为了确定振动 原因，尤其有必要对汽轮机发电机组的振动进行全面的检测，以保证汽轮机发电机组的正常生产运 行。 汽轮机发电机组生产运行过程中产生很多的数据，特别是发生振动故障时，产生大量的振动数 据。将这些振动数据采集，处理并及时快速的传输出去，储存起来，以方便远方监测站的技术人员 了解设备的运行状态，对故障及时进行诊断，提出解决故障的方法，这对现代二【：业企业有着重要的 意义。 同时，随着故障诊断技术与预维护技术的发展，通过这些已经存储的数据，同样可以实现对设 备运行趋势的网络化分析及故障诊断。这些存储起来的数据也方便技术人员的事后查询分析，可以 为以后的故障诊断提供参考。 1 2 国内外研究状态 最常见的测角、处理振动信号的方法是使用k 期检测用仪表以及临时测试分析用的专用的便携 式测振仪器。长期监测仪表在国内的大型机组上已普遍配备，有的是大机组引进时随主机一同迸来 的国外的监测系统，也有国内备单位自行研发的仪表。这类仪器主要由振动传感器采集振动信号， 信号滤波后传送给单片机控制完成信号的处理和显示。这种测量振动信号的方法比较简单，可靠性 高，测量稳定性好，抗干扰能力强，维护检修方便，费用低“”1 。但这类仪器测量精度不高，功能单 一，显示不够直观，而且多采用专门的通讯接口完成振动数据的传输，很少提供网络接口，即使提 供，网络支持能力也非常有限，数据不能实现即时传送，不能对设备进行远距离监控，故其只适合 于现场操作。 最近比较流行的是采用虚拟仪器测量、处理振动信号。虚拟仪器是测控技术与计算机技术相结 合的产物，它由计算机、相应的硬件( 如数据采集 、输入输出卡等) 和专用软件( 如1 , a b v i e w s ) 等构成”。它是以p c 计算机为仪器统一硬件平台，将测试仪器的功能、面板及控件均以相应的软件 实现，并以文件形式存储于p c 机的软件库中。同时在计算机的总线槽内配以对应的、可实现数据交 换的模块化硬件接盯# 。如果使库内仪器测试功能软件、控件软件、输出软件等与由接口卡输入到 计算机内的数据，在计算机系统管理的统一指挥和协调下运行，便实现了虚拟测试仪器的功能。在 东南大学硕士学位论文 以p c 机为基础的振动虚拟测试系统中，与计算机一起工作的是数据采集卡，提供信号源利控制信号 的仪器硬件，现在较为常用的虚拟仪器硬件平台为d a q ( 数据采集) 卡、g p i b 卡、v x i 卡等，它们 可以直接与p c 计算机主板上的插槽相连。软件部分是虚拟仪器的核心，采集的数据通过软件进行分 析处理，还可以显示、存储、打印、网络传输”“。虚拟仪器可由用户按照自己的要求自行设计， 自行定义，变换非常灵活。虚拟仪器主要由软件实现，不仅能执行传统仪器的功能，还能执行传统 仪器无法实现的许多功能。 也可以利用实时的汽轮机组振动监测系统来实现振动信号的采集分析与传输，系统分为数据采 集系统、信号处理系统、信号分析系统和数据传输系统四部分，主要由传感器、信号处理板、a d 板、计算机和采样、分析、处理软件等构成”1 。在数据采集系统中，振动信号经由传感器进行信号 变换，变换后的信号送至信号预处理板，进行滤波、隔直等处理。经过预处理的振动信号利用a d 板将模拟信号转换为数字信号，由计算机分析处理，并将处理后的数据以文件的形式存储在硬盘的 特定目录上，另一部分保存进数据库。这些存在数据库与硬盘上的数据，构成了w e bs e r v e r 的数据 支持。专家和技术人员可以通过i n t e r n e t 网或局域网来访问w e bs e r v e r ，对现场的机组状态进行 监测与故障分析“。目前国外的振动监测诊断系统主要有本特利公司的3 3 0 0 m s 、3 5 0 0 m s ；i r d 公司的6 6 0 0 机器保护和诊断系统：西屋公司的“移动诊断中心”( m d c ) ；法国的s m a v 系统：瑞士的 m a c s 系统；德国申克公司的v i b r o c o n t r o l 4 0 0 0 振动监测系统，v i b r o c o m 4 0 0 0 、v i b r o c o m c 5 0 0 0 计算 机化的状态监测系统；德国菲利普公司的r m s 7 0 0 系列t s i 和p r 3 0 0 0 状态监测系统等等”。1 9 9 9 年 7 月，我国在华北电力科学研究院建立了第一个实际意义上的远程振动分析诊断中心，连接了许多 大型电厂的振动监测故障诊断t d m 系统；由山东电力试验研究所和清华大学等几家单位联合研制 的大型火电机组振动及机组性能远程在线监测及诊断系统( v m a d s ) 将机组的振动诊断知识范围的几 个方面结合起来，并对各方面的内容进行完善，提高了机组智能化水平，为振动故障监测和诊断系 统发展带来了突破。