（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp和pci总线的同步数据采集卡研制.pdf

中文摘要 基于d s p 和p c i 总线的同步数据采集卡研制 研究生姓名t 王宏 导师姓名诈飞云教授 学校名称：东南大学 随着p a 总线的推广及广泛应用，i s a 总线逐渐退出了历史舞台，i s a 总线数据采集卡也必将 逐步退出数据采集卡市场，p c i 总线数据采集卡以其高速的数据采集和传输能力，逐步成为数据采 集卡的主漉 本文主要讨论了一种以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 a 璐p 芯片为核心的p c i 总线数据采集卡的设计，该采集卡 主要应用在大型旋转机械状态监测和故障诊断系统中，完成对振动信号的采集、初步处理及上传 该数据采集卡采用美国t i 公司的p c i 2 0 4 0 接口芯片实现计算机p c i 总线与板载璐p 的接口。能够很好的 满足高速同步采集的大数据量和实时性的要求。 论文详细介绍了数据采集卡的总体结构方案，以及软硬件的实现方法数据采集系统的硬件设 计采用了高速同步a d 转换芯片a d 7 8 6 5 、d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 a 、可编程逻辑器件x c 9 5 1 4 4 x l 等高性 能芯片，充分利用了a d 7 8 6 5 的采样精度高t m s 3 2 v c 5 4 1 0 a 芯片的信号处理能力强以b x c 9 5 1 4 4 x l 可在 系统编程的灵活性高的特点，使整个数据采集卡的采集和处理能力得到充分的发挥 软件部分则重点介绍了d s p 控制程序中各个功能模块的设计，主要包括系统初始化模块、采样模 块、数据缓存模块和数据传输模块等数据采集系统采集到的数据可先在采集卡上缓存。再通过p c i 总线传输到p c i 总线计算机中供上位机处理系统进行进一步的分析与处理；上位机处理器和板载d s p 芯片，构成了主从结构的双处理系统，能够实现了数据采集，处理和数据传输的并行执行 使用数据采集卡对信号发生器产生的信号进行采集，并将采样波形与实际信号对比，表明该数 据采集卡达到了设计要求 关键词ld s p ，p c ! 总线。p c i 2 0 4 0 ，数据采集 d e v e l o p m e n to fs y n c h r o n o u sd a t aa c q u i s i t i o nc a r d b a s e do nd s pa n dp c ib u s b yw a n gl t o a g 弘枷b y p r 0 1 x l j1 f c i y u s o u t h e a s tu , l i v m a y w i t ht h cp o l , u l a r i z , 吐ma n dw i d cl i 秘o fp c ib 旺5 i s ah sw 谢坩f 州蚯卿o t 咎g r a d u a l l y , 棚t h e d a t aa c q u i s i t i o nc a r db a s e d 蛐i s ah i 硌w i l la l s ow i t h d r a w 峨l n a l t k e to fd a t aa c q u i s i t i o ne a m l i n s t e a d , d a t a a l 奠l t l i s i t i o nc s z l tb a s e d i c lb t l 暑w h i c h 啪c o l k 蛆a n dt l a n s p o ad a t ai nk 醇吼叩c c d ，w i l lb et l m e _ 越d n 鲥呻姗o f t k m 却l 蛾 ad e s i g no f 由妇a c q u i s i t i o n 伽db 越o d p ab u s , w h o a e 蛳i s - k i n do fi ) $ 1 pc h i pe t l i c c l 1 m $ 3 2 0 v c 5 4 1 0 a , 蠢i m m d l l c c d 缸t 地婵p 甑儆i t i n do fd _ 搪m c 目l u i s i t i o ac a r di su s e d 蛔n d i t i o n u , , l l t o r i n g 柚d 自曲出蚀岫l o th 喧e 础e q u i l , m m t , t od oi ks i g n a la c q u i s i t i o no fv j h 锄i o n ，如豫f y p t r o c e aa n dd a t a 缸叫叩。