（测试计量技术及仪器专业论文）分布式在线振动监测网络系统中数据采集系统的研究.pdf

中文摘要分布式在线振动监测网络系统是根据国内外船舶工业的发展，在对船舶噪声进行深入研究的基础之上提出来的。系统通过在船舱内不同的位置布置大量振动传感器和建立现场总线监测网络系统，实现对船舶总噪声的实时监测，从而对船舶典型航态的声场特性作出准确的预报，以便提高船舶航行的安全可靠性，同时通过采用某些降低乃至消除噪声技术和措施，有效地保护船员及乘客的身心健康。由于船舶内旋转机械的总振动在某种程度上可以近似地被当作船舶总噪声，因此系统主要是针对船舶内旋转机械的振动状况进行在线监测。本文所介绍的数据采集系统就是通过安装若干加速度振动传感器和设计专用数据采集电路，来实现对旋转机械振动信号的实时在线采集，从而为后续的数据处理系统提供准确可靠的信号数据。本文主要完成的工作：( 1 ) 基于分布式在线振动监测网络系统的总体设计模型，提出了前端单元数据采集的实现方案，建立了以c p l d 为核心的数据采集系统原理模型。( 2 ) 完成了数据采集系统的具体设计和实际调试，主要包括模拟电路( 传感器信号适配电路、放大电路、滤波电路以及a d 转换电路等) 和电源模块的设计和调试，数字电路( 在c p l d 的逻辑协调下，同步采集模拟电路传输上来的经过信号适配、滤波放大和a d 转换处理后的振动信号，并将其存储在输入缓冲器r a i l ) 的设计和调试等。( 3 ) 参与了项目总体的部分联调和验证工作。关键词：分布式、在线振动监测、船舶总噪声、数据采集、c p l da b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n do v e r s e a ss h i pi n d u s t r y ，t h ed i s t r i b u t e do n - - l i n em 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 sp u tf o r w a r db a s e do nt h ei n - d e p t hs t u d yo ns h i pn o i s e i nt h es y s t e m ，al o to fv i b r a t i o ns e n s o r sa r el a i di nt h ed i f f e r e n tp l a c e so ft h ec a b i na n dt h ef i e l db u sm o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t e mi sf o u n d ，w h i c ht h es y s t e mc a l lr e a l t i m em o n i t o rt h et o t a ls h i pn o i s e t h u s ，o nt h eo n eh a n dt h es y s t e mc a np r e d i c tt h es o u n df i e l dc h a r a c t e r i s t i co ft y p i c a ln a v i g a t i o ns t a t ei no r d e rt oe n h a n c et h en a v i g a t i o n a lr e l i a b i l i t y , o nt h eo t h e rh a n df o re f f e c t i v e l yp r o t e c t i n gt h eh e a l t ho ft h es a l l o r m a na n dp a s s e n g e r , t h ec e r t a i nt e c h n o l o g yt h a tc a nr e d u c eo re l i m i n a t et h es h i pn o i s ea r ea d o p t e d i naw a y , t h et o t a lv i b r a t i o no fr e v o l v i n gm a c h i n e si nt h es h i pm a yb ea p p r o x i m a t i v e l yr e g a r d e da st h et o t a ls h i pn o i s e s ot h es y s t e mm o s t l yo n l i n em o n i t o r st h ev i b r a t i o ns t a t eo fr e v o l v i n gm a c h i n e si nt h es h i p i nt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h r o u 曲f i x i n gt h ea c c e l e r a t i o nv i b r a t i o ns e n s o