（机械工程专业论文）基于dsp和usb的高速数据采集系统设计.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 该论文通过采集机械设备加工过程中产生的声发射信号，实时的对这些信号 进行分析处理，可以诊断机械设备的故障和对机械设备的运行状态做出实时的监 测。设计了一种以d s p 和u s b 为核心的实时高速的声发射信号采集系统。 本文首先阐述了基于d s p 和u s b 的高速数据采集系统的应用原理，根据本系 统的要求和功能设计了系统的结构框架，主要由信号采集模块、分析处理模块、 数据传输模块、显示存储模块等主要模块组成。根据各个模块的技术特点，提出 了相应的功能需求。 在硬件设计方面，采用模块化的设计思想，分别设计了信号采集模块、分析 处理模块、数据传输模块的硬件电路。其中，采集模块包括声发射传感器、前置 放大器、主放大器、a d 转换器。分析处理模块中，选择了d s p 为核心处理器， 并设计了相关外围电路，主要包含电源、时钟、复位、j t a g 接口以及外扩存储器 电路。传输模块是整个系统与p c 主机的接口部分，以u s b 为核心的传输芯片， 通过u s b 2 0 协议，实现了把分析处理后的数据从d s p ，经过u s b 上传到p c 主 机。 在软件设计方面，主要进行了d s p 程序设计、u s b 的固件设计和驱动程序设 计、应用程序设计。d s p 程序设计主要介绍了d s p 的开发环境、d s p 的初始化、 对信号的滤波、变换标度以及特征信息提取。本论文还详细介绍了u s b 的固件框 架，驱动程序模型以及用户应用程序设计的过程。 根据系统特点，分析了系统形成干扰的原因，并提出了相应的抗干扰技术， 详细阐述了硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术的设计方案。 最后，进行了声发射采集系统的磨削监控试验，选择了数控磨削系统为试验 平台，通过磨削监控试验证实了以a e 信号作为监控磨削状态的可行性。并根据试 验结果确定了用于监控磨削状态的a e 振铃计数与均方根阈值，通过实际磨削试验 表明利用所研制的声发射采集监控系统进行机床反馈控制是可行的。 关键词：数据采集，声发射，d s p ，u s b 2 0 ，c y 7 c 6 8 0 1 a b s t r a c t t h ep a p e rt h r o u g hc o l l e c t i n ga eg e n e r a t e di nt h ep r o c e s so fp r o c e s s i n gm a c h i n e r y a n de q u i p m e n tr e a l t i m e l ya n a l y s i sa n dp r o c e s st h e s es i g n a l s i nt h i sw a y ，s y s t e mc a n m a k em e c h a n i c a lm a l f u n c t i o nd i a g n o s i sa n dr e a l - t i m em o n i t o r i n gt h eo p e r a t i n gs t a t u s o fm a c h i n e r ya n de q u i p m e n t d e s i g nar e a l t i m eh i g h 。s p e e da ea c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nd s pa n du s b t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no fp r i n c i p l e sb a s e do n t h ed s pa n du s b h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dd e s i g n e dt h es t r u c t u r a lf r a m e w o r k o ft h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa n df u n c t i o n a l i t i n c l u d e dm a i n l yt h es i g n a l a c q u i s i t i o nm o d u l e ，t h ea n a l y s i sp r o c e s s i n gm o d u l e ，d a t a t r a n s f e rm o d u l e ，d i s p l a ya n d m e m o r ym o d u l e sa n do t h e rm o d u l e s a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fe a c h m o d u l e ，p r o p o s e dc o r r e s p o n d i n gt h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s o nt h eh a r d w a r es i d e ，t h ep a p e ra d o p t e dm o d u l a rd e s i g na n dd e s i g n e dh a r d w a r e c i r c u i to ft 1 1 es i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gm o d u l e ，t h e d a t a t r a n s m i s s i o nm