（机械制造及其自动化专业论文）手持式振动测试系统的开发.pdf

摘要 手持式振动测试系统的开发 研究生姓名；龚松青 导师姓名：许飞云教授 学校名称：东南大学 振动测试是保障状态监测与故障诊断技术成功实施的前提，对之开展研究具有重要的实际意 义和应用前景。本文针对原有手持式振动测试系统的不足，重新设计了硬件电路，并在此硬件电 路的基础上编写了相应的振动测试和f f r 分析软件。 在硬件设计方面，首先，针对手持式振动铡试系统数据传输问题，采用c y p r e s s 公司内嵌 单片微控制器及u s b 2 0 接1 2 1 的c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片构建了单片机+ d s p 的主从式数据采集结构，充 分发挥d s p 强大的数据处理能力以及微控制器人机接口和数据通信的优势，实现了振动信号的高 速实时分析和手持式振动测试系统与计算机之间的高速数据传输；其次，设计了c p l d 程序，实 现了a d 采样脉冲的产生、抗混滤波频率设置、i o 及存储器端口译码等：最后，设计了相关外 围辅助电路，包括镍塌电池充电电路、改进的信号调理电路、l c d 显示电路等。 在系统软件开发方面，首先，应用d r i v e r s t u d i o 驱动程序开发工具设计了w i n d o w s2 0 0 0 x p 环境下的u s b 设备驱动程序并在e z - u s b 固件框架基础上编写固件程序，同时详细分析了 c y 7 c 6 8 0 1 3 同t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 数据传输时序，实现了手持式振动测试系统对主机请求的快速响 应、微控制器对d s p 内部r a m 读写、液晶界面显示、键盘译码等 其次，设计了d s p 数据采集 及分析程序，实现了4 通道振动信号的同步整周期采集、与微控制器间的高速数据传输以及实时 频谱分析。 对标准的信号发生器信号以及齿轮箱试验台振动信号的采集和分析表明本文所设计的手持式 振动测试系统满足设计要求。 关键词：振动，c y 7 c 6 8 0 1 3 ，u s b 2 0 ，设备驱动，液晶显示 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fah a n d h e l dv i b r a t i o nm e a s u r i n gs y s t e m b yg o n gs o n g - q i n g s u p e r v i s e db yp r o f x uf e i y u n s o u t h s tu n i v e r s i 可 v i b r a t i o nt e s t i n gi st h er e q u i s i t eo ft h es u c c e s s f u lp e r f o r m a n c eo fs t a t em o n i t o r i n g a n df a i l u r e sd i a g n o s i n g ，r e s e a r c h e so nw h i c hh a v ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t oo v e r c o m e t h ew e a k n e s so ft h eo r i g i n a lh a n d h e l dv i b r a t i o nt e s t i n gs y s t e m ，am e t h o dt or e d e s i g n t h eh a r d w a r eo ft h ee x i s t i n gh a n d h e l dv i b r a t i o nt e s t i n gs y s t e mi si n t r o d u c e di nt h ep a p e r , a n db a s e do nt h er e - d e s i g n e dh a r d w a r ec i r c u i tt h ec o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nt e s t i n g s o f t w a r ea n df f ta n a l y s i ss o f t w a r ea r ep r o g r a m m e d t ot h e l a r d w a r ec i r c u i td e s i g n i n g a i m i n ga tt h ed a t at r a n s m i s s i o np r o b l e m so ft h e h a n d h e l dv i b r a t i o nt e s t i n g s y s t e m 。