（机械制造及其自动化专业论文）手持式振动测试系统的软件开发.pdf

摘要 手持式振动测试系统的软件开发 研究生姓名：肖飞 导师姓名：许飞云副教授 学校名称：东南大学 本论文是在已完成的手持式振动测试系统硬件基础之上进行软件部分的开发，实现对振动信号 的采集、处理以及系统与计算机之间的u s b 通信，并在系统的液晶显示器( l c d ) 上显示数据的时 域波形及其频谱。 首先，论文在t i 公司的定点数字信号处理器( d s p ) 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 上应用其汇编语言 与c 语言进行混合编程，编写了实输入序列的快速傅立叶变换( f f t ) 程序，并将其应用于信号的 频谱分析；同时对系统的信号采集部分进行完善，实现了信号的采集与处理。 其次，论文完成了d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 与u s b 控制芯片p d i u s b d l 2 之间的硬件接口时序设 计，实现了两者的时序配合；编写了d s p 端驱动p d i u s b d l 2 的固件程序，为实现手持式测试系统 与计算机之间的通用串行总线( u s b ) 数据传输奠定了基础。 最后，论文对手持式振动测试系统的人机接口功能进行了完善和改进，增加了一些按键的功能， 并对系统液晶显示器的操作界面进行了优化，从而使得手持式振动测试系统的操作界面更加美观、 友好、易于操作。 关键词：数字信号处理器，快速傅立叶变换，u s b ，固件 a b s t r a c t s o 脚a r ed 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 g s y s t e m b y x i a o f e i s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o f x uf e i y u n s o u t h e a s tu n i v e r s i 够 t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h ed s pb a s e dh a l l 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 mi si n t r o d u c e di nt h e p 印e r t h ev i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o na j l da n a l y s i s ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) c o m m u n i c a t i o n b e 似e e n t h es y s t e ma 1 1 dap e r s o n a lc o m p u t e ri sr e a l i z e d ，m o r e o v e rt h ew a v e f o ma 1 1 ds p e c t m mg r 印hd i s p l a yo nt h e l i q u i dc 巧s t a ld i s p l a y ( l c d ) i si n t e g r a t e dw i t ht h es o f h a r e f i r s t l y ，t h em i x e dp m g r 锄i nc & a s s e m b l yl a n g u a g ei sr e a l i z e do nt h et m s 3 2 0 v c 5 4 0 2o ft i s f i x e d - p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri nt h ep a p e r t h ef 如tf o u r i e rt r a l l s f o r m( f f t ) t or e a ls e q u e n c ei s r e a l i z e da n da p p l i e di n t ot h es p e c t r u ma n a l y s i s s e c o n d l y ，t h em a t c h i n go fi n t e r f a c et i m i n gb e t w e e nt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2a n dp d i u s b d 12i sd e s i g n e d a 1 1 dt h ef l r m w a r ep r o g r 锄m et op d i u s b d12d r i v e r e db yd s pi sc o m p i l e di nt h ep a p er i ti si m p o n a n t g r o u n dt ot h et r a n s