r sa n dd e s i g n i n gt h es p e c i a ld a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，t h ev i b r a t i o ns i g n a lo fr e v o l v i n gm a c h i n e si sr e a l t i m ea n do n l i n ea c q u i r e d ，w h i c ho f f e r se x a c ta n dr e l i a b l ed a t af o rt h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e m t h ep a p e r sw o r ki 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 )b a s e do nt h et o t a ld e s i g nm o d e lo ft h ed i s t r i b u t e do n - l i n em 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 m ，t h er e a l i z a t i o np r o j e c to f u n i td a t aa c q u i s i t i o ni sp u tf o r w a r da n dt h et h e o r e t i cm o d e lo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sf o u n d ( 2 )a c c o m p l i s hd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n go f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h ea n a l o gc i r c u i t ( s e n s o rs i g n a la d a p t e rc i r c u i t ，a m p l i f i c a t o r yc i r c u i t ，f i l t e rc i r c u i ta n da dc o n v e r s i o nc i r c u i t ) ，t h ep o w e rs u p p l ym o d u l ea n dt h ed i g i t a le i m u i te t c ( 3 ) p a r t i c i p a t ei ns e g m e n t a ld e b u g g i n ga n dv a l i d a t i n go f t h et o t a lp r o j e c t k e y w o r d ：d i s t r i b u t e d ，o n - l i n em o n i t o r i n gv i b r a t i o n ，t o t a ls h i pn o i s e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，c p l d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，也不包含为获得墨盔盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工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并表示了谢意。学位论文作者签名：夺睿签字日期：箩年，月岁日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解垂盔盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤盗盘茔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：夺眷导师签名签字日期：以年月5 日签字日期：_ 歹年，月y 日第一章绪论1 1 引言第一章绪论随着计算机、通信、控制、测量等技术的迅猛发展以及现代社会对高性能高质量高速度产品和系统日益增长的需求，分布式监控系统已经逐渐替代集散式监控系统( d c s ) 成为当今监控系统中的主流和热点。所谓分布式监控系统就是基于现场总线技术的一种适应于向分散化、网络化和智能化的方向发展的监控系统，因此它也可以被称为现场总线控制系统( f c s ) 。今天，现场总线控制系统f c s 已经在监控领域中被公认为是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统d c s 后的新一代控制系统，它代表着未来监控系统的发展方向和趋势。