但相比之下，国内的监测和故障诊断系统还远不如d c s 和d e l l 系统研制应用的 成功。采用监测和故障诊断系统，振动数据采集准确，传输快，监测诊断功能可靠，通用性强。但 系统复杂，规模较人，费用高，不利于小规模振动数据的采集、传输和控制。 随着电厂机组容量不断增大，迫切需要一种体积小，可靠性高，功能齐全，费用低的系统来实 现电厂汽轮机组振动数据的采集、处理和远程传输。 嵌入式系统集上述仪器及系统的优势于一身，它具有经济性好，结构灵活，稳定，体积小，功 耗低，安全性强，可靠性高，集成度高等特点。其软件代码要求高质肇，高可靠性，固态化存储。 嵌入式系统可以工作在许多空间狭窄，条件恶劣的环境中”0 1 ，它是专门为完成某一特定任务而设计 的，具有很强的专用性，在办公设备、建筑物设计、制造和流程设计、医疗、监视、卫生设备、交 通运输、通信、金融银行等系统中有着广泛的席用。 将嵌入式系统接入网络利用现有的网络资源进行振动信号采集、处理与传输，是一个十分有意 义的研究课题。 1 3 论文研究的目的和内容 本文采用a r m 嵌入式微处理器和嵌入式l i n u x 操作系统，通过以太网接入网络，来研究解决 汽轮发电机组振动数据的远程传输和处理问题。我们主要采用华恒科技的h h a r m 2 4 1 0 嵌入式开发板 和其它一些仪器进行振动信号的采集、处理和传输试验研究。试验结果表明，利用嵌入式设备测得 的振动数据准确，可靠性高，数据能通过网络及时快速地传送到远方的监测站点，振动故障能及时 诊断、处理，确保了机组的安全运行，节约了系统成本。 本论文将从嵌入式振动数据采集传输系统的软硬件开发平台，嵌入式系统的b o o tl o a d e r 技术， 振动信号的网络传输几个方面展开一系列分析研究工作，设计出基于以太网的嵌入式振动信号网络 传输程序。我们将分以r 几个部分进行详述： 1 系统的软硬件平台的介绍。硬件主要采用h h a r m 2 4 1 0 嵌入式开发套件和d m 9 0 0 0 以太网接口 2 第一章绪论 芯片等。本嵌入式系统的应用软件开发采用交叉编译调试的方式。交叉编译调试环境建立在一台宿 主机( p c 机) 上，采用r e dh a tl i n u x9 0 作为本系统的软件开发平台，开发板上则采用a r m 嵌入 式l i n u x 操作系统。嵌入式l i n u x 是一个成熟、稳定的网络操作系统，跟其它嵌入式操作系统相比 较，具有很多的优势。最后，基于实际应用需要进行了系统内核定制，完成了系统程序设计。 2 嵌入式系统b o o tl o a d e r 代码的分析。介纠了b o o tl o a d e r 的概念，典型的b o o tl o a d e r 的 框架结构，然后通过具体的实例，从开发板、c p u 、网络驱动等儿个方面进一步分析了t l h a r m 2 4 1 0 的 b o o tl o a d e r 源代码程序，总结出系统的b o o tl o a d e r 启动t 作流程。 3 系统通信程序的编写、调试、运行和烧写。本系统采用时下流行的b s ds o c k e t ( 套接字) 接口进行基于咀太网的网络应用程序的开发。s o c k e t 接口有3 种类型：流式s o c k e t ( s o c ks t r e a m ) ， 数据报s o c k e t ( s o c k d g r a m ) 和原始s o c k e t 。本设计使用流式s o c k e t 和t c p 协议，提供可靠的、面 向连接的通信流，开发了c 1 i e n t s e r v e r 模式的通信程序，解决了大容量振动数据远程高速传输问 题，保证了数据传输的正确性和有序性。程序主要用到s o c k e t ( ) 、b i n d ( ) 、c o n n e c t ( ) 、l i s t e n ( ) 、 a c c e p t ( ) 、s e n d ( ) 和r e c v ( ) 等函数。采用c 语言来进行网络通信程序的编写。开发通信程序时 使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制代码( 这种可执行代码并不能在p c 机上执行，而只能在开发板上执行) ，然后把可执行文件下载到开发板上运行。等程序完全调试好再 烧写到开发板的f l a s h 里。