o d u l e a c q u i s i t i o n m o d u l ei n c l u d e da c o u s t i ce m i s s i o ns e n s o r s ， p r e a m p l i f i e r , m a i na m p l i f i e r , a dc o n v e r t e r ；a ta n a l y t i c a lp r o c e s s i n g m o d u l ea d o p t s d s p c o r ep r o c e s s o r sa n dd e s i g n e de x t e r n a lc i r c u i t ，i n c l u d e dt h ep o w e rs u p p l y , c l o c k ， r e s e t t h ej t a gi n t e r f a c ea n dt h ee x t e r n a lm e m o r yc i r c u i t 。t r a n s m i s s i o nm o d u l ei sk e y i n t e r f a c ep a r to ft h ew h o l es y s t e ma n dt h eh o s tp c u s bt r a n s m i s s i o nc h i pa st h ec o r e ， t h r o u g ht h eu s b2 0p r o t o c o la c h i e v e da n a l y s i sp r o c e s s i n go fd a t af r o mt h ed s pa n d u p l o a d e dt ot h eh o s tp cv i au s b o nt h es o f t w a r es i d e ，t h ep a p e rd e s i g n e dm a i n l yt h ed s pp r o g r a m ，t h eu s b f i r m w a r ea n dd r i v e rs o f t w a r e ，t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e d s pp r o g r a mi n t r o d u c e dt h e d s pd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，d s pi n i t i a l i z a t i o n ，s i g n a lf i l t e r i n g ，t r a n s f o r mt h es c a l e a n dt h ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n t h ep a p e ra l s od e s c r i b e dt h ef r a m e w o r ko f t h eu s bf i r m w a r ea n dd r i v e rm o d e l ，a n du s e ra p p l i c a t i o nd e s i g np r o c e s s a c c o r d i n gt ot h es y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep a p e ra n a l y s i st h er e a s o n sf o rt h e s y s t e mi n t e r f e r e ，p u tf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n ga n t i - ja m m i n gt e c h n o l o g ya n d d e s c r i b e s d e t a i l l yt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g y f i n a l l y , t h ep a p e rm e n t i o n e dm o n i t o rt e s t o ft h eg r i n d i n ga c o u s t i ce m i s s i o n a c q u i s i t i o ns y s t e m 。i ts e l e c t e dt h ec n cg r i n d i n gs y s t e ma sa t e s tp l a t f o r m ，t h r o u g ht h e g r i n d i n gm o n i t o r i n gt e s tc o n f i r m e d t h ef e a s i b i l i t yo fa es i g n a l sf o rm o n i t o r i n gg r i n d i n g i i s t a t e a n dm o n i t o rt h eg r i n d i n gs t a t eo fa er i n gc o u n ta n dr _ m st h r e s h o l dv a l u e d e t e r m i n e db a s e do nt e s tr e s u l t s a c t u a lg r i n d i n gt e s t ss h o w e dt h a tt h ed e v e l o p e d a c o u s t i ce m i s s i o na c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e mf o rm a c h i n et o o lf e e d b a c kc o n t r o l i sf e a s i b l e 。 