a m a s t e r s l a v ed a t a c o l l e c t i o ns t r u c t u r ei s c o n s t r u c t e db yu s i n gc y p r e s s e m b e d d e ds i n g l e c h i pm i c r o c o n t r o l l e rc y 7 c 6 8 0 1 3a n dd s p ， w h i c hc a nt a k ef u l la d v a n t a g e so ft h ed a t ap r o c e s s i n ga b i l i t yo fd s pa n dt h eh u m a n c o m p u t e r i n t e r f a e ea n dd a t a t r a n s m i s s i o na b i l i t i e so fs i n g l e c h i pm i c r o c o n t r 0 1 l e rs ot h a ta r e a l t i m ea n a l y s i sa n d t h eh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nh a n d h e l dv i b r a t i o n t e s t i n gs y s t e ma n dc o m p u t e r sc a nb er e a l i z e d b e s i d e s c p l dp r o g r a mi sg i v e nt or e a l i z e t h eg e n e r a t i o no fa ds a m p l i n gp u l s e ，a n t i - a l i a s i n gf i l t e rc l o c k ，i od e c o d ea n dm e m o r y i n t e r f a c e f i n a l l y ，s o m er e l a t e dp e r i p h e r a la s s i s t i n gc i r c u i t sa r ed e s i g n e di n c l u d i n g 姗一n i c a d m i u mb a t t e r yc h a r g i n gc i r c u i t ， i m p r o v e ds i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，a n dl c d d i s p l a y i n gc i r c u i te t c t ot h es o f t w a r ed e s i g n i n go ft h es y s t e m ，t h eu s bd r i v e ri nt h ew i n d o w2 0 0 0 x pi s p r o g r a m m e df i r s t l yb ya p p l y i n gd r i v e r s t u d i o t h ef i r m w a r ep r o g r a mi sw r i t t e ni nt h ee z u s b f i r m w a r ef r a m e w o r k ，m e a n w h i l e ，t h et i m e s e q u e n c eo ft h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e n c y 7 c 6 8 0 1 3a n dn i s 3 2 0 v c 5 4 0 2i sa n a l y z e di nd e t a i l b a s e dt h ea b o r ew o r k s t h eh a n d h e l d v i b r a t i o nt e s t i n gs y s t e mc a ng i v eq u i c kr e s p o n s et ot h eh o s t sr e q u e s t s ，r e a da n dw r i t e r a m i n s i d ed s p , d ol c dd i s p l a y i n g ，k e y b o a r dd e c o d i n g ，a n ds oo n s e c o n d l y 。