m i s s i o nb e t w e e nah 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 ma n dap e r s o n a lc o m p u t e ri nt h e f b t l l r e f i n a l l y ，t h ei m p m v e m e n tt ot h ei m e r f a c eb e t w e e nm a na n dc o m p u t e ri sd o n ea n ds o m ek e y sw i t h c o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n sa r ei n c r e a s e do nt h es m a uk e y b o a r di nt h es y s t e m a tt h es 锄et i m et h ed i s p l a yi s o p t i m i z e do nl c d t h ei n t e r f a c eb e t v v e e nm a na n dc o m p u t e rb e c o m e sm o r ef r i e n d l ya n de a s yt oo p e r a t i o n k e y w o r d s ：d s p ，f f t ，u s b ，f i n l l w a r e i i 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： 萄玉 日期：之堕：兰之 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。 q 、， 研究生签名：墼塞导师签名：曰期：矽。f 土侈 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 随着工业生产日益系统化、高速化和自动化的发展，现代化的工业生产已逐渐形成了一个具有 整体性的生产链，如电力、石化、冶金以及柔性制造等系统，由于设备群体广泛耦合，其规模越来 越大，各生产环节之间的联系也越来越密切。所以，一旦其中的某一设备发生故障，将会引起整个 生产过程不能正常运行，从而造成巨大的经济损失，严重时将造成灾难性的设备损坏及人员伤亡。 近年来，国内外的设备事故时有发生，由于关键设备故障而造成的频繁停工损失和维修费用也在大 幅度上升。因此，人们对设备运行的安全性、可靠性和连续性提出了越来越高的要求，减少维修费 用和生产费用也正成为工业过程关注的焦点。与此同时，设备的状态监测与故障诊断技术受到了人 们的高度重视，并已发展成为一门综合性的交叉学科，亦取得了显著的经济效益和社会效益【lj 。 目前，许多现代大型连续生产设备或大型贵重的关键机械均装置了在线检测设备。利用该检测 设备检测各种不同的物理参数值来监视机械的工作状态，并从这些参数值的变化提取故障信号，从 而作出正确的判断。对这些信号的处理与分析属于信号处理的范畴，信号处理是与工程联系很紧密 的一门应用科学。在故障诊断中，对信号的处理也就是指从诊断信号中提取有用信息，进而来识别 机械设备的缺陷。因此，信号处理技术的发展对故障诊断准确程度的提高具有极其重要的意义j 。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 即数字信号处理器，它是在模拟信号转换成数字信号以后进行高 速实时处理的专用处理器。它的突出特色包括哈佛( h a n ，a r d ) 结构，流水线操作，独立的硬件乘法 器，零开销循环等。d s p 具有快速的运算速度和强大的数据处理能力，特别适合于数字信号处理的 场合，因而将d s p 应用于数据采集系统能够满足该系统对数据处理速度的要求【3 j 。 近几年d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 即数字信号处理技术在我国取得了越来越广泛的应用， d s p 技术仪器以其高速、高性能、高可靠性使得社会发展大趋势的信息高速公路成为现实。信息化 是以数字化为背景的，而数字信号处理技术则是数字化的最重要的基本技术之一。d s p 作为信号与 信息处理的一个分支学科，已有很长的发展历史，但它又是一个新兴的、极具活力的学科，活跃在 电子学、计算机、应用数学等学科的最前沿，渗透到科学研究、技术开发、工业生产及国防、国民 经济的各个领域，起着愈来愈重要的作用h j 。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 技术是自1 9 8 0 年串口和并口技术出现以来，最重要的计算机外设互 联标准之一，它追求的是外设的通用性。为了把外围设备连接到p c 机上，u s b 提供了一种低成本的 解决方案，设备连接后由u s b 自动检测，并且由软件自动配置，完成后即可使用，不需要用户干涉。 u s b 定义了一种简单的连接器，它可以用来连接任何一个u s b 设备，多个连接器可以通过u s b 集线 器连接，每个u s b 总线最多可以支持1 2 7 个外围设备的连接。