最后把烧写好通信程序的h h a r m 2 4 1 0 开发板通过以太网与远程的服 务器连接，利用嵌入式设备把采集的振动信号传送给远方的服务器进行显示、保存以及进一步的处 理以供专家、技术人员使用。 东南大学硕士学位论文 2 1 嵌入式系统 第二章系统的软硬件开发平台 2 1 1 嵌入式系统的概念 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 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置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o lm o n i t o t ，0 i a s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软 件和硬件的综合体，还涵盖机械等附属装置“。不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精 髓。目前国内一个普遍认同的定义是：嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机 技术为基础，并且软硬件可裁剪，对用户具有开放性和透明性，适用于应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。简言之，嵌入式系统是将计算机嵌入到某个应 用系统内的一种计算机体系结构形式，它可以实现对其它设备的控制、监视或管理功能1 “”1 “j 。 现在，在手表、电话、手机，甚至电饭锅里，都有嵌入式系统的身影。嵌入式系统小到一个芯 片，大到一个标准的p c 板，种类繁多。每台p c 的外部设备中包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，在 工业流水线控制、通讯、仪器仪表、船舶、航空航天、军事装备、消费类产品等领域更是嵌入式计 算机的天下。 2 1 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等儿大 部分组成“7 ”1 。 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于嵌入式 c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯 片的内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率，高可靠性等特征。本系统的嵌 入式设备采用a r m 9 2 0 t 内核的处理器$ 3 c 2 4 1 0 。 2 嵌入式外围设备 嵌入式外同设备是指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件( m c u ，d s p ，e m p u ，s o c ) 以 外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的其它部件。根据外围设备的功能可分为以下 三类： 存储器类型：静态易失型存储器( r a m ，s r m ) 、动态存储器( d r a m ) 、非易失型存储器( r o m ， e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 。 接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式领域中都有及其广泛的应用。其中应用晟为广。泛的 有r s 一2 3 2 接口( 串口) 、s p i ( 串行设备外同接口) 、u s b ( 通用串行接口) 、e t h e r n e t ( 以太网接口) 和普通并口。 显示类型：c r t ，l c d 和触摸屏等外围显示设备。 3 嵌入式操作系统 在嵌入式大型应用中，为了使嵌入式系统开发更方便、快捷，就需要具备相应的管理存储器分 配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等功能的稳定的、安全的软件模块 集合，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了嵌入式应 4 第二章系统的软硬件开友平台 用软件的设计。一般在比较人型或需要多任务的应用场台才考虑使用嵌入式操作系统。本嵌入式系 统的操作系统选用嵌入式l i n u x 操作系统。 4 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台的，并能完成用户 预期任务的计算机软件。