吨t h ei n t e r f a e cc h i p , p c i 2 0 4 0 白0 m1 1 io 咖叩柚y i s 柚s c di nt kd a t aa c q u i s i t i o a c a z d t o 鼬柚柚妇b c l w 啪t m s 3 2 0 v e 5 4 1 0 a d s p a n d p c i b 峙o t t h e c o m p u t e r i t 啪f u l f i l l t h e ”掣血h m 细l kk h 弘= c ds y n e b r o a i z a t i o na c q u i s i t i o no f l 孤妒q u a l i t yo f d a t am d r e a l - t i m e m 血柚cs h 咖co f d a t aa c q u i s i t i o ne a n l , 圳i t ss o f l t w s t ea n d1 w o w a t e0 c h 删w a si l m o d u e 日i n l k 舭mh 自咖删s y n e h r o a i z a t i o aa ，d 州e l s j 咂曲肇a d 7 8 6 5 ，d s pc h i pt m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 a a n d p r o g r a m m a b l el 嚼cd r i px c 9 5 1 4 4 x l w e l r cn s 酣i n 岫h l r d w a r c 出s i 班0 1 t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h eh i 曲如g r e co fa c q u i s i t i o na e c a l r a c yo fa d 7 8 6 5 ，p o w e r f u l 酬p r o c e s sa b i l i t yo ft m s 3 2 v c 5 4 1 0 a n dh i g hm 础嘶l yl l - s y s t mp r o g r a m m i n gl r c c h n o j o s yo fx c 9 5 1 4 4 x lw c l t ef u l l yw 酣8 0t h a tt h e 幽扭 i c t l u i s i t i o na n di l r o c u sa b i l i t yo f t l z 出妞冀叩凼妇i ：a l l l l w l 岛r ep o w e a u l 靠d 略k t l a e 蛳珂r l u c t i t m l m o d u l c s 缸沪d f 删i l l t r o c l l k 蝴i ms o f t w a r e p e r t o f t l l i s p l l l r o m f u n c t i o n a lm 饿h hm | 缸l yi n c l u d e ss y s t e mi n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，d a t as e q u i s i t i o am o d t t l c , t l s t at m p o r a r y s 衄m o d u l ea n d 出衄c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h ed a t a 瓤叩面棚b yd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 锄b c 蛐删 m 由i o n a l l yo 啦岫d a t aa c q u i s i t i o nc a n l , 柚dt h e n 缸姐嘲砒dt ot h ec o m p n t c l rb yp c b 峭f o ru l y s l s 删 p r o e c s s t h ec 1 3 1 jo ft h ec o l l l l l e ra n dl h ci ) $ 1 pc h i p c a r dm bu po fd o u b l el o f o e e s ss y s t c l mw i t hc 腾 矗铷翻o 咄 w h i c h 程曩i i z ct h ec o n c u l t c l m lm l i o na m o n gd a t a a c q u i s i t i o n , e a l a l l a t i 蚰州 c o m m u n i c a t i o n t h i sd a t aa c q u i s i t i o nc a r dh a sb e e nu s e di ns i g n a la c t l u i s i t mo ft h es i g n a l ( k m m 幻t 删t h e c o m p a a n o f w a v e f o m w i t h t e a ls i g n a j s h o w c c l t h l t t h c d a t s _ 叩妇l 谢触c a r d 嘲a e l a i e v c d t h c d e m a n d o f d e s i g n 