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( 如前苏联白二十世纪五十年代起便将船舶声学的研究提到了首要地位) 。船舶噪声，按声场的性质可分为空气噪声、水噪声和结构噪声( 即振动) ，船舶总噪声就是各种声源产生的噪声的合成：各种机器( 主要是各种旋转机械) 由于它的振动或零部件的运动直接辐射出空气噪声；同时它的激励力将引起船体结构的振动，即形成结构噪声；而船体振动作为二次声源将向空气中辐射产生空气噪声和向水中辐射产生水噪声。由此可见，船舶中机器( 主要是各种旋转机械) 的振动是空气噪声、结构噪声和水噪声产生的主要来源，因此无论是监测船舶总噪声还是寻求降低乃至消除船舶总噪声的措施和方法，船舶中各种旋转机械的振动都将是研究开发的重点和解决问题的关键。本课题的研究目的是实现实时在线监测船舶总噪声，从而对船舶典型航态的声场特性作出准确的预报，以便提高船舶航行的安全可靠性，同时通过采用某些降低乃至消除噪声技术和措施，有效地保护船员及乘客的身心健康。由于相比较于其它监控系统，分布式监控系统( 即现场总线控制系统f c s ) 在实时性、抗干扰能力、成本、开发及使用难度和数据通信质量等方面都具有无可比拟的优越性，因此我们建立了以现场总线为网络基础的分布式在线振动监测网络系统。1 2 现场总线根据国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的定义，安装在制造或过程区域的现场设备与控制室内的自控装置之间的数字式、串行和多点通讯的数据总线被称为现场总第一章绪论i i 引言第一章绪论随着计算机、通信、控制、测量等技术的迅猛发展以及现代社会对高性能高质量高速度产品和系统目益增长的需求，分布式监控系统已经逐渐替代集散式监控系统( d c s ) 成为当今监控系统l _ j 的主流和热点。所谓分靠式监控系统就是基于现场总线技术的一种适应于向分散化、网络化和智能化的方向发展的监控系统，因此它电可以被称为现场总线控制系统( f c s ) 。今天，现场总线控制系统f c s 已经在监控领域中被公认为是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统3 c s 后的新代控制系统，它代表着未来监控系统的发展方向和趋势。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( 如前苏鞋白二十世纪五十年代起便将船舶声学的研究提到了首要地位) 。船舶噪声，按声场的性质可分为空气噪卢、水噪卢和结构噪声( 即振动) ，船舶总噪声就是各种声源产生的噪声的台成：各种机器( 主要是各种旋转机械) 由于它的振动或零部件的运动直接辐射出空气噪声：同时它的激励力将引起船体结构的振动，即形成结构噪卢；而船体振动作为二次声源将向空气中辐射产生空气噪声和向水中辐射产生水噪声。由此可见，船舶中机器( 主要是各种旋转机械) 的振动是空气噪声、结构噪声和水噪声产生的主要来源，因此无论是监测船舶总噪声还是寻求降低乃至消除船舶总噪声的措施和方法，船舶中各种旋转机械的振动都将是研究开发的重点和解决问题的关键。本课题的研究目的是实现实时在线监测船舶总噪声，从而对船舶典型航态的声场特性作出准确的预报，以便提高船舶航行的安全可靠性，同时通过采用某些降低乃至消除噪声技术和措捕，有效地保护船员及乘客的身心健康。由于相比较予其它监控系统，分布式监控系统( 即现场总线控制系统f c s ) 在实时性、抗干扰能力、成本、开发及使用难度和数据通信质量等方面都具有无可比拟的优越性，凼此我们建立了以现场总线为网络基础的分布式在线振动监测网络系统。12 现场总线根据国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的定义，安装在制造或过程区城的现场设备与控制室内的自控装置之问的数字式、串行和多点通讯的数据总线被称为现场总与控制室内的白控装置之间的数字式、串行和多点通讯的数据总线铍称为现场总第一章绪论线。现场总线技术将专用微处理器置于传统的测量控制仪表之中，使它们各自都具有数字计算和数字通信能力。以双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。其原因是由于微处理器与计算机功能的不断增强和器件价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，用户需要在系统与系统之间、企业与企业之间进行信息的交换，资源的共享以及远程管理与控制，而原先处于生产过程底层的测控自动化系统，因采用对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。现场总线导致了传统控制结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。f c s 是基于现场总线技术的计算机控制系统，它是集当今计算机技术、网络技术和控制技术为一体的当代最先进的计算机控制技术，是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将逐渐成为计算机控制系统的主流形式。