总之，u s b 外设具有热插拔、即插即用、 易于扩展、高性能和造价低廉等优点，因而将其应用到手持式振动测试系统之中会使系统与p c 机之 间的数据传输更加方便快速，比传统的串行接口有明显的优势p j 。 然而，伴随着科学技术的日益进步与发展，人们对机械设备运行的安全性、可靠性及连续性的 要求不断提高，从而对振动测试的要求也在不断的提高，以至于使得目前的许多振动测试系统已经 不能够满足现场应用的要求。同时，由于机械设备测试诊断技术的发展，现有的振动测试系统，因 其速度慢、精度不高、体积大不便携带等诸多缺点，使之越来越不适应野外检测的需求1 6 书j 。 因此，综合上述考虑，我们实验室结合d s p 与u s b 技术各自的突出优点进行了基于d s p 的手 持式振动测试系统的研制与开发，并且已完成了该系统硬件部分的设计制作。所以，本论文的主要 工作就是在前面工作的基础之上，充分利用现有的硬件基础，进行系统的软件部分开发，对系统进 行进一步的完善。其中主要是运用d s p 技术完成对输入信号的采集，对输入信号进行分析处理，并 显示信号的特征值、时域和频域波形等，同时对该手持式振动测试系统与p c 机之间的u s b 通信的 软件部分进行了研究，进行了u s b 固件编程。这样可将从现场采集过来的数据通过u s b 数据线传 输到p c 机中，以便利用上位机的软件对数据做更进一步的处理，更重要的是该系统具有较大的存 储空间，可以存储大量的现场数据，为设备的故障诊断提供了可靠的数据源【9 。2 | 。 东南大学硕士学位论文 本系统适用于常规振动测量，特别是旋转机械中的振动测量。也可以广泛地应用于机械制造、 电力、冶金和车辆等诸多领域，其具有完善的信号检测能力，可以直接对转速以及常见的电涡流振 动位移、磁电式振动速度以及压电式振动加速度信号进行检测。同时，对常用的i c p 型压电式加速 度传感器，系统可提供内嵌的供电电源。 系统采用了性价比很高的定点d s p 芯片以及集成度非常高的c p l d 芯片，使得系统的数据处理 速度更快、体积更小；同时还提供u s b 接口与主机进行通信，这使得系统与主机之间的通信更快， 而且可以即插即用，克服了传统串口不能热插拔、使用不灵活的缺点。因此，本测试仪不仅满足了 故障测试分析仪发展的要求：高速、小型、手持、低功耗( 使用干电池供电) 、精度高，而且还可以 随身带出检查，尤其在野外的数据采集上。由于环境恶劣，大型仪器不方便搬运和使用，可采用这 种便携式数据采集仪将数据进行记录和存储，然后带回实验室进行分析和计算，这样可大大节约成 本和费用；另外与以单片机为核心的测试分析仪相比，功能进一步增强，运算速度显著提高。所以， 开发这样一套具有较高的性能价格比、具有特色并且实用的振动测试系统，无论是在经济上还是技 术上，都是具有积极的现实意义。 1 2 国内外的研究现状 随着电子技术和数字信号处理技术的迅猛发展，包括振动测试仪在内的仪器仪表工业正在经历 着一场新的革命。通过使用新的技术和新的理论，仪器仪表正朝着智能化方向发展。在振动测试仪 这一领域中，通过使用数字信号处理技术和最新的芯片技术设计出功能更强大，成本更低廉，体积 更小的智能仪器是振动测试仪发展的趋势。 一般地，对于要求不高的场合，测试系统通常以单片机来实现。比如像国内武汉水利电力大学 计算机系就研制的基于单片机8 0 c 1 9 8 的便携式测试仪器，主要实现信号的检测、数据处理、时钟、 键盘、显示、通信等功能；还有像上海星晟检测仪器有限公司的v i b 一2 0 旋转机械故障分析仪产品， 它把数据采集与谱分析合二为一，并采用了先进的模糊判别技术和灰色系统聚类分析方法，可以自 动分析出旋转机械的常见故障u 。 计算机技术的不断发展，使得计算机在仪器仪表领域得到了广泛应用，计算机强大的数字信号 处理能力、信号显示、存储及输入输出功能，使其在信号处理中发挥着重要的作用。特别是便携式 计算机，为便携式测试仪器提供了广阔的空间。比如美国俄亥俄州克利夫兰市的q u a tec h 公司， 它的测试产品分部设计生产基于p c 机的数据采集软、硬件产品，与信号调理产品配合使用，构成 完美的虚拟仪器。主要产品包括全系列的i s a p c i 总线数据采集板卡、p c m c i a 便携式数据采集卡、 q t c 信号调理产品、专业静态应变测试产品、数字存储示波器、任意波形发生器、i e e e 4 8 8 卡等。丰 富的软件支持，友好的用户图形操作界面，可方便的完成数据采集、显示、存储、数据回放等功能， 并提供w i n d o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 m e n t ，d o s 下的驱动，支持v b 、v c 、q b 等多种编程语言。国内也有很 多类似的产品，比如东方振动与噪声技术研究所推出的i n v 3 0 3 3 0 6 型智能信号采集和处理分析系 统，是国内第一台便携式智能信号处理、模态分析仪。它是用通用微机( 台式、便携式或笔记本式) ， 通过“东方科卡”和“d a s p ”( 达世普) 、p d b 等大型软件实现的“p c 卡泰”一微机卡式自动测试分 析仪n 4 1 。 