d s pd a t a c o l l e c t i o na n da n a l y z i n gp r o g r a m sa r ed e s i g n e d ，w h i c hc a na c q u i r et h e4 - c h a n n e lv i b r a t i o n s i g n a l si nt h em a n n e ro fs y n c h r o n i z a t i o na n df u l l c y c l ec o l l e c t i o n ，r e a l i z eh i g h s p e e d d a t at r a n s m i s s i o na n dr e a l t i m es p e c t r u ma n a l y s i s t h ec o l l e c t i o na n da n a l y s i so fs i g n a l sf r o mt h es t a n d a r ds i g n a lg e n e r a t o ra n d v i b r a t i o ns i g n a l sf r o mt h ee x p e r i m e n te q u i p m e n ti e t h eg e a rb o xa r eg i v e n ，t h rr e s u l t s s h o wt h a tt h ed e s i g n e dh a n d h e l dv i b r a t i o nt e s t i n gs y s t e mm e e t st h ed e m a n d s k e yw o r d s ：v i b r a t i o n ，c y 7 c 6 8 0 1 3 ，u s b 2 0 。d e v i c ed r i v e r ，l c d 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。 研究生签名：i 芝啦日 期：五鹕 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。除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：摩盔丛鸯导师签名：型弛日期：巳 j | 一钐 第1 章绪论 1 1 课题意义 第1 章绪论 在现代化工业生产中，机械设备正朝大型化、系统化、高速化、复杂化和大功率方向发展。由 于系统高度的复杂化和系统化，设备之间的关联程度越来越高，一个小零件出现故障就会对整个系 统造成巨大影响。如果某台设备出现故障而又未能及时发现和排除的话，其结果不仅会导致设备本 身损坏，造成巨大的经济损失，甚至可能造成机毁人亡的严重后果。例如，1 9 7 3 年美国三里岛核 电站堆芯损坏事故；1 9 8 3 年美国航天飞机“挑战者号”的坠毁；1 9 8 4 年印度博帕尔市农药厂异氰酸 钾毒气外泄事故：1 9 8 6 年前苏联切诺贝利核电站泄漏事故；1 9 8 6 年欧洲莱茵河瑞士化学工业污染事 故等等，都是设备故障造成的震惊世界的恶性事故。国内，1 9 8 2 年江苏某化肥厂合成氨压缩机组发 生强烈振动，三次停机，损失达千万元以上；1 9 9 5 年山西某电厂一台2 0 万千瓦汽轮发电机组毁坏， 直接损失达千万元。据统计，重要设备因事故停机造成的损失极为严重：一个乙烯球罐停产一天， 损失产值5 0 0 万元，利润2 0 0 万元；一台大型化纤设备停产i 小时，损失8 0 万元。英国有人在1 9 8 4 年 发表论文认为，对大型汽轮发电机组进行振动监测，获利与投资比为1 7 ：1 ，在英国的西南部地区， 每台发电机组如减少2 5 的事故与检修损失，每年获利可达到5 5 亿英镑。这表明采用设备诊断技 术，保证设备可靠而有效的运行是极为重要的“1 1 。 故障诊断技术是现代化生产发展的产物，早在2 0 世纪6 0 年代末，美国国家宇航局( n a s a ) 就创 立了美国机械故障预防小组m f p g ( m a c h i n e r yf a u l tp r e v e n t i o ng r o u p ) 。其后，由于诊断技术应 用所产生的巨大经济效益，从而得到迅速的发展。如美国b e c h t e l 电力公司开发了火电厂机械设备 诊断用的专家系统( s c 0 p e ，1 9 8 7 ) ；在欧洲，英国在1 9 7 1 年成立了机械保健中心( m e c h a n i c a lh e a l t h m o n i t o r i n gc e n t e r ) ，促进了各类机械工厂机械设备性能检测和维修水平的提高；在亚洲，日本 针对汽轮发电机组寿命监测和故障诊断进行了很多研究，如1 9 8 7 年东芝电气公司开发了大功率汽轮 机轴诊断系统，2 0 世纪9 0 年代又开发了机器寿命诊断的专家系统。 我国的故障诊断技术的研究起步较晚，大致可分为三个阶段。第一阶段，2 0 世纪7 0 年代后期。 从国外引入一些检测仪器，如本特利( b e n t l y ) 公司和飞利浦公司产品( p h i l i p s ) 公司的系列产 品。这些仪器只有简单的读数而无分析功能。现场实时检测时还需依靠工人的经验，凭眼看、手摸、 耳听监视设备的运行状态是否正常，技术人员凭值班记录分析设备运行的规律。第二个阶段，2 0 世纪8 0 年代中至9 0 年代末。