现场总线控制系统是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，它的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。1 3 船舶噪声监测的意义和方法1 3 1 船舶噪声监测的意义纵观目前国内外船舶工业的发展，船舶噪声已经成为一个不容忽视的问题。对船舶噪声的研究不仅可以使人们方便地根据其振动的谱特性来诊断船舶中各种机器( 主要是各种旋转机械) 的运行特。t i ，从而对船舶典型航态的声场特性作出准确的预报以便保证航行的安全可靠性，而且对保护船员及乘客的身心健康，也起到了积极有效的作用。第一章绪论船舶噪声几乎是集各种噪声之大成，它的特点是声源繁多集中、噪声强度大、频谱成分复杂，因此对船舶航行的安全可靠性和船员及乘客的身心健康造成了相当的危害。首先，空气噪声使人烦恼，易于疲劳，影响人们的正常工作和休息，一定强度的噪声还会造成人的听觉损伤，对神经、心脏、消化系统也会产生不良影响，损害入的身心健康；同时强烈的噪声也会妨害正常的通讯联络和口令的传达。其次，在结构力学和船体振动学中，结构噪声( 即振动) 使得船体结构疲劳破坏，甚至出现裂缝。特别是在发生共振的情况下，就可能引起船体严重的损坏，同时还将影响到机器和仪表设备的正常工作，甚至使它们失灵或瘫痪；此外，结构噪声还使得船体构件等作为二次声源向空气中辐射空气噪声而危害船员及乘客的身心健康，或向水中辐射生成水噪声而降低某些具有特殊使命的水下舰船的隐蔽性能和作战能力。而且为了满足现代社会对航海事业日益增长的需求，船舶工业正朝着大型化、高速化以及复杂精密化方向飞速发展，而随着船舶排水量和动力系统功率的不断提升、航速的大幅度提高以及大量旋转机械的广泛应用，船舶噪声也势必进一步增大，随之也就相应地加剧了它对航行的安全可靠性和船员以及乘客的身心健康的危害。显而易见，在对船舶噪声的研究中首要和基本的问题就是对船舶噪声进行在线监测，因为只有建立在对船舶噪声实时和准确监测的坚实基础之上，后续的噪声处理和分析以及相应地消除和降低噪声技术和措施才能具有实际的应用意义。目前，对船舶噪声进行在线监测已经成为了船舶噪声研究领域中一个具有重大价值和深远意义的课题，吸引了国内外许多科研机构和专家学者的浓厚兴趣和大量投入。1 3 2 船舶噪声监测的方法目前在航空领域，飞机噪声监测尚可采用示波器这一可靠而又传统的监测仪器；然而在航海领域，与飞机相比较，船舶无论是在舱体的体积和重量、机器设备( 主要是指各种旋转机械) 的数量和复杂性以及航行环境对噪声要求的苛刻性上都远不能同日而语，因此示波器已经无法适应和满足船舶噪声的在线监测。根据国内外监测技术的发展主流，船舶噪声监测的实现方式可以采用自动监测和内部监测( a t ea u t o m a t i c t e s te q u i p m e n t 和b i tb u i l d i n t e s t ) ，即在船舶内不同的位置安装振动传感器，所有的传感器又通过监控网络有机地构成一个整体，这样传感器采集到的振动信号便能及时准确地通过这一监控网络上传中央控制机，从而实现实时监测船舶内的总噪声情况。如上文所述，船舶中各种旋转机械的振动是空气噪声、结构噪声和水噪声产生的主要来源，因此相对于其它噪声源，旋转机械的总振动在某种程度上便可以第一章绪论近似地被当作船舶总噪声，从而船舶总噪声的监测也就相应地转化为船舶上各种旋转机械总振动的监测。在本课题中，我们就是通过在旋转机械上安装振动传感器和建立分布式监测网络系统，实现了对船舶中各种旋转机械总振动的在线监测。1 4 本文的主要工作本文的研究内容是在中国船舶工业集团公司项目“分布式在线振动监测网络系统的研究”的基础上提出的。根据目前国内外船舶噪声监测的研究和发展情况，并结合课题组的硬件资源和技术优势，主要针对前端数据采集系统，进行了理论和实践上的深入研究。本文的主要工作包括以下几个部分：i 、提出了前端单元数据采集的实现方案，建立了以c p l d 为核心的数据采集系统。2 、完成了数据采集系统的具体设计和实际调试，主要包括：模拟电路的设计和调试( 传感器信号适配电路、放大电路、滤波电路、a d 转换电路、电源模块等) ，电源模块的设计和调试，数字电路的设计和调试等。3 、参与了项目总体的部分联调和验证工作。第二章总体设计第二章总体设计2 1 分布式在线振动监测网络系统的总体设计2 1 1 概述分布式在线振动监测网络系统是根据国内外船舶工业的发展，在对船舶噪声进行深入研究的基础之上提出来的。鉴于对船舶噪声系统模型还不能够提供更为详细的参数，而且目前国内对这方面的研究还处于一个刚刚开始的阶段，所以我们只能给出这个系统的一个大致模型。本系统初步准备以国标和航行试验的测试分析结果为依据，综合考虑国内的制造和工艺水平，同时考虑各种设备在船上所处的位置等级( 一般可分为4 等) ，在一个适当的区域内进行振动情况益铡。系统通过在船舱内不同的位置布置大量振动传感器和建立现场总线监测网络系统，实现对船舶总噪声的实时监测，然后一方面根据工程经验公式得出的估算方法初步预报总噪声，并和航行试验的测量结果以及国标的基准进行比较，当超出一定的警戒值时给出警报，为航行的安全可靠性提供有力的保障，另一方面以实时监测到的总噪声作为真实依据，采用某些降低乃至消除噪声技术和措施，有效地保护船员及乘客的身心健康。