随着d s p 技术的不断完善，各种各样d s p 器件的不断推出，为实时数字信号处理的应用提供了 前所未有的广阔空间，将其应用于故障测试分析仪，不仅满足故障测试分析仪发展的要求：高速、 小型、手持、低功耗( 使用干电池供电) 、精度高，可随身带出检查。目前基于d s p 的便携式测试系 统国内也有许多产品，例如：中国北京康泰电子有限公司( 代理商) 推出了w a v e b o o k 高速便携式测 试系统( 适用于实验室) 和w a v e p o r t p e w a v e p o r t v 高速便携式测试系统( 适用于恶劣的工作环境) 两种产品u5 | 。便携式产品正以其体积小，功耗低，价格廉，操作简单，使用灵活，便于携带等优点 备受市场的青睐，发展迅速u 。 经过多年的发展，目前国内外已出现大量的便携式振动测试系统产品，这里主要是指以微控制 器( m c u ) 作为核心芯片的便携式数据采集仪，其中日本理音( 对o n ) 公司的便携式测振仪振动分 析仪为同类产品中最优。下面列出了当前市场上的主要振动测试系统的产品【1 7 。，如表1 1 所示。 2 第一章绪论 表1 1 测振仪产品一览表 存 其 厂 型号传感器测量范围频率范围 储显示体积市场他 商空方式重量 电源 价( 元) 特 间性 加速度 o 1 - 1 9 9 9 m s 2 ( 单 9 v 叠 e m t 2 2 一体式环形 峰值) ( 5 或加速度： 1 8 5 m 层电 0 a n c 剪切型加速 1 0 - 1 k h z ：l k - 1 5 k 1 0 h z 1 k h z 三位 m 池l 系列 度传感器 h z l 速度 ( l 0 ) l k h z l 半液6 8 m m 节可 北袖珍 分体式电荷 0 0 l - 1 9 9 9 c m s r5 k h z ( h i ) 晶数 3 0 m3 9 8 0 一放大器内置 有效值) ( 5 或 速度： 连续 尿 式测 剪切型加速 1 0 - l k h z ) 位移 1 0 h z 1 l ( h z 字显 m 伊 振仪 度传感器 o 0 0 l - 1 9 9 9 m m f位移： 刁弋 2 0 0 9 使用 2 5 小 麦 峰峰值) ( 5 或 1 0 h z 1 k h z 时 特 1 0 一l k h z ) 温度 科0 4 0 0 技 有 限 公 1 0 ( 5 ) h z 一1 k 司 h z ( 位移、速 环形剪切型加速度度、低频加 1 5 2 m e m t 2 9 加速度传感0 1 - 1 9 9 9 m s 2 ( 单速 l c d m 6 2 0 系列器，快速反峰值1 度1 1 k h z - 1 0 五位m m 2 5 号 机器状应式表面热速度0 1 1 9 9 9 k h z ( 高频加 数字 8 m m ( a a ) 态点检 电偶，激光 m 耐s ( 有效值) 位 速度) 冲击 段码 重量 电池2 仪 式光电转速移o 0 0 1 1 9 9 9 m m 检波中心频 显示 约 传感器 ( 峰峰值) 窒1 6 0 9 3 2 k h z 士2 k h z 可 存 储 2 5 加速度： 加速度： l o h z 2 0 0 h z 6 2 时 0 1 - 3 9 2 m s 2 f 峰 lo h z 5 0 0 h z 个 代 t v 3 0 0 值) 速度：1 0 h z 1 k h z 测 背光 集 便携式 压电式加速目液晶锂电 6 8 0 0 测振仪 度传感器 0 0 1 - 8 0 c m s f 有效 1 0 h z 1 0 k h 里 显示池 团 值) 位移： z 速度： 结 o 0 0 l - 1 8 1 m m f 峰 1 0 h z - 1 k h z 果 器 一峰值1 位移： 及 1o h z 5 0 0 h z 2 5 幅 频 谱 图 加速度峰值 可充 t v 3 2 0 2 5 0 m s 2 1 2 8 1 2 1 0 1 电电 便携式同t v 3 0 0 速度有效值 同t v 1 2 点 3 0 4 0池，连 双 2 0 0 m 州s 位移峰3 0 0 ( m m )续使 通 测振仪阵 道 峰值5 0 0 0 u m 1 3 0 0 9用8 小 ( 最大量程)时 3 东南大学硕士学位论文 3 位半 2 节钮 t v 2 0 0o 1 m m s 1 9 9 9 m 液晶 1 5 0 m扣电 便携式 加速度一体 m s 1 0 h z 1 k h z 显示 m x 2 2 池连 化传感器数据 m m x l 续工 测振仪( 振动速度) 8 m m 作时 保持 约5 5 9 间约5 功能 小时 加速度： 加速度： 1 0 h z 1 k h z 一啊 9 v 碱 0 1 1 9 9 9 m s 2 峰 ( l 0 ) 1 k h z l 显示 1 8 5 性电 v m 一6 3 a 内置剪切式 值速度：5 k h z ( h i ) 3 位半6 8 便携式压电加速度0 1 1 9 9 9 m m s速度：池，连 8 8 0 0 测振仪 传感器有效值位移： 1 0 h z - 1 k h z 数字3 0 m m 续使 0 0 0 1 1 9 9 9 m m位移： 显示 2 5 0 9 用2 5 峰峰值 