这是我国故障诊断技术研究和系统研制快速发展的时期，许多工厂已经 不满足只有读数功能而没有分析功能的表盘，注意到引进监测仪表的同时引进相应得软硬件分析装 置。第三阶段，2 l 世纪以来。这个阶段主要是进行理论研究，解决在前一段理论和实践过程中遗留 的问题。 在机械运行过程中，信号是反映设备运行状态的信息载体。采用适当的检测方法，真实、充分、 实时地检测到足够数量并能客观反映设备运行情况的状态变量，是判别工况状态的重要条件和诊断 成功的前提，也是故障诊断技术中不可或缺的环节。在机器运转的过程中，能反映出系统的很多 信息，但不是每种信息都对工矿监控有积极的意义。要选择那些能实时采集的、且能敏感的反应工 东南大学硕士学位论文 况状态变化的信息。机械在运行的过程中振动是诊断的重要信息，它反映了系统的状态”。目前大 部分状态监测与故障诊断系统都是根据系统的振动信号作为分析系统是否正常运行的依据，振动测 试已成为保障状态监测与故障诊断技术成功实施的前提，对之开展研究具有重要的实际意义和应用 前景。 1 2 便携式振动信号分析仪器的发展 随着振动测试技术和芯片技术的不断发展，振动测试仪器技术也日趋成熟。振动测试通常包 括振动的位移、速度、加速度，噪声的声压、声强，以及激振力的测量，这些参数通常称为动态 参数。动态测量是由传感器测得这些非电物理量并转换为电信号，然后经过放大、滤波等适调环 节，并对测量结果进行记录、分析、显示的全过程“。 在机械设备测量领域，便携式振动测试分析仪凭借其轻巧方便，适用范围广，灵活性高，测 量对象多的特点得到广泛的应用。目前国内# b t b 现了不少此类产品。如表1 1 所示： 表1 1 便携式测试仪器产品一览表 厂型号测量振幅范围频率范围接口类型显示 日v m - 6 3 a加速度0 1 1 9 9 9 m s 2加速度；1 0 1 k h z无l c d 太 速度o 叭1 9 9 9 c m $速度：1 0 i k h z数字显示 理位移0 0 0 1 1 9 9 9 m m位移：1 0 i k h z 音 1 0加速度0 3 1 6 m s 2r s - 2 3 2 cl c d 公速度0 1 0 0 0 m m s波形显示 司 位移o 2 8 3 m m 、r a 1 1 c 加速度：0 0 2 3 1 6 m s 2加速度：3 h z 2 0 k h zr s 2 3 2 cl c d 波形 速度：o 1 1 0 0 0 m m s速度：3 h z 3 k h z显示 位移：0 0 0 3 2 8 3 m m位移：3 t - i z 5 0 0 h z s a 7 70 0 0 3 1 6 1 0 0 v r m s0 5 h z 5 0 k h zr s 一2 3 2 cl c d 波形 显示 伊 e m t 2 2 0加速度：0 1 1 9 9 9 m s 2加速度：5 或1 0 i k h z 无l c d 数字 麦 a n 速度：0 0 1 1 9 9 9 c m s i k 1 5 l m z 特 位移：o 0 0 1 1 9 9 9 n a n速度：5 或l o i k h z 位移：5 或l o i k h z 时 t v l l o 加速度：0 1 1 9 9 9 m s 2 加速度：1 0 5 0 0 h z 、无 l c d 数字 代速度：0 0 1 1 9 9 9 c m s l o h z l z 、1 0 h z 位移：o o o l 1 9 9 9 m m 1 0 k h z 速度：1 0 5 0 0 h z 1 0 h z 1 k h z 位移：1 0 h z 5 0 0 h z 2 第1 章绪论 t v 3 0 0 加速度；o 1 3 9 2 m s 加速度：1 0 h z 无l c d 波形 速度：o 0 1 8 0 c m s 2 0 0 h z1 0 h z 5 0 0 h z 显示 位移：0 0 0 1 1 8 1 m m 1 0 h z l k h z1 0 h z 1 0 k h z 速度：1 0 h z i k h z 位移：1 0 h z 5 0 0 h z 台 g t 3 3 3 7 位移档量测0 1 9 9 9 a m ( 1 0 _ 1 0 k h z ) 士3 r s 2 3 2l c d 数字 湾 速度档量测0 0 显示 g 1 9 9 9 n 1 1 1 1 $ t加速度档量测o 0 0 e 1 9 9 9 9 c h 东z x p c 6 2 位移0 1 0 0 0 0 m 位移档：1 2 2 0 0 1 - i z无l c d 数字 大速度肚7 1 m m $速度档：1 2 2 0 0 h z显示 测z x p c 6 3 加速度0 - 1 9 9 9 m s 2加速度：1 0 h z 无l c d 数字 试 速度0 - 1 9 9 9 c m s1 0 0 0 h z 速度：显示 仪 位移o - 1 9 9 9 m m 1 0 h z 5 0 0 h z 位 器 移：1 0 h z 5 0 0 h z 厂 一 尿 h g 2 5 0 6 加速度：0 1 1 9 9 9 m s 2频率下限：1 0无 l c d 数字 航速度：0 0 1 1 9 9 9 c m s频率上限：i k 或1 0 k 位移：0 0 0 1 1 9 9 9 m m 可选 从表1 1 可以看山国内的振动测试仪器大部分功能还比较单一，而且很多仪器只具备数字显 示的功能。