嵌入式应用软件和普通的应用软件有一定的区别。由于嵌入式应用对成本 十分敏感，因此为减少系统的成本，除了精简每个硬件单元的成本外，尽可能的减少嵌入式应用软 件的资源消耗也是不可忽视的重要冈素，这就要求嵌入式应用软件不但保证准确性、安全性、稳定 性以满足应用要求，还要尽可能地优化。 2 1 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的 产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件产品开发“”“。 ( 1 ) 嵌入式系统的产品特征嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。与通用计算机 不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，具有成本敏感性，它的硬件和软件都必须高效率地 设计，量体裁农去除冗余力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要 求的制约。嵌入式处理器针对用户的具体耍求，对芯片配置进行裁减和添加，才能达到理想的性能。 因此，不同的处理器面向的用户也不同，可能是一股用户、行业用户或单一用户。 嵌入式系统一般要求高可靠性，在恶劣的环境下，要求系统仍然能够正常工作。嵌入式系统中 的软件一般都固化在只读存储器或闪存中，而不是存储在磁盘等载体中。嵌入式系统和具体应用有 机的结合在一起，它的升级换代也和具体产品同步进行。因此，嵌入式产品一日进入市场，一般具 有较长的生命周期。 嵌入式系统本身不具备自举开发的能力。即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功 能进行修改，必须有一套交义开发工具和开发环境才能进行开发。 ( 2 ) 嵌入式系统软件的特征嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键。对嵌入 式处理器系统软件和应用软件的要求也与通用计算机有所不同。 软件要求固化存储。为了提高执行速度和系统的可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在 存储器芯片或单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。 软件代码高质最和高可靠性。尽管半导体技术的发展，使处理器速度不断提高，芯片上存储 器容量不断增加，但在人多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此，要求 程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度，提高执行速度。 许多应用要求系统软件( o s ) 具有实时处理能力。在多任务嵌入式系统中对重要性不同的 任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键。单纯通过提高处理器速度是无法完 成和没有效率的。这种任务调度只能由嵌入式操作系统来完成，因此要求操作系统具有实时处理能 力。 多任务操作系统是知识集成的平台，也是走向_ 丁业化标准道路的基础。 2 2 系统总体设计思想 振动是一种复杂的物理现象。当系统受到外界干扰时，物体偏离平衡位置，从而发生动能与位 能的相互转换，产生振荡运动一振动。从振动机理上，振动可以分为自由振动、强迫振动、参数振 动、自激振动、冲击振动等若干类型”1 。 机组运行中的振动监测是为了了解机组振动状态的变化，通过振动监测，可以获得机组有可能 5 东南大学颂士学位论文 发生故障的信息。当机组发生故障时，为了诊断，需要进行振动实验，实验中测试的内容根据需要 而定1 。 在汽轮发电机组振动在线监测系统中，键相位信号占有重要地位，它是实现振动信号同步采样 的基准。该信号的脉冲一般对虑于转子表面一同定点。键相位信号通过电平比较和电平转换的预处 理电路后。被转换为标准的t t l 电平脉冲信号。根据信号频谱分析的要求，为避免傅立叶变换时出 现泄漏效应与栅栏现象，对信号必须进行整周期采样。因此，要准确实现实时监测，必须由转子键 相位信号触发a d 芯片的采样“。这在汽轮发电机组启动升速、变转速工况和降速停机过程中显得 尤为关键。 基于嵌入式系统的振动信号采集传输系统由信号预处理、抗混滤波、同步采保a d 、数据缓存 ( f i f o ) 和嵌入式c p u 系统等组成。