1 0 h z 1 k h z 小时 加速度( a c c ) ： 0 0 2 2 0 0 m s 2 r o 0 0 2 2 0 g 1 加速度 大屏 ( a c c ) ：e q 加速度：可幕显 v m 8 2 p e a k1h z 5 k h z 计 日 便携 速度( v e l ) ： 3 h z - 1 k h z 存 示数 0 3 10 0 0 m m s 3 h z - 5 k h z 储字、棒 算 本 式测 p v - 5 7 剪切 r m s3 h z 1 k h z 1 h z 一1 0 0 h z 1 0 0 图、参1 6 8 四节5 机 3 h z 2 0 k h z 0 个 数、单 7 6 号电 和 理 振仪压电式加速 速度( v e l ) ： 速度： 2 8 0 0 0 打 立 0 1 1 0 0 0 m m s 测 位、存 3 5 m m池3 0 日 振动 度传感器 1 0 h z l k h z 印 公 r m s1 0 h z - 1 k h z 3 h z 1 k h z 点 储地3 2 0 9 小时 机 司 分析 位移( d i s p ) ： 位移： 的 址、电 仪 0 0 2 1 0 0 m me o 10 h z 5 0 0 h z 数能指 接 p e a k3 h z 一5 0 0 h z 3 h z 5 0 0 h z 据 示、时 口 位移( d i s p ) ： 钟等 0 0 0 1 1 0 0 m n l s e o p e a k 1 0 h z 5 0 0 h z 可 1 9 2 采 v a l l 存1 2 8 点 便携式 储 大屏 用 测振仪 同v m 8 2同v m 8 2 同v m 一8 2 5 0 0幕e l 重量同 数 振动分 组 背光 为 v m4 9 8 0 0字 频 液晶 7 7 0 9 一8 2处 析仪理 谱显示 图器 器 上 海 求 位 1 8 5 f h 6 f 2 2 移：0 0 0 1 1 9 9 9 1 电池 真 m m ( 峰一峰值) l o ，1 0 0 0 h z 6 8 ( w ) ( 9 v ) 电 v m 1 0剪切式压电 速 ( 加速度分 电池 子 便携式 加速度传感度：0 0 1 1 9 9 9 c i l l 1 0 h z 1 0 0 0 3 0 ( d )寿命： 2 9 9 0 技 测振仪 器 s ( 有效值) h z m m 连续 术 1 k h z 1 5 k h 2 7 0 克 测量 有 加速度： z 二档1 f 包括 2 5 小 限 o 1 1 9 9 9 m s s 公 ( 峰值) 电池) 时 司 4 第一章绪论 通过对上表的分析可以发现国内外的振动测试仪产品众多，它们的性能特点各异，有的功能强 大，有的功能较差；样式和体积也各不相同，有的大一些，有的小巧一些；同时各种不同的测振仪 在价格方面也相差甚远。它们中内部芯片大多采用单片机，其中v a 一1 1 采用了数字信号处理器( d s p ) ； 其中有些测振仪没有提供与计算机之间的接口，而有些功能较强大测振仪则提供了与计算机之间的 r s 2 3 2 标准串口。 日本理音公司的便携式产品以其优良的性能成为同类产品中的佼佼者，而国内的振动测试仪大 多数还停留在低档产品的阶段，很多产品都是仿照日本理音公司的v m 一6 3 的技术指标进行设计的， 而且只有很少一部分功能比较强大，然而价格又十分昂贵。因此，如何设计包含功能更多的振动测 试仪，如何降低生产的成本，从而使得振动测试仪能够得到更广泛的推广和应用是一个需要解决的 问题。 国内外在测试方面的便携式产品归纳起来，主要可以分为三类：第一类是基于计算机( 笔记本， 便携式计算机) ，它是通过采集卡采集数据或者独立的巡检仪采集数据，然后通过计算机处理采集过 来的数据，这种采集速度快，而且处理功能很强，但非常昂贵；第二类是基于单片机，这种产品适 用于采集要求不是很高，而且只有简单数据处理的场合，最大的优点是价格便宜；第三类就是基于 d s p 即数字信号处理器，这种产品价格适中，而且功能比较强大，特别是对复杂运算( f f t ) 的速度 非常快。 本课题开发的手持式振动测试系统，是基于定点d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，其具有很高的性价 比，能够满足故障测试分析仪高速、小型、手持、低功耗( 使用干电池供电) 、精度高等优点，符合 本系统的设计初衷。同时，在本系统中采用了u s b 接口与计算机之间进行通信，作为计算机接口之 一的u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 口具有热插拔、即插即用、速度快( 包括低、中、高模式) 和外设 容量大( 理论上可挂接1 2 7 个设备) 的特性，使本系统能够与计算机进行方便快捷的通信。这也是 本系统较国内外同类产品的一个最突出的优势。 1 3 课题研究的主要内容 本论文是在基于d s p 的手持式振动测试系统硬件基础之上进行的，主要对手持式振动测试系统 的软件部分进行开发，其软件总体上可以分为两大部分：一个是d s p 部分的软件，另一个是单片机 部分的软件。