如上文所述，船舶内旋转机械的总振动在某种程度上可以近似地被当作船舶总噪声，因此本系统主要是针对船舶内旋转机械的振动状况进行在线监测。鉴于在实际应用中，船舶分为多个舱室，一般至少有6 个舱室，而每个舱室中又至少安装3 个以上旋转机械，即每个被测船舶至少需要实时监测1 8 个旋转机械的振动状况。本系统将每个旋转机械作为一个监测单元，各个单元能够不依赖上位机在c p l d 的协调下独立地进行振动信号的采集，并通过d s p 对单元测量数据进行实时处理，然后将处理结果通过监测网络传输给中央计算机并按规定格式存入数据库，供后续船舶噪声数据分析和处理所用。目前船舶的在线监测网络系统通常采用计算机集散式监控系统( d c s ) 。d c s系统特点是分散控制，集中监视、操作和管理。d c s 系统一般采用三层缔构，下层由承担数据采集和处理包含微处理器或d s p 的分站构成，中间层作为数据通信站和显示报警处理单元，上层由信息管理单元和数据分析单元等组成。这种网络监测系统功能齐全，能实现监控、显示、报警、历史数据储存等日常全部操作的要求，但它还存在不足，如：组网不灵活，系统现场连线较多，从传感器到检测分站线路上传输的是4 2 0 f i l a 的模拟信号，组网的设备互操作性差，中间层作为通信枢纽容易成为系统信息流通的瓶颈甚至造成系统的瘫痪等。为了克服d c s第二章总体设计以上种种弊端，本系统采用了新型的现场总线技术，设计了基于c a n 总线技术的现场总线控制系统( f c s ) 。f c s 系统将操作站、现场智能仪表以及其它信息资源作为局域网络中的节点，非控制信息( 管理信息) 大大增加，从而从过程控制走向了过程管理，提高了生产效率、产品质量和整个系统的安全性。f c s 系统完全采用数字信号传递信息，采用公开一致的通信标准，各个厂家设备可以互交信息，实现互操作，是真正意义的开放系统。它将信号检测、补偿计算、数据处理和控制实现分散到现场设备，实现系统的彻底分散。f c s 与d e s 相比有很多优点，但是具体到船舶监测领域，现场总线的应用又有其特殊性：首先，与其他的工业控制相比较，船舶的空间相对较小，因而引入现场总线可以减少设备问的连线，节约成本。第二，控制对象规模相对较小，控制网络上节点较少，而且基本不会出现多个系统集成的问题。因此对控制网络的容量及互可操作性要求不是很高。第三，船舱空间狭小，设备布局紧凑，信号干扰严重。综上所述，分布式在线振动监测网络系统是由单元数据采集及处理予系统、现场总线监测网络子系统两部分组成，两者有机地结合在一起，构成了监测网络系统，实现了对船舶总噪声的在线实时监测。2 1 2 单元数据采集及处理子系统根据系统总体设计的要求，每个单元需要实现的功能是：通过安置在旋转机械不同位置上的振动传感器获取测量信号，信号调理电路对测量信号进行放大和滤波，a d 转换电路将其转换为数宇信号并存入输入数据缓存器，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，以上控制时序由c p l d 完成，处理后的数据通过c a n 总线传输给中央计算机( 产生总线竞争时可自动重发) ，按规定格式保存在数据库中，供后续噪声数据分析和处理所用。单元数据采集及处理子系统内部结构如图2 - 1 所示，考虑到成本和调试的方便，我们又根据功能将其划分为数据采集系统( 图中双点划线框内部分) 和数据处理系统( 图中虚线框内部分) 两部分：数据采集系统的主要功能是将被测旋转机械的振动信息经传感器转换成标准的模拟信号，并经信号适配、放大、滤波和模数( a d ) 转换后使其成为数字信号处理器能够识别的数字信号；数据处理系统的主要功能是进行8 路采集数据的数字滤波和f f t 变换运算等，并将变换后的信号按3 1 个频段分组( 在1 0 一1 0 k h z 范围内，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 个倍频程) ，处理后的数据存入静态r a m 然后打包送到e a n 总线模块上。6第二章总体设计图2 1 单元内部结构图由于数据采集系统是本论文的中心内容，笔者将在下文详细论述，在此只对数据处理系统作一简述。数据处理系统以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 连接，d s p 在c p l d 控制下从r a m 中读取数据进行处理，处理后的数据传输给最上一级的p i c l 8 f 2 4 8 单片机，然后通第二章总体设训过单片机内部集成的c a n 控制器和m c p 2 5 5 1 c a n 接口，将其传输到c a n 网络上去。上层p i c l 8 f 2 4 8 单片机传送数据采集的控制参数给下层的p i c l 8 f 2 4 8 单片机时，可以通过1 2 c 总线来实现。同时为了方便地显示系统时钟，在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 总线与单片机进行接口。