信号预处理负责对要采样的模拟振动信号进行预处理，对输入 的振动信号进行积分、放大等调理以满足采集要求；抗混滤波防止信号产生频率混叠现象；c p l d 控 制a d 7 8 6 4 完成多通道信号同步采保和数据转换；a d 7 8 6 4 芯片接收到采样开始信号后开始采样，采 样结束后发送采样结束信号给信号采集控制器，并将转换厅彳的数据存入f i f 0 ；嵌入式c p u 系统完成 振动信号分析并通过网络将数据传输给远方计算机进行进一步处理。在嵌入式开发板上有一个用户 程序，负责振动信号的传输发送，远方计算机( 服务器) 上有一个服务器程序，负责接收用户程序 传送的振动信号。其信号采集和信号处理硬件功能圈分别如圈2 - 1 、图2 - 2 所示。 信。锨大蟪坡r 一a d 7 8 6 4h 吓。卜一祆八式c p u 系统 i i 斟据采集系统l 键相同步信号l c p l l 3 、采集控制1 一 图2 1 信号采集功能框图 2 3 系统硬件平台 2 3 1 数模转换器( a d 7 8 6 4 ) 图2 2 数字信号处理传输硬件功能框图 基于对转换时间和转换精度的考虑，本系统采_ ；| a d 7 8 6 4 作为模数转换芯片，实现振动信号的 6 第二章系统的软硬件开发半台 多通道同步采样。a d 7 8 6 4 是a d 公司推出的专为高速同步数据采集系统设计的高速、低功耗、可以 4 通道同时采样的模数转换芯片。它的主要特性有：高速1 2 位a d 转换器 1 2 l b s 线性度；同时 采样4 个输入通道，并具有4 个采样、保持放夫器；0 3 5 p s 采样保持获取时间，每一个通道转换时 间1 6 5 p s ；可以通过软件或者硬件的方法选取用丁二采样的通道；单电源供电( + 5 v ) ；多个转换电压 范围；具有高速并行接口，可以与处理器直接连接；低功耗，每通道功耗9 0 m w ：对于每一个模拟输 入通道均有过压保护电路”o “l 。a d 7 8 6 44 通道同时上作时，最大采样率可以高达1 3 0 k s p s ，这使振 动信号的采集能即时处理，并快速传给嵌入式c p u 系统。 2 3 2 嵌入式设各开发套件h h a r m 2 4 1 0 a r m 嵌入式芯片是一种高性能、低功耗的r i s c 芯片。它由英国 脚公司设计，世界上几乎所有 的主要、| | 导体生产商都生产基于a r m 体系机构的通用芯片，或在其专用芯片中应用相关a r m 技术。 在2 0 0 1 年基于a r m 内核的处理器占市场份额的7 5 ，成为业界的龙头。 本系统的嵌入式设备采用h i a r m 2 4 1 0 开发套件。h h a r m 2 4 1 0 是华恒科技推出的用于高端手持设 备、微型智能控制设备的开发套件。采崩2 0 3 m h z 的a r m 9 2 0 t 内核的处理器$ 3 c 2 4 1 0 。$ 3 c 2 4 1 0 内部 集成了微处理器和一些手持设备的常用外围组件。 h h a r m 2 4 1 0 套件由核心板和底板( 外设板或称基本板) 组成，核心板上集成s a m s u n g 处理器， 6 4 ms d r a m 以及i r m 的f l a s h ，为研发提供了足够的空间。底板上则提供以下外设接口：一个四线 r s 一2 3 2 串口( c o m l ) ，一个u s bh o s t 接口，一个1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网接口，一个t f tl c d 接口。 个触摸屏接口，一个j t a g 接口，h w 复位键和运行状态指示灯。核心板和底板配合即构成一个最 小的完整应用系统。系统具有体积小、耗电低、处理能力强等特点，能够装载和运行嵌入式l i n u x 操作系统。用户可以在这个系统平台上进行自主软件开发。阴a r m 2 4 1 0 套件提供完备的嵌入式l i n u x 开发环境及丰富的开发调试工具软件“。 s 3 c 2 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司基丁a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器内核的3 2 位微控制器。它是一 个多用途的通用芯片，完全静态设计。内部集成了微处理器和常用外围组件，扩展总线最大频率 1 0 0 m h z ，3 2 位数据、2 7 位外部地址线，采用五级流水线和哈佛结构，提供1 1 m i p s m h z 的性能， 是高性能和低功耗的硬宏单元。