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和致谢的地方外，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大学或其它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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致酴在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理 研究生签名：施导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题意义 在现代化生产中，机械设备的故障诊断技术越来越受到重视，如果某台设各出现故障而又未能 及时发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的严重后果在连续的 生产系统中，如果某台关键设备因故障而不能继续运行，往往会涉及全厂生产系统设备的运行，而 造成巨大的经济损失因此，对于连续的生产系统，故障诊断具有极为重要的意义i ” 机械故障诊断技术是了解和掌握设备的运行状态，识别设鲁的异常表瑰，早期发现设备潜在故 障并预报故障发展趋势的技术通过对设备进行状态监测和鼓尊诊断，可以确定合理的检修时问和 方案。达到减少事故停机损失、提高设备运行的可靠性、降低维修费用的目的，是解决复杂系统的 安全性，可靠性、维修决策的科学性问题的关键技术之 设备的故障监涮与诊断技术多是基于p c 机的测试系统，首先要进行数据采集。然后才能对获 得的数据进行测试分析所以数据采集卡是设备的故障监测与诊断的基础东南大学设备监控与故 障诊断研究所一直致力予大型设备的故障监溯与诊断，白1 9 9 0 年以来，先后研制开发了i v i e d ( 机 械故障诊断系统) 、肿( 便携式故障诊断系统) 、w f d ( 基于w e b 的故障诊断系统) ，磁d ( 嵌入 式故障诊断系统) 四个系列的产品，并在应用和实践中不断改进、更新目前四大系列的产品已经 广泛的应用在电厂等大型设备监测工业现场，取得了较高的评价 数据采集是指将温度、湿度、压力，流量，位移、电压、电流等模拟量采集、转换成数字量后， 再由计算机进行存储、处理、显示或者打印的过程，相应的系统称为数据采集系统在生产过程中， 运用数据采集技术可对生产现场的工艺参数进行采集，监视和记录，为提高产品的质量、降低成本 提供信息和手段，从而实现对生产过程的实时控制在科学研究中。应用数据采集技术，将提高人 们对各种瞬态现象进行研究的能力，是探索科学奥秘的重要手段之一数据采集系统的任务，就是 采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要 由计算机进行相应的计算和处理得出所需要的数据而且计算得到的数据可以进行显示和打印， 以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控翻某些 物理量数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度在保证精度的前提下，应该尽可 能的提高采样速度，以满足实时处理和实时控制对速度的要求嘲 随着计算机及各种接口技术的飞速发展，对数据采集卡也不断提出新的要求，一是对采集卡上 处理器的要求不断提高。从简单的无处理器采集到使用单片机控制采集，再到使用高速的d s p ( 数 字信号处理嚣) 实现采集并进行采集处理二是c i u 的提升对接口的要求不断提高随着计算机科 学的不断发展，p c 机的体系结构发生了显著的变化a 哪运行速度已经提高了上百倍i s a 总线的 数据传输速率已经没有办法满足c p u 进行数据传输的要求，已经渐新从p c 机消失，取而代之的必 l 东南大学硬士学位论文 定是高性能的p c i 总线h 三是p c 机的操作系统版本也不断升级，目前较为广泛应用的是w m 2 0 0 0 和w m d o w s ) 口，在工业现场也逐步淘汰了较为落后的嗍摄作系统。这也要求必须开发新的驱 动程序以适应不同操作系统的要求本研究所以前的各个系列的数据采集卡多是使用p c x t 总线， i s a 总线和p c i 0 4 总线，它们均属于8 位，撕位的数据总线，鼗据传输速度较慢，特别是在采集卡 上使用d 趼处理器后，为了实现。实时”监测，对总线的传输速率提出了更高要求，目前p c i 局部 总线以其高速度、动态配置、大地址空问等特点而被广泛应用经过几年的发展，它已经替代了i s a 等总线标准成为了主流的总线标准1 5 1 开发以p c i 总线为基础的数据采集卡是故障监测与诊断技术 发展的必然要求 1 2 数据采集卡研究现状及不足 1 2 1 数据采集卡的种类 数据采集卡有根多种，按接n 嬲j j 主要有两大类型一是以i s a 总线数据采集卡为代表的8 1 6 位总线接口的数据采集卡，另一种是以p c ! 总线数据采集卡为代表的3 2 位总线接口的数据采集卡 i s a 数据采集卡主要应用在采样速率低，传输数据量小，对实时性要求不高的场合在市场上， i s a 总线数据采集卡仍有一定的占有率，一些大的厂家仍在生产i s a 总线数据采集卡如凌华 ( a l 眦麒x ) 研华( a d v a a t e 吐) 、北京中泰以及美国m c c 公司均有自己的i s a 数据采集卡产磊， 其所占市场份额相对较小。