存储器用来存储运行过程中的数据，系统中选用容量为6 4 k 1 6 的s r a mc y 7 c 1 0 2 1 v 两片。在存储和处理数据过程中，2 片r a m 分用两套总线，可以选用两种方案，一种是将两片r a m 功能分开，r a m l 用于存储a d 采集的数据，r a m 2 用于存储d s p 处理后的结果，即d s p 从r a m l 中读取数据处理后存于r a m 2 中。第二种采取分页处理方案，d s p 从r a m l 中读取数据，处理后存于r a m l 中，再从r a m 2 中读取数据，处理后存于r a m 2 中，本系统中采用了第一种方案。1 2 c 总线是i 扫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 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，这在设计中简化了硬件接【_ _ ： ；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；它是一个真正的多主总线，带有竞争监测和仲裁电路，多个主机任意发送而不会破坏总线上的数据；同步时钟允许器件以不同的波特率进行通讯；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 的最大总线电容的限制。i c 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 总线中要开始通信时，是从一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，如果是就发送一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i z c 工作方式下，p i c l 8 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 电平状态决第二章总体设训。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8 位，高位首先传送，每个字节之后必须跟一个应答位，主器件收发每个字节后产生一个时钟应答脉冲，在这期间，发送器必须保证s d a 为高，由接收器将s d a 拉低，称为应答r 一1r 一1。an | e 粉国曩土，髓露w ii。血舒风凰泓风融国皿穗踽凰魍启动停止信号图2 - 21 2 c 总线协议时序信号信号( a c k ) ，1 2 c 总线协议时序如图2 - 2 所示。1 2 c 总线协议要求：在起始信号后面是寻址字节，将寻址字节写入s s p s u b寄存器( 缓冲器) ，寻址字节高7 位是接收器件地址，第8 位是数据传输方向位( w ) ，“0 ”表示主控器发送数据( w ) ，1 表示主控器接收数据( r ) 。寻址字节后是一个或多个数据字节，每个字节都必须有应答信号相随，传送结束后必须发送终止信号。基本的1 2 c 总线规范规定数据传输速率最高为1 0 0 k b i t s s ，采用7 位寻址。但是由于数据传输速率和应用功能的增加，1 2 c 总线后来增强为快速模式，传输速率为4 0 0 k b i t s s ，采用1 0 位寻址。目前1 2 c 总线已经增加了高速模式，传输速率可达3 4 m b i t s s ，它使得1 2 c 总线能够支持高速串行传输的应用。2 1 3 现场总线监测网络子系统2 1 3 1 网络结构及扩展本系统采用工业控制局域网c a n 总线来组建监测系统的网络，c a n 总线是一种应用非常广泛的串行通讯总线，它具有高抗电磁干扰性、高保密性、通信速率高、自动解决总线竞争、实时性好、纠错能力强等诸多优点。系统网络结构及扩展如图2 3 所示，最底层为数据采集及处理单元，每个单元接8 个传感器，完成对一个旋转机械振动的实时监测；中间层为c a n 网桥，每个网桥最多可负载1 10 个单元，在c a n 网桥与各单元之间用双绞线进行通讯；9第二章总体设计最高层为中央计算机，机内插有c a n 通讯卡，中央计算机最多可负载1 1 0 多个网桥，由于此时传输的数据量较大，同时为提高系统的抗干扰能力，这里采用光纤连接中央计算机和c a n 网桥。所以，在此系统结构下，晟多可负载1 2 1 0 0 多个数据采集及处理单元或9 6 8 0 0 多个传感器，最大范围的满足了整个船舶总噪声的实时监测。本文设计的这种网络结构的优点是：节点扩展简单方便，互不影响。系统可以通过扩展c a n 网桥的方式进行扩展，如图2 3 所示。这种扩展的优点是：系统走线少，易于管理，很好地解决了由于船舱空间相对比较狭窄，设备布局紧凑而引起的信号容易受到干扰等不利影响，提高了整个系统的可靠性。图2 - 3 网络结构及扩展2 1 3 2 网络的传输介质传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维电缆、无线与卫星通信等。本系统中用到了双绞线及光纤作为传输介质。一、双绞线无论对于模拟数据还是对于数字数据，双绞线都是最通用的传输介质，电话线路就是一种双绞线。