论文所研究的主要内容如下： ( 1 ) 数据处理：首先，对a d 采样部分进行修改和完善；其次，将采集得到的数据进行运算处 理，主要是进行快速傅立叶变换( f f t ) 和计算信号的峰峰值、均值、均方根值特征值，采用c 语 言与t m s 3 2 0 c 5 4 x 的汇编语言混合编程实现；最后，将f f t 程序和a d 采样等系统程序结合在一起 调试运行。 ( 2 ) 波形显示：将a d 采样数据和f f t 结果在液晶显示器( l c d ) 上进行显示，即显示所采集 信号的时域波形及其峰一峰值、均值、均方根值等特征值，并且显示其f f t 后的频谱。图形显示是通 过单片机来实现的，每一步的操作是由键盘来控制的，通过增加相应的功能按键来控制各步操作。 同时，对系统的液晶显示界面进行了美化，使之更加简洁、友好、易于操作。 ( 3 ) 固件编程：是在d s p 端编写驱动p d i u s b d l 2 的固件程序，它是手持式振动测试系统与计算 机之间u s b 驱动开发的重要组成部分，为实现系统与计算机之间的u s b 通信奠定了基础，为以后 利用计算机功能强大的软件对数据进行更进一步的处理作准备。 以上所述是本论文要做的主要工作，其重点和难点是运用定点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 x 的汇编语 言与c 语言进行混合编程实现快速傅立叶变换以及系统的u s b 固件编程。完成以上两部分内容就可 以将信号由时域变换到频域，并在l c d 上显示信号的时域波形及其频谱；使该手持式振动测试系统 与计算机之间进行u s b 通信成为可能，从而使该系统的功能进一步完善。 东南大学硕士学位论文 2 1 系统总体介绍 第二章手持式振动测试系统概述 2 1 1 系统的特点 ( 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； ( 4 ) 串行接口和u s b 接口； ( 5 ) 3 2 0 2 4 0 像素的液晶显示器显示； ( 6 ) 模拟信号输入范围：一5 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 ( 1 ) 可测量振动信号的加速度、速度、位移及转速。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口部分，它为系统提供了所需要的原始信号； ( 2 ) 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； ( 3 ) 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； ( 4 ) 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； ( 5 ) 键盘输入。便于使用者自主进行各种操作； ( 6 ) 液晶显示器( l c d ) 输出。用于使用者进行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的显示； ( 7 ) 体积小，功耗低，便于随身携带； ( 8 ) 与微机连接，可分析测量数值的倒谱( 配合上位机系统) 。 2 1 3 系统的技术指标 ( 1 ) 测量范围： 加速度：0 0 2 2 0 0 聊j 2 速度：0 3 1 0 0 0 聊m j 位移：0 0 0 1 1 0 0 聊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 1 0 0 h z ，3 h z 2 0 k h z 速度：1 0 h z 1 k h z ，3 h z l k h z 位移：10 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：文字显示以及波形图显示 ( 5 ) 内存：可存储1 0 0 0 组数据 ( 6 ) 接口：r s 2 3 2 串口及u s b 口 ( 7 ) 电源：3 节普通电池供电 ( 8 ) 尺寸：1 5 0 ( w ) 1 9 5 ( h ) 2 8 ( d ) m m 6 第二章手持式振动测试系统概述 2 2 系统的硬件部分概述 由于本系统是一个手持式的振动测试系统，所以在设计系统时充分考虑了其体积的大小和功耗 的高低。图2 1 是系统硬件结构的原理框图，从图中可以看出，本系统主要包括四大部分：电源部 分、模拟部分、d s p 端部分以及单片机端部分。同时，考虑到系统的小型化设计，在系统功能实现 上，这四大部分中有些电路是通过复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 来实现的1 22 | 。 在本系统中采用了主从结构的方式实现系统的功能。其中主设备是单片机，它负责l c d 的显示 以及实时时钟的读写功能；从设备是数字信号处理器( d s p ) ，它负责完成模拟信号的采集、处理以 及通信等功能；最后主从设备通过数字信号处理器白带的主机接口( h p i ) 实现主从设备问的数据交 换。 = _ 一 l l l 骖j 霪孝；i ；爹翰鞲爹j 爹爹、萋9 擎j ! i i 。