其优点是价格低廉。其缺点是功能有限，传输速率低，对大量数据的处 理无能为力 i s a 总线是一种1 6 位的总线，工作频率为8 m h z ，数据传输率为8 m b s ，由于总线宽度、工作 频率以及数据传输率的限制，使得系统总线上的! o 和存储器的访闷没有太大的改进，从而在强大 的c p u 处理能力与低性能的系统总线问形成了瓶颈当在i s a 采集卡搭载高速高频处理器时，数据 传输速率低下的i s a 总线接口极大的限制了系统性能的发挥 由于对i s a 总线标准的改进和发展已经停止，无法适应今后越来越高的传输速度要求，p c i 总 线的推广及广泛应用，也使得i s a 总线逐渐退出了历史舞台i s a 插槽已经不再作为计算机主板的 标准配置，这样就使得原来基于i s a 插槽开发的一些i s a 总线数据采集卡毫无用武之地，随着p c i 总线逐步取代i s a 总线，l s a 总线数据采集卡也必将逐步退出数据采集卡市场，i s a 总线数据采集 卡已是昨日黄花 1 9 9 1 年下半年，l a t e l 公司首先提出了p a 的概念，并联合i b m 、臼唧呻、a s t ，l i p ，d e c 等 1 0 0 多家公司成立了p c i 集团，其英文全称为p 廿i p k f | ic c 哪p 蛐c m 砌煳咖删吼s p e c i a li n t e r e s t o r o e p ( 9 1 围部件互连专业组) 简称p c i s i g p c i 是一种先进的局部总线，已成为局部总线的新标准 p c i ( r e r i p h 训q m 舯毗t a t e n ：o e a e a ) 总线作为一种先进的高性能3 2 6 4 位局部总线，非常适 合于显示卡、同卡，多串口卡等高速外设，它已经取代原先的i s a 总线主导地位，成为徽型计算机 的主流总线p c i 总线插槽是目前主板上最常见的总线，现在几乎所有的主板上都有它的踪影，它 定义了3 2 位数据总线，且可扩展刭6 4 位( i c iv 2 1 支持“位) p c i 是一种同步且独立于处理嚣 2 第1 章绪论 的3 2 位数据总线，它不依附于某个具体的处理嚣，除了适用予i n t e l 公司的芯片外，还适应于其他 型号的徽处理器芯片，并能实现即插印用( p & p ) 。印在系统加电时b i o s 可以自动检测机器配置， 而给各个外围设备分配中断请求号和存储器的缓冲区等。从而避免了i r o ( 中断请求) 、d m a ( 直 接存储嚣存取) 和i o 运遒之问的冲突p c ! v i 0 支持3 3 m h z 工作频率。最大传输率为1 3 2 m b s l 而v 2 1 工作在6 6 m h z 的工作频率时，其传输速率为2 6 4 m b s 或5 2 8 m b s | 6 1 由于p c i 总线是3 2 位的总线结构，且可以扩展到6 4 位，工作频率为3 3 m h z ( v 乞l 标准的p c i 总线工作在6 6 m h z ) ，其数据传输速率为1 3 2 肋s ，最大能够达到2 6 4 m b s 或5 2 蹦b s ，因此p c i 总 线数据采集卡潜力巨大，能够很好的满足高速。大数据量，实时数据的采集和处理，在各个领域正 得到越来越广泛的应用 。 p c i 总线以其高速致据传输能力著称，能够适应高速、大数据量，实时性的要求，而且可以同 时支持多组外围设备，开放性好、不受处理器的限制，具有广泛的兼容性等优点，相比i s a 总线更 具有竞争力也使得p c ! 总线数据采集卡终将淘汰i s a 总线数据采集卡成为主流 1 2 2 p c i 总线数据采集卡国外现状 数据采集技术在国外发展已经相当成熟，而且数据采集器的种类不断增多，性能也越来越好。 功能越来越强大川 基于标准总线并带有高速d s p 的高速数据采集板卡产品非常多，技术先进、市场主流的厂商主 要有s 髓gs i 印峨a 唧凼砸i o 如b l u e w a v e 等公司 s p e c 公司的s p l 2 2 5 是带有i g s p s8 b 精度数字化仪的超高速数据采集模块( h s d a m ) p a 卡 最高可进行5 0 0 m h z 或1g h z 波形分析。s p l 2 2 5 工作在连续采样模式，可进行预麓发数据存储在 波形数字化并存储在2 5 6 k b 存储嚣后，数据可通过i c i 总线传输给p c 机。采集系统的核心是s p e c s h s d a mp c b 模块，h s d a mp c b 模块包食一个定制的g a a s a s i c 数据采集控制器、一个a d 转换 器及2 5 6 k 8 存储嚣该板卡触发方式，门限及采集模式均可遥过p c ! 