而国外的产品性能虽然比较优越，但价格却般比较昂贵。而且从上表还可以看到， 目前的便携式产品大多采用的还是r s 2 3 2 接口或者无传输接口。 虽然r s 2 3 2 在工业上应用较广，数据传输稳定，但它的传输速度慢，无法满足时间要求严格 的应用场合。而当前u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，即通用串行总线技术以其使用方便、传输速度 高等特点得到广泛的应用。 u s b 是由c o m p a q 、d 硒t a le o u i p - m c n t 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 以及n o r t h e r nt e l e c o m 7 家公司共同研发的一种新的外设连接技术。u s b 物理互连是一个分层的星形拓补结构，如图1 1 所示。集线器在每个星形的中心，每段线路都是主机与集线器或功能设备，或者集线器与另一个 集线器功能设备之间点对点的连结。由于集线器和电缆的传播时间有定时限制，允许的最大层数 是7 层，且第七层只能连结功能设备【4 】。随着u s b 技术的不断发展，2 0 0 4 年4 月发布了u s b 2 0 协议。u s b 2 0 是版本更新的一大进步，它加入了许多高速传输的特性支持。u s b 设备具有如下 几个特点： 使用方便。使用u s b 接口可以连接多个不同设备，支持热拔插；在软件方面。为u s b 设计驱动程序和应用软件可自动启动，无需用户干预。u s b 设备也不涉及i r q 冲突等问 题，它单独使用自己的保留中断，不会与其他设备争用p c 机有限的资源，为用户省去 了硬件配置的烦恼，真实实现了“即插即用”。除此之外，u s b 接口还支持多个不同设 3 东南大学硕十学位论文 各的串行连接，一个u s b 接口理论上可以支持1 2 7 个u s b 设备的连接。u s b 设备有两 种连接方式，一种是直接接到主机，另一种是u s b 设备先连接到集线器( h u b ) ，然后 在把集线器连接到主机上。 传输速度高。新的u s b 2 0 协议支持三种速度，分别为低速1 5 m b s 、全速1 2 m b s 和高 速4 8 0 m b s 。由于u s b 2 0 的协议比较新，所以比较旧的p c 主板可能不支持高速模式， 但都支持低速和全速模式。 独立供电。大多数的接1 7 1 都需要单独的供电系统，而u s b 设备不需要，因为u s b 接口 可以向设备提供5 v 的电源。 图1 - 1u s b 总线的拓补结构 目前的u s b 2 0 协议支持的传输速度达到4 8 0 m b s ，可以满足实时传输的要求。+ 1 3 本文研究内容 本论文针对原有系统供电电路、u s b 数据传输等的不足重新设计了硬件电路，并在此基础上 编制相应的振动测试、u s b 数据传输以及f f t 谱分析软件。 论文内容主要分为两部分。一是硬件电路设计，包括： 1 供电电路。增加氢镍，镉电池充电电路，并根据新系统的电源要求对直流电源转换部分进 行了设计。 2 u s b 接口电路。原系统采用8 9 ( 2 5 1 单片机外加u s b i 1 控制芯片的方式实现u s b 接1 2 1 ， 新系统采用c y p r e s s 公司内嵌增强型8 0 5 1 单片机内核和u s b 2 0 接1 2 1 的c y 7 c 6 8 0 1 3 单片机， 以简化系统结构，提高数据传输效率- 3 液晶显示电路。更换了液晶显示模块及其外围电路。 4 第1 章绪论 4 信号调理。增加振动信号程控放大功能，扩展了振动测试范围。 二是软件编写。包括； 1 基于c y 7 c 6 8 0 1 3 单片机的u s b 2 0 固件设计。实现通过u s b 接口响应主机的控制命令、 与d s p 和主机进行数据交换、设置与读取系统时钟以及液晶显示。 2 主机端u s b 设备驱动与应用程序设计。以实现计算机与手持式振动测试系统的通信，包 括下载u s b 固件程序、下载d s p 软件、获取手持式振动测试系统采集的振动数据并保 存到计算机上等。 3 d s p 的软件设计。实现振动信号采集并对其进行分析以及与c y 7 c 6 8 0 1 3 的数据交换。 4 手持式振动系统c p l d 程序设计。包括a d 采样脉冲的产生、抗混滤波频率设置、i o 及存储器端口译码等。 