a r m 9 2 0 t 具有全性能的删u 、指令c a c h e 和数据c a c h e 。$ 3 c 2 4 1 0 处 理器最高可运行在2 0 3 m h z ，在2 0 3 h m z 运行时功耗仅为3 0 0 m w “。其内核结构如图2 3 所示。 r a g i p a i l l ：0 l 指令仃 i i t p 1 1 p ，l指。1 争6 k 理b ，i i 外部计址川! 糌擅 a r m 叮1 1 d m i 址蹦勰芯蚀 t 山揶幢凡i c ej lc 纠5 d d i i i 。0 1 蓑粼尝l = 翌竺! r 五丽蒜 数枞缓馆 ( i k b ) a m b a 总缱i ，f 图2 - - 3a r m 9 2 0 t 内核结构 作为$ 3 c 2 4 1 0 芯片的c p u 芯核，1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 微处理器采用01 8 啪c m o s 标准单 元结构，具有独立的1 6 k b 指令缓存和1 6 k b 数据缓存。 7 耕二 兰 变亘叁堂坚主兰篁笙苎 s 3 c 2 4 1 0 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统消耗最小。正是因为 它具有很多常用的功能模块，所以也免去了添加配置附加设备的麻烦。其内部结构如图2 4 所示。 图2 4 $ 3 c 2 4 1 0 功能模块 片上集成的功能主要包括以下几个方面”o “”1 ： ( 1 ) 1 8 va r m 内核，3 3 v 存储器，3 3 v 外部i o ，具有1 6 k b 指令缓存、1 6 k b 数据缓存和 舢的微处理器： ( 2 ) 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； ( 3 ) l c d 控制器( 支持上到4 k 色的s t n 和2 5 6 k 色的t f t ) ，1 通道l c d 专用d m a ： ( 4 ) 具有外部请求引脚的4 通道d m a ( 支持外设d m a ) ： ( 5 ) 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 一b y t et xf i f o 和1 6 一b y t er xf i f o ) 2 通道s p i ； ( 6 ) 1 通道i i c 总线控制器1 通道i i s 总线控制器； 8 第二章系统的软硬件开发半台 ( 7 ) 1 0 版本的s d 主机接口和兼容的2 1 1 版本的m u i t i m e d i a 协议； ( 8 ) 2 个u s b 主机1 个u s b 设备( u s b i 1 ) ； ( 9 ) 4 路带p w m 的1 6 侥定时器i 通道内部计时器； ( i 0 ) 看r j 狗电路； ( 1 1 ) 多达5 5 个中断源的中断控制器： ( 1 2 ) 电源控制：常规、缓慢、空闲和断电模式； ( 1 3 ) 8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口； ( 1 4 ) 具有日历功能的实时时钟r t c ； ( 1 5 ) 具有锁相环的片上时钟发生器： ( 1 6 ) 1 1 7 个通用1 o 口2 4 通道外部中断源，s u p p o r t si r d a1 0 。 h h a r b l 2 4 1 0 开发扳内存由两片1 6 m 1 6 位数据宽度的s d r a m ( h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t ) 组成。两片拼成 3 2f ! ! ? ：模式，公j jn g c s 6 ，共6 4 ms d f j i 。片8 m x1 6 位数据宽度的 n t e le 2 8 f 1 2 8f l a s h ，转1 6 酣 字节f l a s h ，速度1 5 0 n s 。f l a s h 存储凼化程序，保存重要参数。开机或复位后，程序自动从程序 存储区f l a s h 的起始地址开始执行。在调试程序的时候，使用s d r a m 作为程序存储区和数据存储区。 $ 3 c 2 4 1 0 提供8 路片选，n g c s n o 7 ，每个片选都指定了固定的地址，每个片选| 古| 定间隔为1 2 8 m 字节。