其主要特性有：( 1 ) 物理特性：双绞线由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干笫二章总体设计扰最小。( 2 ) 传输特性：双绞线最普遍的应用是语音信号的模拟传输。在一条双绞线上使用频分多路复用技术可以进行多个音频通道的多路复用。如每个通道占用4 k h z 带宽，并在相邻通道之间保留适当的隔离频带，双绞线使用的带宽可达2 6 8 k h z ，可以复用2 4 条音频通道的传输。使用双绞线或调制解调器传输模拟数据信号时，数据传输速率可达9 6 0 0 b p s ，2 4 条音频通道总的数据传输速率可达2 3 0 k b p s 。( 3 ) 连通性：双绞线可以用于点一点连接，也可用于多点连接。( 4 ) 地理范围：双绞线用作远程中继线时，最大距离可达1 5 k m ；用于l o m b p s局域网时，与集线器的距离最大为1 0 0 m 。( 5 ) 抗干扰性：双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。在低频传输时，其抗干扰能力相当于同轴电缆。( 6 ) 价格：双绞线的价格低于其他传输介质，并且安装、维护方便。二、光纤光纤是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。其主要特性有：( 1 ) 物理特性：光纤是一种直径为5 0 1 0 0 ，o n 的柔软、能传导光波的介质，各种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道，多条光纤组成一束就构成光纤电缆。光缆的结构如图2 - 4 ( a ) 所示。ff光纤芯包层保护层( a ) 光缆结构光纤：陈( b ) 光缆内部的光传输过程图2 4 光缆结构与传输( 2 ) 传输特性：光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光波通过光导纤维内部全反射进行光传输的过程如图2 - 4 ( b ) 所示。由于光纤第二章总体设计的折射率系数高于外部包层的折射系数，因此可以形成光波在光纤与包层界面上的全反射。光纤可以看作频率从1 0 “1 0 ”l l z 的光波导线，这一范围覆盖了可见光谱与部分红外光谱。以小角度进入的光波沿光纤按全反射方式向前传播。典型的光纤传输系统的结构如图2 5 所示。光纤发送端采用两种光源：发光二极管l e d 和注入型激光二极管i l d 。在接收端将光信号转换成电信号时使用光电二极管p i n 检波器或a p d 检波器。光载波调制方法采用振幅键控a s k 调制方法，即亮度调制。光纤传输速率可达几千m b p s 。目前已投入使用的光纤在几公里范围内速率达到几百m b p s 。光纤传输分为单模与多模两类。所谓单模光纤是指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光纤传输，而多模光纤是指光纤的光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多光线传输。单模光纤性能优于多模光纤。输入d 嵩k 输入q 电光转换昏； 刍；l e d光信号+图2 5 光缆传输系统示意图输出( 3 ) 连通性：光纤最普遍的连接方法是点一点方式。( 4 ) 地理范围：光纤信号衰减极小，它可以在6 8 k m 距离内不使用中继器，实现高速率数据传输。( 5 ) 抗干扰性：光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，能在长距离、高速率传输中保持低误码率。双绞线典型的误码率在l o 一1 0 。6 之间，基带同轴电缆为1 0 1 ，宽带同轴电缆为1 0 1 ，而光纤误码率可p a t s 于1 旷”。光纤传输的安全性与保密性极好。( 6 ) 价格：目前光纤价格高于同轴电缆与双绞线。由于光纤具有低损耗、宽频带、高数据传输速率、低误码率、安全保密性好等特点，因此它是一种最有前途的传输介质。考虑到成本问题，且多模光纤已经能够满足系统设计要求，本文采用多模光纤作为传输介质。2 1 3 3 光导纤维的c a n 总线网络依据传输介质c a n 总线网络可以分为3 种：双绞线的c a n 总线网络，即w i r e c a n ：光导纤维的c a n 总线网络，即f i b r e c a n ；同轴电缆的c a n 总线网络，即c o a x i a l c a n 。w i r e c a n 的特点是技术上容易实现、造价低廉：理论上节点数无限制、对第二章总体设计环境电磁辐射有一定抑制能力。但随着频率的增长，双绞线线对的衰减迅速增高，双绞线还有所谓近端串扰，即在发送线对和接受线对之间存在电磁耦合干扰。c o a x i a l c a n 总线网络在抗干扰能力和带宽上强于w i r e c a n 网络，但环境温度对同轴电缆的影响较大，且当传输距离较远时需要使用中继器来延长。f i b m - c a n 总线网络组网简单，抗干扰性强，能解决大容量、高速率数据的传输问题。