5 东南大学硕士学位论文 第2 章手持式振动测试系统硬件设计 2 1 系统总体结构 2 1 1 手持式系统整体设计 ( 1 ) 键盘输入； ( 2 ) 1 通道转速信号输入； ( 3 ) 4 通道模拟信号输入： “) 串行接口和u s b 接口； ( 5 ) 3 2 0 x 2 4 0 像素的液晶显示： ( 6 ) 模拟信号输入范围：5 v + 5 v ； ( 7 ) 1 m 字节s p i 接口非易失性数据闪存； ( 8 ) 2 5 6 k 字程序f l a s h ，1 2 8 k 程序r a m ，1 2 8 k 字数据r a m ； ( 9 ) 1 4 位a d 转换，4 通道模拟信号同步采样，最高采样频率每通道7 5 k h z 。 2 1 2 系统的功能 测量振动信号的加速度、速度、位移及转速信号。4 通道模拟信号输入，1 通道转速信号输入。 这是系统信号输入的接1 3 部分，它为系统提供了所需要的原始信号； 抗混滤波。原始信号在进入模数转换器( a d c ) 之前，需要去除一些噪声信号，以提高系统的 精度； 信号放大倍数可选。根据传感器的不同，交流信号的放大倍数可以选择l 倍、l o 倍和1 0 0 倍 放大。 八位可编程时钟信号输出。根据不同的采集信号可采用不同的抗混滤波频率，从而使系统达到 最理想的采集效果； 强大的存储功能：1 m 字节的非易失性数据闪存( f l a s h ) ，用于存储采集的原始数据： 键盘输入。便于使用者自主进行各种操作； 液晶显示器( l c d ) 输出。用于显示各种控制输入以及系统对采集数据处理的结果，包括时域 波形、频谱以及各种特征量等； 电池充电功能。当采用氢镍，镉电池时，系统可以对其进行充电； 体积小，功耗低，便于随身携带； 6 第2 章手持式振动测试系统硬件设计 2 1 3 系统的技术指标 ( 1 ) 测量范围： 加速度：o 0 2 2 0 0m s 速度：0 3 1 0 0 0m m s 位移：0 0 0 卜。1 0 0 m ( 2 ) 频率范围： 加速度：3 h z 1 k h z ，3 h z 5 k h z ，1 h z l o o h z ，3 1 i z 2 0 k h z 速度：1 0 h z l k h z ，3 h z i k h z 位移：1 0 h z 5 0 0 h z ，3 h z 5 0 0 h z ( 3 ) 使用温度范围：0 4 5 ( 4 ) 显示：文字以及波形图显示 ( 5 ) 内存：可存储1 m 字节数据 ( 6 ) 接口：r s 2 3 2 串口及u s b 2 0 口 ( 7 ) 电源：3 节氢镍镉电池供电 ( 8 ) 尺寸：1 5 9 ( w ) x 2 0 1 ( h ) x 2 8 ( d ) m m 2 1 4 原有手持式振动测试系统总体介绍 原有的手持式振动测试系统由电池供电，可支持4 通道模拟信号输入和1 通道转速信号输入， 它的硬件结构原理图如图2 - 1 所示。4 通道模拟信号进入系统后，系统的信号调理电路对这4 通 道信号进行交直流分离，然后系统通过一个开关芯片控制交直流信号的选通。信号调理完后，系 统在数字信号处理器( d s p ) 的控制下对调理完后的信号进行模数转换，并对模数转换后的信号 进行采集。数字信号处理器采集到的信号可以保存在非易失性存储器中，也可以通过与单片机通 信把信号显示到液晶屏幕上，也可以通过r s 2 3 2 和u s b 接口把信号存储在主机上。除此之外， 7 东南大学硕士学位论文 数字信号处理器也可以对采集到的信号进行处理，如进行快速傅里叶变换( f f t ) 等。 原有手持式振动测试系统的软件分为两大部分，这两大部分分别为d s p 软件设计和单片机的 软件设计。d s p 的软件共分为以下几个部分：键盘译码、f f t 变换、r s 2 3 2 接口、u s b 接口和 a d 采样。单片机的软件分为如下几个部分：液晶显示、与d s p 通信和读写时钟 原有手持式振动测试系统的不足： ( 1 ) 系统由电池供电，系统却不含充电电路，不利于用户使用。 ( 2 ) 系统的信号调理电路交流信号放大倍数固定，可能影响采样精度。原有系统的信号调理 电路如 三丑t 三肛 4 通道模拟信号ll 叫 4 通道 c 或d c 信号 i一竺竺r l 厂= 二_ i 1 j 图2 - 2原有手持式振动测试系通信号调理电路 图2 - 2 所示，从图中可以看出原有手持式振动测试系统交流信号放大倍数在一阶高通滤波和一阶 低通滤波电路中固化了，而不同传感器输入的信号强度不同，这样会间接影响到采样的精度。 ( 3 ) 系统的u s b 接口只支持u s b i 1 协议，速度比较慢。原有系统采用的是p d i u s b d l 2 作为u s b 接口芯片，该芯片不含控制器，它只支持u s b l 1 协议。 ( 4 ) 系统的液晶接口电路比较复杂。原有系统的液晶用的是大连东方显示器材有限公司的 e d m 3 2 0 2 4 0 a 型号的产品，它有3 4 根接口线，而且因为单片机选用的是普通单片机，所以在单 片机和液晶之间还加了一块锁存器芯片。 ( 5 ) d s p 外围接口太多，容易浪费c p u 资源。因为d s p 的工作频率为1 0 0 m h z ，而外围接 口设备的速度相对要忙的多，当c p u 与外部设备通信的时候，很多时间都浪费在等待上。 