誓 _ i _ l 倒 l! 虑l 7 、，t j 穗7 一一幽 单l 传 ：一掣 、 唯、一g 感 i t 一；褥 零 d s p 核心矗 片。 i 器 艟。 计谚t 机 。魄一一，、，翥、一 曝捐 i i 部分l 。 iij ： 串口 kj 一i - 一一。_ o _ i = 二 卜 。_ ：；： i 、i l p c 机囊 e ”+ 、“。f 图2 1 振动测试系统硬件结构原理框图 本系统外扩了高速大容量的存储器件。由于存储器的存储容量决定了手持式振动测试系统所能 容纳的振动信息的多少，根据系统的最大采样长度、模数转换器的通道数和精度，可大致计算出振 动数据的字节数，从而来大致确定所需存储器的容量。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的运行速度非常快，在全速 运行时的读写周期为1 0 n s ，为了提高系统指令的运行速度，满足d s p 系统设计的要求，系统须扩展 读写速度快的r a m 和r o m 。再综合考虑存储器的功耗和价格选择了s s t 3 9 v f 4 0 0 a 、a t 4 5 d b 0 8 1 b 、 i s 6 1 l v l 2 8 1 6 1 2 ，分别用来存放系统程序、采集的原始数据和处理之后的数据。 在系统与p c 机之间的通信方面，系统采用了r s 2 3 2 串口通信和u s b 通信两种方法。由于串口 通信的应用仍然很广泛，所以系统提供了r s 2 3 2 串口通信；而u s b 总线具有成本低、使用简单、支 持即插即用、易于扩展等特点，使得其应用越来越普及，目前已经广泛地应用在p c 机及嵌入式系 统上，本系统正是考虑了u s b 接口突出的优点( 比如热插拔) ，所以同时采用了u s b 口与p c 机之 间进行通信。系统选用p h i l i p s 公司在u s b l 1 协议设备端使用最多的芯片_ p d i u s b d l 2 。此芯 片是带有并行总线和局部d m a 传输能力的全速u s b 接口器件，其性价比很高，通常用于控制器系 统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口。 在系统的电源设计方面，由于系统是手持式设备，手持式产品对电源系统的要求越来越复杂， 不仅要求满足电压监测管理功能，还要满足持续不断的小型化要求和延长电源寿命的要求；同时， 待机时间也是其非常重要的指标，所以系统的电源应该是非常高效的。电源系统功能是为各种芯片 正常工作提供稳定的电压，从而保证各个芯片能够按要求完成功能。电源系统输出电压：集成电路 电源：5 v 、3 3 v 和1 8 v ；传感器的工作电压：2 4 v ；运放的工作电压：5 v ；液晶显示器的驱动电 压：一2 1 v 。状态监测系统采用电池供电，故采用单一电源给系统供电，由仪器内部电源转换系统分 配输出各种电压。 7 东南大学硕士学位论文 本系统的电源模块示意图如图2 2 所示。 图2 2 系统电源模块原理框图 + 5 v + 3 3 v + 1 8 v + 2 4 v 一5 v 一2 1 v g n d 系统的模拟部分主要包括：直流信号调理电路、交流信号调理电路、转速信号调理电路、抗混 滤波电路以及模数转换电路。其实现原理框图如图2 3 所示。 图2 3 模拟部分原理框图 产生中断 数字信号输出 转换结束标志 系统的模拟部分主要由四通道的交直流信号调理单元和一通道的转速信号调理单元组成，用于 对常见的电涡流振动位移、磁电式振动速度以及压电式振动加速度信号进行调理。 交流信号与直流信号具有相同的输入端，信号输入以后再进行交直流的分离。交直流信号经过 采集并分离以后再到抗混滤波电路，这样保证了经a d 采集的信号不发生频率混叠。最后，经过抗 混滤波的信号送给模数转换电路，把有用的模拟信号转变成数字信号，并通知d s p 模数转换结束。 转速信号调理电路主要是测量被测系统中的转动部件的转速，从而为确定系统的采样频率作好准备， 经过转速调理电路处理的信号去触发d s p 系统的外部l 中断。 根据系统功能要求，系统需要对采集数据处理的结果( 时域波形、频谱图以及各种特征量等) 进行显示。由于系统可能需要四路同时监测，所以选择3 2 0 2 4 0 像素的液晶显示器( l c d ) 。本系 统采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【2 川。 e d m 3 2 0 2 4 0 a 的主要特征： 显示方式：反射、正显 显示颜色：显示点：深蓝色 背景：黄绿色 显示形式：3 2 0 ( w ) 2 4 0 ( h ) 全点阵 8 第二章手持式振动测试系统概述 输入数据：来自u 的8 位并行数据接口 驱动路数： 1 2 4 0 视角： 6 点 显存容量：3 2 ks r a m ( 内嵌) 控制器：s e d l 3 5 1 ( 内嵌) 或外加s e d l 3 3 0 在本系统中，是利用键盘接口来输入数据、实现实时调试及数据调整和控制。由于键盘扩展电 路需要占用系统资源对按键进行监控和处理，同时，系统对电路板的面积要求比较严格。