总线由用户编程设置其它特 性包括可编程数字门限比较嚣、可编程采样率和可编程预齄发延迟等其应用领域包括静态分析， 频谱分析、激光多普勒速度测量、光时问域反射测量等 s i g n a t e 公司的基于p c i 总线8 b a d 板卡p d a 5 0 0 采样率高达5 0 0 m s p s ，带宽为d c - 5 0 0 m h z 可通过s a b 2 总线( s i g n a t e ca u x u 蛔b u s2 ) 以5 0 0 m e p s 的速率向其它处理、回放或存储器件传输数 据还能通过p c i 总线d m a 模式以1 0 0 m b 芦速率传输数据存储容量1 m b 或4 m b 两种可选，用 主从配置模式最多4 块p d a 5 0 0 可互联用于多通道高速同步采集根据内存配置与s a b 结构的不同， 其报价从$ 6 1 0 0 到$ 7 5 a c q u i s i t i o ni 鸭i c 公司推出基于p c i 总线的采样率分别为5 0 0 ms i s ，1 g s p s8 b 数据采集板卡 a i s 和a l s lg ，其存储深度为6 4 m b ，2 5 6 m b 和1 0 0 0 m b 三种可选p c i 总线为主模式，数据宽 度为3 2 b ，时钟频率为3 3 m e i z 。突发模式下传输速事高达1 3 3 m b i u s 两种板卡还具有d s p 功能：透 过板卡上现场可编程门阵列f p g a 爱件实现信号处理；照实时地完成输入数据为2 0 0 m i t z 带宽2 次 型插值或4 0 0 b f l l z 带宽4 次型插值运算等 u l t r a v i e w 公司制造出基于i c i 总线的采样率为1 2 5 g s p s 8 b 数据采集卡，型号为a d 2 1 2 5 0 d m a ， 3 东南大学琢士学位论文 其存储深度为8 g b 在6 6 m h z 和6 4 b 数据宽度下，p a 总线d m a 模式向主机传输数据速率可达 3 2 0 m b p s 此卡可用于基于p a 总线的运行操作系统为s e l a d s 8u a i x 的s 托所有平台其报价为 1 1 2 9 5 5 d 哪 1 2 3p c i 总线数据采集卡国内现状 目前在采集卡市场占有较大份额的是p a 总线数据采集卡生产p c ! 总线数据采集卡的厂商很 多，产品种类也十分丰富 凌华( a d l i n k ) 公司生产的p c i - 9 8 2 0 是一块高速，高分辨率，高容量的p c i 数据采集卡，配 备两组模拟输入端，具备同步采集的功能当两组模拟输入同时使用时，采样频率最高可达6 5m s s ， 而当采集一组模拟输入，采样频率最高可达1 3 0m s ，s ，并且具备1 4b i t s 的分辨率，提供多样的触发 选择，触发的来源包括软件触发、模拟触发与数字触发 研华( a d v a a t e c b ) 公司生产的p c i - 1 7 1 43 0 m s s 多功能同步致据采集卡，是专为高速数据采集 与处理应用场合而设计的高速、高分辨率、板载大存储容量的i c i 数据采集卡，数据采样速率高达 3 0 m s 一，内含四个独立模拟数字转换嚣( a d c ) 可使四个信道同步采样，板载3 2 k 先进先出( f i f o ) 高速缓存。允许使用者在做高速采样时，有足够的缓冲区可供暂存数据，以维持数据采集的速度及 完整性，提供多种输入范围。包含5 v 、2 5 v 、l v l 0 5 v 等，六种触发模式。包含软件触发、 p a c e r 、p o s t - t f i g g h 、n i 蜘、d e l a y - t r i g g e r 及a b o e t - t r i g 静 四川拓普澍控( 1 d ：) 的p a 系列数据采集卡，结合豫技术，具有高遽、高精度、并行 采集、同步扩展的特点将采集卡插入p c 机的p c ! 槽内工作，传感器将被测信号变为模拟电压信 号，经屏蔽电绞与i c i 采集卡上的信号输入插座连接，在配套t o p v 1 w 2 0 0 0 虚拟仪器应用软件的控 翻下，可实现对模拟电压信号的采集和存储，并可在p c 机上进一步完成数据的实时处理或后处理 成都中科的p c i 4 7 1 2 并行数据采集卡，使用4 片高速5 0 m s 1 2 b i ta d 转换嚣，4 个独立程控 增益通道，4 - 1 0 0 m v 一4 - 2 0 v 大动态信号采集，量高采样事为期脚。每通道最大采样深度可达到 1 6 m ，测量精度高、具有相位一致性，采集系统启动对动态下袭。支持采集卡的远程动态升级服务， 触发功能有：软件( 手动) ，内触发，外触发，可级联使用多张采集卡 国内一些大学研究所开发了满足自身需求的p a 总线数据采集卡例如浙江大学开发的用于大 型旋转机械监控的基于d s p 的数据采集卡、华北电力大学开发的用于汽轮发电机组振动信号的测量 的p a 总线数据采集卡，南京理工大学开发的用于雷达数字信号处理机的i c i 总线数据采集卡等 p n l 1 2 4 现有p c i 总线数据采集卡的局限性 由以上的分析可知，田内外p c i 总线数据卡产品很多。归纳以后，主要可以分为这样三类： 1 ) 第一类是通用的数据采集卡。