2 2 新系统硬件部分概述 针原有手持式振动测试系统的不足，新的手持式振动测试系统硬件原理图如图2 - 3 所示。 8 第2 章手持式振动测试系统硬件设计 电源系统 -jj i 片嚣引回臣司 传 模拟信号处lt1 感 理 l | f h p t 一f 竺些至 器 - “ 酋皆蜘 h 嘲l 邢一剃机一忙匦 s 2 3 2 i u s b p c 机 图2 3 振动测试系统硬件结构原理图 同原有系统相比，新系统在硬件上有如下几方面优势： 增加了镍镉，镍氢充电电路，使系统使用起来更为方便。除此之外，它还为用户节约了电池成 本同时也有利于环保。 在信号调理过程中增加了个可编程放大芯片，它可以根据用户的需要对交流信号进行1 倍、 l o 倍和1 0 0 倍的放大。 采用支持u s b 2 0 协议的芯片代替原来支持u s b i 1 的接口芯片。目前开发u s b 接口的方案 大体上分为两种，一种是选用带控制器的u s b 接口芯片。这种方案的优点是总体面积小，接口电 路简单。但是也由于它自带控制器，如果该控制器结构与原有系统控制器结构不一样，就会导致 整个外围电路的重新设计。这类控制器有e z - u s b 系列的芯片等。另一种是选用不带控制器的接 口芯片，它只负责u s b 通信，需要另外接一个控制器控制。这类芯片有p h i l i p 公司生产的 p d i u s b l 2 、i s p l 5 8 1 等。采用这种芯片的好处是，它作为一个独立的模块添加到系统中，跟原有 系统的兼容性比较好。但该方案的缺点是接口比较复杂，占用面积大。考虑到手式产品面积小的 特点，本系统选择第一种方案，并选用了c y p r e s s 公司生产的c y 7 c 6 8 0 1 3 。 采用接口简单的液晶模块。这样可以节省p c b 板面积。 减少d s p 外围设备，把存储系统和键盘接入单片机。这样可以充分发挥d s p 的高速处理优 势。 2 3 系统硬件实现 2 3 1 供电电路 在系统电源设计方面，由于本系统为手持式设备，它对电源系统的要求较高，不仅需要满足 9 东南大学硕士学位论文 电压监测管理功能，还要满足持续不断的小型化和延长寿命的要求。密封镍锡镍氢蓄电池由于具 有电池效率高、循环寿命长、能量密度大、体小质轻、结构紧凑并且不需要维护等特点删，为此 本系统采用氢镍，镉充电电池供电，并且系统自带充电功能。在电源管理部分，本设计分为三个部 分：一是充电电路设计、二是电源软开关电路设计、三是电压转换电路设计。 ( 1 ) 充电电路设计 根据电池的充电性质，合理的充电是提高电池使用寿命的保证。本系统采用美国 b e n c h m a r q 公司的b q 2 0 0 2 简易镍镉镍氢集成电路，该电路可以对单个或多个镍镉，镍氢进行智 能化充电控制。 ；。 一强 a ；“r r r ! u 彳 l ：j ： ，k ，1 。1j 。j 十 _ 。 “4 4 一l i 二 ：f ； l挝 一i - t 蠢 fl ： | | “j t t j o - 一l i ， ：r ：l 车巨三# # 善鬻：；引- ： 辫 兜 - i 二p l 融= 瓤二婪皑阜睁i 嚣 - 卜裂：南嗣1 b 箨讣：1h 净h f - i ff ，f 卜*l ，卜一一r 上。曩u 4 矗i 一 l ：_ i 1l 一r 霹 ，：1ji 童 l - i 一 善1 ；l 肼、 4 “t + 霉徘m ， ： | + | 1 ，引： 蠢7 j 鳖 1 1 善 ， 上 一 ； hi 一l “l一一f 叶 一+ 。 竹i t 二羔 二 一” 。i - i + 扭 i 甚l ：= 争 盎 t ；( 1 等群蕞 繁 l l 。 ”： ；陪p 毛r。了 r 竹”nn f 西1 j h 二 ，? 世s - _ 墨耵1 1 窜p ； 1 ”? f ? 一 ”； l 睦再睡罚 2 ；【： 型。匪：+ 三二，三j “牛；一h 抖。 。j 。 ；：l - 睁纠千膏哥 n 一 ；j i 兰 闭并j 一，一j ， 6 竹- ，一 p - j 幻e ： _ ；r 1 。 _ # 。- 1 4 4 一- - i - - 一1 芟 享i 引j 一l一引_ 。一号。 j _ = _ ； 彗 磊 羔 捧 汗 捌： 耋兰 l il ：l 砉丰 + li ；5 - l ：i 图2 4 电池充电电路图 当系统接入充电电源或充电电池后，快速充电过程开始。充电开始后，b q 2 0 0 2 检测电池的电压 和温度，如果测到的电压值和温度值在快速充电极限以内，即b q 2 0 0 2 检测b a t 引脚的电压值小 于电池最高电压v m c r ( 2 v ) 充电器开始快速充电，此时u ! d 甥i 脚输出低电平，l e d 发光。在 充电的过程中，b q 2 0 0 2 一直检测b a t 引脚电压，加到b a t 引脚的电压是单个电池的电压。b q 2 0 0 2 具有负压( 一a v ) 检测功能，即当前所测得的b a t 引脚电压如果比以前任一次所测得的电压小 9 - - - 1 5 m v , 那么快速充电停止。