h h a r m 2 4 1 0 开发板内存的s d r a m 起始地女e ：0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 。n g c s o 接的烂f l a s h 。起始地址： o x t 0 0 0 0 0 0 0 。n o rf l a s h 安装在b a n k o ，地址应该为0 ，但由丁$ 3 c 2 4 1 0 中地址是循环映射的， o x l o o o o o o o 就是。地址，也就是o x l 0 0 0 0 0 0 0 “。其中内核z l m a g e 烧写在地址0 x 0 1 0 4 0 0 0 0 开始处 根文件系统r a m i ) i s k 烧在o x l l 4 0 0 0 0 处。下面是板子上的地址空间分布图：m e m o r ym a p 。 f l a s hs d r a m 啦d l o 幻0 。 删) l l 黝 磐面0 d “” 门掬j 掀 西搬辫 一 。 h _ _ 。 曩。 r 埝呶 二l j j i i i 。i ；：；! 雩睁j ；。2 驽 。n 磁 1 图2 5 山存映像图 i n t e le 2 8 p j 3 a - 1 5 0f l a s h 的单片1 6 m 字节，共1 2 8 个扇区，每个扇区都是1 2 8 k 字节大小，均 匀分布。 3 3 c 2 4 1 0 是内部3 2 位地址，外部2 7 位地自e ，数据总线宽度3 2 位。2 0 3 m h z 的主频1 0 0 m 的总 线速度。若外接8 位或1 6 位数据宽度的外设芯片，与c p u 相连接时，h h a r m 2 4 1 0 的数据总线宽度是 可以配置的，可以分别配为3 2 位，1 6 位或8 位模式。1 6 位数据宽度时，是最低1 6 位数据线有效， 8 位模式时，是最低8 位数据线有效”。 9 东南大学硕十学位论文 两片s d r a m 为3 2 位寻址，但两片的数据总线分别接h h a p 瑚2 4 1 0 高1 6 位和低1 6 位数据总线，这 样拼成3 2 位s d r a m 使削，所以两片s d r a m 共享一个c s 。而一片f l a s h 则同定为1 6 位数据读写访问 模式，它就只接h h a r m 2 4 1 0 的低1 6 值数据总线。 2 3 3 网络接口d m 9 0 0 0 阻太网接口电路主要由 i a c 控制器和物理层接口( p h y s i c a ll a y e r ) 两大部分构成。$ 3 c 2 4 1 0 通过外接一片d m 9 0 0 0 以太网m a cj 卷片扩展了一个1 0 m 1 0 0 m 自适应的以太网接口，占用e i n t o ，中 断向量号为0 。 d m 9 0 0 0 是一款低功耗、高性能的c m o s 芯片，配备有标准1 0 m 1 0 0 m 以太网接口，支持字节字 双字的i o 指令进行内部数据运算的处理器接口类型，支持1 0 m l o o m 的以太网传输支持m i i r m i i 接口，物理层支持以太网接口协议，支持i o m 、1 0 0 m 单工和双1 i 模式的以太网传输，支持i e e e 8 0 2 3 全双工流量控制模式利半双工c s m a c d 流量控制模式，支持连接状态变化和远程唤醒，具有可选的 e e p r o m 配置，i o 管脚3 3 v 一5 v 兼容。由丁数据有时是以突发形式收到的，因此，d m 9 0 0 0 还集成 4 k 的双字s r a m ，作为接收缓冲区，用来暂时存储要发送或接收的帧和支持e e p r o m 配置芯片i d ”。 d m 9 0 0 0 同时还提供一个与h p n a 设备或支持m i i 接口的其它收发器相连接的m i i 接口。对于不 同的处理器，d m 9 0 0 0 支持内部存储器访问的8 位，1 6 位和3 2 位的岬接口。d m 9 0 0 0 的驱动程序非 常简单，用户可以很方便地移植驱动软件到任何系统上。d m 9 0 0 0 的功能模块图如下图所示。 图2 6d m 9 0 0 0 以太网一 的功能模块图 在h h a r m 2 4 1 0 开发板启动时，会检测到d m 9 0 0 0 的相关信息，启动信息显示为： h h t e e hd m 9 0 0 0e t h ov o ：c 4 8 3 0 3 0 0 ，v i d ：9 0 0 0 0 a 4 6 ， m a c ：0 0 ：i 3 ：f 6 ：6 c ：8 7 ：8 9 这说明d m 9 0 0 0 使用e t h o 为i 0 接口，地址为c 4 8 3 0 3 0 0 ，d m 9