大部分仅具有数据采集功能； 2 ) 第二类是带有璐p 的可以对采集的致据进行处理的采集卡，但这些产品不能满足特定的要求 而且价格十分昂贵； 第1 章绪论 3 ) 第三类就是针对特定需要为满足不同要求开发的在采集卡上嵌入b s p 处理器对采集信号进 行处理的p c i 总线数据采集卡，这种卡功能强大，适应特殊需要，成本较低 第一种数据采集卡的不足之处： 这些采集卡只是完成数据采集的功能，对数据的处理功能有限这些采集卡属于迢用的教据采 集卡范围，一般需在其前端接上传感器，后端加上后继数字信号处理部分便可使用，但是这些通用 的数据采集卡并不适用于一些特定场合的测试需要，例如大型机组振动的测量大型旋转机械工作 时产生振动机组发生故障或异常时，振动会发生变化，不同类型，性质撅因和部位产生的故障 所激发的机组振动具有不同的特征，表现为振动的频率、幅值、相位、波形形状、能量分布状况等 的不同针对大型机组振动的特点，在振动测量系统中采用鉴相信号触发实现同起点采样控制，由 转速频率控制采样速度，实现整周期截取，保证频谱分析精度若使用普通的数据采集系统则需要 加一些前端的处理电路与之配合，十分不便唧 第二类数据采集卡的不足之处： 这些产品一方面各个方面的性能很难满足故障监涓与诊断系统的具体要求，另一方面价格十分 昂贵，如果使用这些产品，必然大大提高故障监测与诊断系统的成本所以开发适应于故障监涮与 诊断系统要求的p c i 总线数据采集卡成为必然 第三类数据采集卡的不足之处： 这些p a 总线均是为了特定目的开发的，比如一项工程，一个项目，具有较强的针对性，不具 有通用性另外，由于技术保密的原因，这些采集卡很难获得 在机械故障诊断中，需要对设备的工况进行持续监测，要求对数据进行高速同步采集，致据采 集量大，实时性要求高，还要求采集卡对采集到的数据有初步的处理能力，对采集到的大量数据需 要通过高速的接口上传到上位机傲进一步的处理和分析，一般的p c i 总线数据采集卡不能满足故障 诊断的要求，因此，需要开发一种专用于大型设备故障监测与诊断的p c i 总线数据采集卡 1 3 本论文研究的内容 本课题主要研制基于p c i 总线和b s p 的同步数据采集卡，该卡用于大型设备故障监涓和诊断系 统中完成数据采集和预处理功能，实现对被监测系统的实时监测研究内容主要有； 1 ) p a 总线数据采集卡的总体结构设计 开发一套好系统，首先要确定一个合理、适用的结构。透过分析数据采集卡输入输出信号特点 及故障诊断对数据采集卡的性能要求。参考通用的d s p 应用系统结构，确定了采集卡的软硬件总体 设计在第二章中主要完成了对数据采集卡的总体设计，以及软件、硬件结构设计，同时对器件的 选择进行了分析 2 ) p c ! 总线数据采集卡硬件结构的设计及实现 在数据采集卡的设计中，硬件是最基础的部分，硬件设计的成败将在很大程度上决定整套系统 的成败数据采集卡硬件的设计及实现主要包括输入通道、d 电路，讲单元、a l d 峨程及p a 总线接口的设计和实现在第三章中主要用述了数据采集卡的硬件实现 3 ) p a 苴线数据采集卡d s p 软件的设计及实现 s 东南大学硕士学位论文 软件是硬件的灵魂，优秀的软将能够使硬件充分的发挥性能。d s p 程序的设计也是本课题的一 项重要内容d s p 程序工作在最底层，直接控制板载d s p 芯片完成数据的采集、分析及上传在第 4 章中主要阿述了d s p 软件的具体实现以及使用叫蛔实现对d s p 程序的动态下载 6 第2 章敦据采集卡的总体设计 第2 章数据采集卡的总体设计 2 1 数据采集卡总体设计 2 1 1 数据采集卡的输入信号特征分析 故障诊断技术多是针对大型的旋转机械，通常数据采集卡的输入信号大致可以分成以下几类； 1 ) 脉冲信号 脉冲信号来自于转速脉冲信号，旋转机械的转轴每转一蠢，就会产生一个脉冲信号在一定时 间内。通过对脉冲信号的计数，可以计算出转轴的转速也可以通过计算连续两个脉冲信号之问的 时问闻隔来计算出转速通常大型旋转机械转轴的转速范围在转，分一1 8 o 转，分之问 2 ) 振动信号 溯量轴径向振动的位移传痘器、速度传感器或加速度传感嚣等输出的模拟信号，通过数据采集 系统的前端调理电路后，调整为多个频率混合的交流信号，反映了转轴的绝对振动通常是在一个 平面内相互垂直的两个方向分别安装一只探头探头和y 探头) 。测量点不是越多越好，要以最少 的传痘嚣，曩灵敏地铡出整个机组系统的工况以能够捕捉机组的故障为前提，合理安捧测点 3 ) 慢交量信号 慢变量信号来自于测量轴位移、温度，压力、流量和电量参数的传感嚣信号慢变量信号通过 不同的传感器和数据采集系统的前端调理电路，得到的是标准电压信号，取值1 5 v 或o v - i o v 之 问 4 ) 开关量信号 通常来自于现场的开关信号，用商低电平来表示嗍 2 1 2 采集卡总体设计要求 本数据采集卡主要用于故障诊断及智能测试顿域，因此需要满足以下条件： 可测量振动、速度，加速度、位移及转速信号 。 1 6 通道模拟信号输入，可扩展，1 通道转速输入 。 具有抗混滤波功能 。 