本系统的电池充电电路如图2 4 所示，电阻r 7 7 、稳压管d 1 9 组成 稳压电路，输出的电源经c 6 8 电容滤波后给b q 2 0 0 2 供电。电阻r 7 5 、r 7 6 、r s 0 和三极管q 1 、 0 2 构成恒流源给电池快速充电提供稳定的电流。r 7 9 、r 8 1 作为电池电压采样的分压电阻。当电 池快速充电时，l e d 引脚输出低电平，l e d 灯亮；当电池涓流充电或不充电时，l e d 引脚输出 低电平，l e d 灯灭。 ( 2 ) 电源“软开关”设计 “软开关”指的是，开关闭合再断开后，系统仍然能够继续运行的一种装置。“软开关”电路 主要由芯片t c 5 4 和芯片m a x 6 0 3 控制。t c 5 4 是一个c m o s 电压检测芯片，因为它极低的工作 1 0 第2 章手持式振动测试系统硬件设计 电流( 1 u a ) 和小外形封装的特性使之特别适用于电池供电系统”o 。当t c 5 4 工作时，它检测输入 信号v m ，如果n 的电压值小于设定的电压值v 【m 那么v o u t 引脚输出低电平信号，否则v o u t 引脚输出高电平信号。h a x 6 0 3 是m a x i m 公司生产的低压差线性稳压器，具有预置5 v 可调两种输 出方式，其输出电流可达5 0 0 a a 。姒x 6 0 3 在5 v 5 0 0 m a 输出时的压差为3 2 0 m v ，在5 v 2 0 0 m a 输出时的压差为1 3 0 m y 。它的功耗很低，静态电流典型值为1 5 u a ，最大为3 5 u a ，关断模式下的最 大电流只有2 u a 。它的输入电压范围为2 7 v 1 1 5 v ，输出5 v 。当o f f 引脚为低电平时，输出 关闭。 j 二氆。譬0 ；。； 1 。； ， 。】；， 砑j 0 引k 吲薯沣；一 r ：一对蠢1 r 1 鼻 簪蓝雒繁薹兰矧：期日齄二曩二。4 器薄j 丁霉0 。疆丰 了一臻； 。：t - 4 ，s 一1 。 一 口b 。：5 ”+ 1 事。押 ， i 。， ； 。 i 。+ a 一 漆翮专 1j r i川1l 。： 一j c l t 。fj ；时肯卜t 一 嘹? ， ；盘i ； 14 4i ：z _ i ； ”一池：i ；。 ；一p ；u r ，| f 叠 帮鞭汗需一。：5 i 。 ， ，t ：i ；川一c ，o p ”+ j 。f 卜。i f f 十n i ：i ! o + 叫“；j ； + - 一 一 “一十u ，。，。= b d 一i _ - 一 - 一 一日- + 一 。如 i ： “；i i 3 7 tjr r = ”隧上 ( 1 ，： i， ， ；：! ； ，芎 一h ；! 。k l ：5 毒4 ”二扛卜，”三囊三王：二 j 一 一+ _ r 害” 卜 ； ； ；冀 辖 ； 一t l； f j ： 一卜 一 【 。t 。 图2 - 5“软开关”电路图 本系统的“软开关”电路图如图2 - 5 所示。当电源通电后，按下开关s 2 ，m a x 6 0 3 的o f f # 脚经 分压后为高电平，m a x 6 0 3 输出+ 5 v ，系统正常工作。系统通过软件设置p w r c t r l 信号为高电 平，这样当开关s 2 断开后，m a x 6 0 3 的# o f f 引脚还是保持高电平，m a x 6 0 3 持续输出5 v 电源。 当电池电压低于4 v 时，t c 5 4 输出低电平，l e d 发光，同时给c y 7 c 6 8 0 1 3 产生一中断，c y 7 c 6 8 0 1 3 使p w r c t r l 为低电平，m a x 6 0 3 输出0 v ，系统停止工作。 ( 3 ) 电压转换模块 由于电池电源输出的电压为5 v ，而本系统内部除了需要5 v 电压外，还有运放需要- 5 v 的电 压供电，传感器需要+ 2 4 v 的电压输入，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 与c y 7 c 6 8 0 1 3 需要3 3 v 的电压输入等， 所以需要增加一个电压转换模块。整个电源模块的功能如图2 - 6 所示：系统由电池供电，当电池 的输出电压大于4 v 时，电池输出的电压经电源转换芯片输出各种芯片所需要的电压。否则系统 通过软件控制系统断开电源。 图2 - 6 系统电源模块原理框图 一5 v + 3 3 v + 2 4 v 东南大学硕士学位论文 2 3 2 信号处理电路 系统的模拟部分电路主要包括：直流信号调理、交流信号调理、抗混滤波、模数转换以及转 速信号调理。其原理框图如图2 - 7 所示。它用于对常见的电涡流振动、磁电式振动速度、以及 压电式振动加速度传感器输出信号进行调理。 图2 - 7 模拟部分原理图框图 4 通道模拟信号由传感器输入后，分别利用一阶有源高通滤波与低通滤波实现输入信号的交 直流分离。由于原始信号分离后的交流信号比较微弱，所以必须对其进一步放大。本系统采用的 可以通过编程控制的放大芯片p g a l 0 3 它可以根据需要对输入信号进行1 倍、1 0 倍、1 0 0