与双绞线和同轴电缆相比，光纤的低传输损耗使中继之间距离大为增加。除此以外，光缆还具有不辐射能量、不导电、没有电感，且光缆中不存在串扰以及光信号相互干扰的影响，也不会有在线路“接头处”感应耦合导致的安全问题。由于在c a n 网桥和上位机之间数据交换量较大，而且对系统抗干扰性要求较高，故这里选用了光纤作为传输介质的f i b r e - - c a n 总线网络。系统的传输介质选择光纤，需将输出电信号转换为光信号，为此选用了波士电子公司的c a n ) 匕纤转换器o p t c a n ( 多模) 和c a n 光纤中继转换器o p t c a n e x( 多模) 。c a n 光纤转换器用于将c a n 电平信号转换为通过光纤传输的光信号。c a n 光纤中继转换器用于实现c a n 光纤传输的延长、多点c a n 组网时c a n 节点的光纤转换，还可以用于将一个c a n 信号同时转换成两组光纤传输。o p t c a n 和o p t c a n e x 的外观图如图2 6 所示，其外形只有d b2 5 d b - 2 5 转接盒大小，重9 0克，安装方便，无需任何初始化设置。( a ) o p t - c a n( b ) o p t - c a n e x图2 - 6c a n 光纤转换器、中继器f i b r e c a n 总线网络连接如图2 7 所示。图2 7f i b r e c a n 总线网络1 3第二章总体设计2 2 数据采集系统的原理设计2 2 1 主要性能要求课题研究的最终目的是本系统能够稳定可靠地应用于船舶航行现场，实时在线崎测航行时各种旋转机械的总振动，然后通过后续振动信号的分析和处理，一方面为航行的安全可靠性提供有力的保障，另一方面有效地保护船员和乘客的身心健康。根据目前船舶噪声领域的研究现状并结合用户的实际需求，我们给出了整个系统的主要性能要求：全天候、连续不间断地在线监测；每间隔1 2 秒或1 秒数据采集，每间隔1 2 秒的l 3 倍频程数据处理；网络高速可靠通信，上传速率为1 0 0 米l o k b ，系统的误码率小于1 旷”；监测单元是永久性的，可移动的，能实时监测各种旋转机械的振动信号，并且网络扩展简单方便；中央计算机运行在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统之上，能对历史数据进行存档管理，图表及表格生成。具体到本论文所要详细论述的数据采集系统，其主要性能要求如下：采样频率：由于旋转机械振动加速度的能量主要集中在1 0 1 0 k h z ，根据一般测试要求，一个周期内至少需要采样4 个点的值，才能比较好地描述信号的真实情况，根据付氏变换的要求，采样离散点数1 0 2 4 5 2 6 ，因此采样频率为被测信号地4 倍以上，所以要求采样频率为4 0 k h z 以上；采样位数( d 转换分辨率) ：1 0 位：信噪比：6 d b 以上：输入信号带宽：主要根据传感器的频率带宽来定，频率下限为传感器的频率下限；电源形式：2 4 伏直流电源。2 2 2 硬件实现原理数据采集系统作为整个监测系统的信号入口，它实时采集到的旋转机械的振动值将是后续数据处理系统以及中央计算机振动信号分析和处理的真实依据，因此采集值的精度和质量势必成为整个系统的监测精度和工作质量的重要影响因素。从硬件实现的角度看，任何一种数据采集系统无非都是由传感器和采集电路构成，传感器将被测的非电量转换为电路能够识别处理的电量( 如4 2 0 标准模第二章总体设计拟信号等) ，采集电路对传感器输出信号进行一系列处理( 如信号适配、放大、滤波、a d 转换、输入缓存等) 后将之转换为可供后续电路识别处理的标准信号，因此本文所论述的数据采集系统自然也是由振动传感器和采集电路( 出于调试方便的考虑，我们将之分成模拟电路和数字电路两部分) 组成。2 2 2 1 传感器振动传感器的选择，是振动测量中首先要考虑的问题。原则上振动特性信息可以通过测量振动位移、振动速度以及振动加速度获取，另外相位测量作为重要辅助测量可以提供非常有用的信息。从理论上看，由于振动位移、振动速度以及振动加速度三者包含信息相同，可以互相转换，如可通过积分电路由加速度得到速度，由速度得到位移。但实际上由于使用传感器的测量原理、安装位置不同，各自的测量频率范围有一定的区别，应根据测量的目的选择和确定合适的传感器类型。一般来说，测量相对振动位移主要使用非接触式电涡流传感器，测量频率范围一般在o 1 0 k h z ，适用于测量和分析含较低频率成分的振动信号。测量振动速度主要使用磁电式速度传感器进行测量，这种传感器尺寸较大，测量频率范围在1 1 0 0 0 h z ，适合于低频振动测量。测量振动加速度可以采用压电加速度传感器，这种传感器的特点是体积小，重量轻，安装方便，测量频率范围为5 - - 3 0k i - i z ，而且动态响应范围大，适合于高频成分的振动信号的测量分析。在旋转机械中，振动频率越高，其相应的振动位移的幅值也越小，而其振动加速度幅值仍有一定的量级，此时用速度传感器或涡流位移传感器显得灵敏度不够，但加速度传感器就比较能适应这种情况下的测量。本系统主要针对船舶上旋转机械的振动，振动频率为