1 6 通道高速率同步采样，最高采样频率达到7 5 阳电 数字量帕输入输出 麓与计算机快速交换数据和通信 具有信号处理功能 7 东南大学磺士学位论文 2 1 3 总体设计思路 本数据采集卡主要是为实现故障诊断中的数据采集而设计的，需要对多个传感嚣进行局步的数 据采集，并要求各个通道实现宴时，高速的数据采集和处理，这要求采集的速度要快，精度要高， 同时能够通过高速总线上传采样的数据，供上位机监测分析软件对数据进行分析处理 目前比较主流的设计是采用高速的数据总线与功能强大的处理器相结合的方法实现数据采集 卡基于以上对本数据采集卡的要求，结合故障诊断的特点，考虑使用1 1 公司d s p 和p c i 总线相 结合的方法实现数据采集卡的设计，另外需要考虑选用高精度的a d 转换芯片保证采集卡的精度 该方案能够发挥d s p 的强大的数据处理能力和p c i 总线的高速传输能力，而1 4 位的a d 转换芯片 保证了采样的精度，是一种比较合理的结构体系 2 2 数据采集卡硬件原理框图 在典型的d s p 应用系统中，输入的信号可以是电信号、声音信号、物理信号、化学信号、连续 信号、数字信号、强信号、弱信号等在其前向通道中，首先通过传感器将各种信号转化为一定幅 值的电信号，再将这些信号进行带限滤波和抽样然后通过a d 或v 伊变换将信号交换成数字比特 流d s p 系统的主要任务是将前向输入通道的信号按照一定的算法进行处理。然后将输出的结果以 数据流的形式输出给后向通道此外。大多数系统还有通信( 串行通信、并行通信) 、人机接口等部 分，系统还可以通过c o m p a c rp c ! 、p c i ，i s a 、v 等总线插在计算机上工作，还可以通过现场 簋线将整个系统作为整个现场系统的一个节点【q 本数据采集卡也属于d 卵应用系统的一种，其框图如图2 - 1 所示 圈2 - 1 数据采集卡原理框圈 振动信号通过传巷嚣转换为电信号，然后通过扰混漳波后到达a d 转换嚣件。根据香农抽样定 理，为保持信息不丢失，采样频率至少必须是输入带限信号最小频率的两倍，所以抗混滤波要保证 不能丢失信号的有效信息滤波后的信号通过a d 转换后变成数字信号，送入璐p 处理器进行处理。 8 第2 章数据采集卡的总体设计 同时通过转速传感器得到的转速脉冲信号，经过调整后也送入d s p 处理器为了给d s p 的正常运行 提供足够的空问。还需要为d s p 系统配置程序臌据存储器，用于存储程序和数据整个采集系统通 过p a 总线连接到p c i 总线计算机上，用于和上位机交换数据，上传采集判的数据，下传各种配置 信息和控镧指令同时该采集卡还具有羲字量的输出功缝。用于拉错些开关设备 2 2 1 o 模块的选型 1 ) 确定系统所测信号的最高频率小于2 0 k 3 l z 为了满足要求我们选择信号的最高频率为2 0 , a - i z 则根据香农定理：为了很好的恢复原来的 信号，在进行信号数字化的时候就要求采样时钟的频率至少应为信号本身所包含的最高频率的两倍 为保险起见，我们确定采样频率五为信号最高频率厶的2 _ 5 倍，剥采样频率至少为5 0 i 田 z 根据 这个指标我们初步选择模数转换嚣的产品为a d 公司的a f 7 8 岱这种产品 2 ) a d 髑6 5 的主要技术指标： 。 四路同步采集分时转换输入 。d 转换嚣的位数：1 4 位 自带采样保持器 。 采样保持时问了k - - - - 0 3 5 微秒；每通道转换时间- - - - 2 4 徽秒；孔径抖动又叫孔径不确 定性( 度) ，- 卯归孔径时间，又称孔径延迟珞一2 0 哪 d 转换嚣的输入模拟电压采用双极性，量程为- s v 5 v ，引脚供电电压为3 3 y 3 ) 验证 输入模拟信号的最高频率t 厶一而1 磊焉1 丽f - 1 9 4 2 8 眺 采样保持器的动作时甸( + + 瓦e ) 小于0 4 徽秒，则数据采集系统的采样频率兀可 达到： ，j 三一j l 1 d o k i - i z ，5。4xtc+t,c+t,u+t厨。96+04-11 输入模拟信号的最高频率： 厶- 2 0 k l - l z 墨1 9 4 2 8 0 h z 系统的采样频率： 兀- 1 0 0 f f z 5 0 o z 所以，选择a d 7 8 0 5 可以满足系统的要求“ 东南大学磺士学位论文 2 2 2d s p 的选型 p a 总线采集卡不仅要完成采集和数撂交换的控翻，还耍对采集刭的数据进行初步的处理，提 取特征量，对板载处理嚣要求较高，因此考虑使用弹 美国德州仪器公司( 田，1 娃撼h 柚m 衄b ) 白1 9 8 2 年以来先后成功地推出了t m s 3 2 0 系列的 d s p 芯片该系列d s p 的体系结构是专为实时信号处理而设计的，集成了片内存储器和丰富的外设， 其市场占有率达到加以上在1 1 公司的t m s 3 2 0 d s p 系列产品中。c 2 0 0 0 、c 5 0 0 0 和c 6 0 0 0 是该 公司推出的新一代高性能d s p 系列产品 1 f l 公司t 述三种产品的主要特点和应用如下： 。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列具有较高的性能，专门针对数字控制系统应用进行了优化设计，特别适 用于数字控制颁域，因而广泛应用于自动化、电机控制，家用电器和消费电子等领域 t m s 3 2 0 c 5 0 系列是为实现低功耗、高性能而专门设计的定点d s p 芯片，主要应用在无 线通信、新一代p d a ，同络电话、便拐式信息系统等要求高性能、低功耗、小尺寸的应用 系统中 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列追求更高的性能，其出色的运算能力，高效的指令集、智能化的外设、 大容量的片内存储器和大范围的寻址能力。