所以，本 系统采用了复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 设计技术实现专用键盘接口芯片的方法。 12 3ae 456bf剥6 消 键盘译 缓 l ， 蠢踺数彗存7 8 9cg自皇舟缸垒1 除电路码电路 o 火dh ljl 器 l 工作时钝脉冲信号 t j 1 j m 垭缸加1 _ 丐 i 键秆 车瞄审l 足替 图2 4 键盘接口电路结构框图 图2 。4 是键盘接口电路方框图，由键盘扫描电路、弹跳消除电路、键盘译码电路、按键数据寄 存器和一个外接的4 5 矩阵式键盘所组成。 2 3 系统的软件部分设计 本系统是多c p u 系统，一个是d s p 芯片，一个是单片机芯片，所以从软件设计上来讲，也主要 包括两个部分设计。关于系统软件实现的结构框图如图2 5 所示。从图中可以很容易看到，该手持 式振动测试系统软件实现主要分为d s p 端软件设计以及单片机端软件设计。d s p 端软件主要分为五 大模块：d s p 系统初始化模块、数据采集模块、串口通信模块、数据缓存模块和故障特征提取模块； 单片机端软件主要包括四大模块：单片机系统初始化模块、数据缓存模块、l c d 显示模块和实时时 钟操作模块。 图2 5 手持式振动测试系统软件结构框图 本文主要是对数据进行采集、处理( f f t ) 、时域波形及频谱的显示，实现系统与p c 之问的u s b 串行通信。 9 东南大学硕士学位论文 下面详细介绍这些模块的功能： ( 1 ) d s p 系统初始化模块 系统初始化模块首先对d s p 的运行环境进行设置，主要是设置d s p 的状态寄存器和控制寄存器， 使d s p 从一个确定的、满足系统要求的状态开始执行程序。 ( 2 ) 数据采集模块 数据采集模块分为采集初始化、转速信号采集和振动信号采集三个子模块。 采集初始化子模块 采集初始化模块主要负责从各种采集参数的设置，设置的数据来源与系统设置界面的输入或者来自上 位机的初始化数据包。 转速信号采集子模块 外部转速信号经整形、分频后接入d s p 的n t l 脚，由d s p 定时器t 1 测量转速周期，获得转速。转 速信号采集子模块除了完成转速测量外，还要根据测得的转速设定振动信号整周期采样频率以及抗 混滤波截止频率，保证振动信号的整周期采样。 振动信号采集子模块 振动信号采集子模块根据设备的运行状态进行振动信号的同步采样及存储。由于需要同时采集 多路振动信号，并对交、直流分量分别采集，此外采样频率和采样长度等也必须根据机组的实际运 行工况进行选择，因此振动信号采集子模块的主要任务就是协调和控制模拟信号采样电路的正常工 作。采样控制包括：通道选择控制、交直流选择控制、同步采样频率控制。 ( 3 ) 数据缓存模块 在单片机端和d s p 端软件都有数据缓存模块，但是它们的功能有一点小小的区别。d s p 端的数 据缓存模块具有双重功能：一个是用于缓冲采集过来的数据；另一个是用于与单片机进行数据交换。 而单片机端的数据缓存模块仅仅用于与d s p 进行数据的交换。 ( 4 ) 故障特征提取模块 振动信号采集完成后，原始数据中包含了大量与故障无关的信息，需要对其进行特征量提取， 故障特征提取及状态识别模块即用于提取振动信号特征，包括均值、振动峰峰值、有效值、频谱能 量分布特征、信号时域统计特征等。 ( 5 ) 数据通信模块 数据通信模块用于与p c 机进行通讯( u s b ) ，包括接受p c 机提供的系统配置信息以及传送p c 机所需的原始采样数据等。 ( 6 ) 单片机系统初始化模块 单片机系统初始化模块主要包括单片机系统的各种状态寄存器以及控制寄存器进行设置，同时 还负责液晶显示器控制寄存器的设置。 ( 7 ) l c d 显示模块 l c d 显示模块主要负责首页的显示以及显示缓冲区的更新功能。 ( 8 ) 实时时钟操作模块 实时时钟操作模块主要实现实时时钟的读取功能以及实时时钟设置功能。 2 4 本章小结 本章首先从总体上介绍了系统的功能和一些技术指标，然后分别从硬件和软件两个方面对系统 的内部的原理和结构进行了阐述，并对其软件和硬件的各功能模块进行了说明，从而使手持式振动 测试系统轮廓变得更加清楚。 l o 第三章基于t m s 3 2 0 c 5 4 x 定点d s p 的f f t 实现 第三章基于t m s 3 2 0 c 5 4 x 定点d s p 的f f t 实现 傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是声学、语音、电信和信号处理等领 域中种重要的分析工具。离散傅立叶变换( d f t ) 是连续傅立叶变换在离散系统中的表现形式。 由于d f t 的计算量很大，因此在很长一段时间其应用受到很大的限制。快速傅立叶变换( f f t ) 是 快速计算d f t 的高效方法，它使d f t 的运算大大简化，从而使d f t 在实际应用中得到了广泛的运 用。d s p 芯片的出现使得f f t 的实现变得更为方便，速度更快。 3 1t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 简介 t m s 3 2 0 c 5 4 x 是t i 公司于1 9 9 6