特别适合于对运算能力和存储量有高要求的应 用场合，因此广泛应用于通信领域，当然其价格也是最高的嗍 根据以上分析，绿台系统性能要求以及成本方面的考虑，我们选用c 5 0 0 0 系列中高性能低功耗 的啊唾鬣髓m ，c ”1 叭 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 a 是1 r i 公司推出的新一代定点数字信号处理器a - 4 x 系列中的一种箕体系结 构采用先进的修正哈佛结构，程序空间与数据空阃是独立的两块存储空间，内部具有8 条高度并行 性的总线片上集成有在片的存储器和在片外设以及专门用途的硬件逻辑，弗配备有功能强大的指 令系统，使得该芯片具有很高的处理速度和广泛的应用适用性再加上采用模块化设计以及先进的 集成电路技术，芯片的功耗小、成本怔，自推出以来已广泛地应用于诸如移动通信，计算机网络以 及专门用途的实时嵌入系统和仪嚣中 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 a 具有以下特点# 1 2 0 m h z 1 6 0 m h z 的工作频率 。 先进的多总线结构，具有3 条1 6 位的数据总线和1 条程序总线 。 柏位的算术逻辑单元包括一个4 0 位的桶形移位寄存器和两个独立的4 0 位加法器 。 具有1 7 x 1 7 位并行乘法器 。 用于维特比译码的比较、选择、存储单元( c 脚) 8 1 6 位增强型主机接口( 删) 酗k 1 6 位的片上d a r p 1 6 x 1 6 位的片上r 饵 增强登外部并口( x i ) 2 3 位的程序空间地址总线，最大支持判删程序扩展空问 1 0 第2 章数据采集卡的息体设计 一个片上1 6 位定时嚣 6 通道d 姒控制器 3 个多通道缓冲串口c 醛p s ) 内核电压支持1 5 v ( 1 2 0 1 l i p s ) 1 6 v ( 1 f 治l l p s ) 低电压l u , - r r l 2 2 3p c i 总线接口方法的选择 p a 总线复杂的总线逻辑和电气规范使人们不太可能像开发1 s a 总线控制卡那样通过简单的逻 辑就可以实现计算机与外围设备的接口。在设计p c ! 扩展板时需要有接口芯片负责与i c i 总线连接， 然后由接口芯片的本地总线与接口板的逻辑连接h 目前开发f c i 接口有两种方法：一种是采用可编程器件实现p a 总线接口可以根据实际需要 灵活地实现规范中的某些功能设计者必须深入理解i c i 总线协议的细节，同时还需一定可编程逻 辑设计的功底以及扎实电路设计基础，设计过程需要傲大量的逻辑验证和时序分析工作，开发周期 较长、不易实现许多可编程逻辑器件生产厂商都提供经过严格测试的，针对各自产品的经过优化 的口核，如* * x i l n x 公司的h i g i o c o 砩，a l t e r a 公司的a m p p ( a t , t e r a m e g a f u c t i o n p a m m r s p r o s m a ) 等另一种是采用专用的p c i 接口芯片。目前已有多家公司提供i c i 接口芯片，应用较为普遍的有 a m o c 公司的s 5 9 、$ 5 9 3 3 ，f i x 公司的p c i 9 0 5 2 、p c i 9 0 5 4 、p c i 9 ( 姆0 t i 公司专门推出了针对 i c i 总线和d s p 接口的芯片f c l 2 0 4 0 等专用芯片可以实现完整的i c i 主控模块和且标模块的接口 功能，将i c i 总线协议转换为较为简单的本地总线，设计者无需掌握复杂i c i 总线协，只需按照接 口芯片的本地总线接口协议设计外围电路即可进行扩展卡的设计开发这样，用户可以集中精力于 应用设计，丽不是调试p c ! 总线接口，明显的缩短了开发周期t 堋 在本采集卡的设计中，p c i 接口芯片选用1 r i 公司的1 c 1 2 0 4 0 。i c 1 2 0 4 0 可以实现8 位l - n ! 接口 的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列与高性能的p a 总线之问的无缝连接的d s f - p c i 桥 ! c 1 2 0 4 0 符合p a 局部总线2 2 规范，能够方便地实现p c ! 总线与删s 3 2 0 c ：5 4 x 或【d 趼的 e i p i 端口的无缝连接一片i c 1 2 0 4 0 最多可连接4 片d 酣! c 1 2 0 4 0 能够兼容3 3 v 和5 3 信号环境 p c i 2 0 4 0 只能作为p c ! 目标设备使用，不能作为i f c ! 主设备使用1 1 叫 ! c 1 2 0 4 0 内部结构框图如图2 - 2 所示【2 ” 1 f l - 1 2 0 4 0 提供了几个外部接口： p c i 总线接口：! c 1 2 0 4