k e y w o r d s ：d a t a a c q u i s i t i o n ；a c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) ；d s p ；u s b 2 o ；c y 7 c 6 8 0 1 3 i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 论文研究背景及意义 随着计算机和信息技术的飞速发展，机械设备越来越复杂，智能化水平越来 越高，机械设备在现代工业生产中的作用和影响更加突出。通过对设备工况进行 检测，对故障发展趋势进行早期诊断，及时找出故障原因，采取相应措施避免造 成重大的经济损失和人员伤亡，在现代工业生产中起着非常重要的作用。 在工业生产过程产生的各种类型的信号中，声发射信号是很常见的，并且具 有实时性，精确性和稳定性的特点，声发射信号的采集和处理对工业生产过程的 故障诊断有重要的意义【2 】。大型设备的在线检测控制通常采用其声发射信号作为主 要监控信号。然而，利用声发射信号作为检测手段却是一项很复杂的技术。首先， 要确保声发射信号采集的可靠性与实时性；其次，要能准确的分离出所需要的信 号；最后，利用相关数字信号处理技术分析提取其特征向量，进而运用于设备状 态等监测与控制中。 而现代芯片技术的高速发展，从单片机的良好控制功能，到f p g a 大量数据 存储功能，再到d s p 极强的数据处理能力，各种集成芯片的层出不穷又使得声音 信号的在线实时采集处理成为可能【3 1 。随着数字信号处理理论的不断完善，数字信 号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 在很多相关的领域得到了广泛深入的应用， 例如通信( c o m m u n i c a t i o n ) ，：雷达及声宝t 勾( r a d a ra n ds o n a r ) ，医疗影像( m e d i c a l i m a g i n g ) ，高保真音乐重现( h i g hf i d e l i t ym u s i cr e p r o d u c t i o n ) ，工业控带1 ( i n d u s t r i a l c o n t r 0 1 ) ，石油勘探( o i lp r o s p e c t i n g ) 等，这些应用领域都已经发展出很专业的d s p 技术 4 , 5 1 。进入2 1 世纪以来，d s p 在内部结构，运算速度，制造工艺，计算精度 和功能集成化方面得到了更加迅速的发展l 5 j 。采用d s p 处理器代替传统的单片机 作为系统的核心，可以使整个系统有非常高的运算速度和准确的运算精度，使处 理器的指令执行成本降到最低。因此利用d s p 实时采集处理信号，是现代信息技 术发展的一个方向。 传统的音频采集系统，通常采用p c i 卡，其接口不方便，扩展难度大，使用 不灵活，而通用串行总线( u s b ) 可以更有效，更经济，更多扩展的p c 外设与 p c 机相连。其中u s b 2 0 总线技术可达到4 8 0 m b i t s 的理论传输速率，已经逐渐成 为计算机接口的主流。所以，现代高速数据采集系统一般采用高性能数字信号处 理器( d s p ) 和高速总线技术的框架结构。 本课题便是针对声发射信号的采集处理过程，设计了一种以d s p 和u s b 2 0 为核心的实时高速的声发射信号采集系统。该系统采集机械设备加工过程中产生 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的声发射信号，实时的对这些信号进行分析处理，可以进行机械设备的故障诊断， 对机械设备的运行状态做出实时的监测。 1 2 关键技术的发展 1 2 1d s p 技术的发展现状和趋势 数字信号处理( d s p ) 是一门涉及许多领域的新兴学科，在现代科学技术发 展中发挥这极其重要的作用【6 】。在数字信号处理技术发展的初期( 上世纪5 0 6 0 年代) ，人们只能在微处理器上完成数字信号处理。一般认为，世界上第一个单片 机d s p 芯片是在1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 l 。1 9 8 0 年日本n e c 公司推出的 d 7 7 2 0 是第一个具有硬件乘法器的商用d s p 芯片，从而被认为是第一块d s p 器件。 随着大规模集成电路技术的发展，在1 9 8 3 年美国德州仪器( t i ) 公司推出 了自己的第一代d s p 芯片，取得了巨大的成功。该款d s p 芯片字长是1 6 比特， 采用了哈佛( h a r v a r d ) 结构，拥有独立的数据存储器和指令功能，而且还有个特 殊的指令集来进行读入累乘、累加等运算，一个乘加运算的时间只要3 9 0 n s 。在当 时另一个比较成功的d s p 芯片是由m o t o r o l a 公司生产的d s p 5 6 0 0 。到1 9 8 4 年， a t & t 公司也推出d s p 3 2 芯片，它是早期具有较高性能浮点型的d s p 芯片。 在2 0 世纪8 0 年代后期和9 0 年代初期，d s p 芯片的硬件结构得到了进一步的 完善，使d s p 芯片更加适合数字信号处理的要求。在这个时期，t i 公司相继推出 了t m s 3 2 0 c 2 0 系列和t m s 3 2 0 c 3 0 系列。这些d s p 芯片采用了c m o s 制造工艺 技术，其运算速度和存储容量成倍提高，为进行图像、语音等较复杂的信号处理 奠定了基础，并且d s p 芯片的运算速度越来越快，其应用领域逐步扩大。 在2 0 世纪末和2 1 世纪初，d s p 制造商们开始着力在d s p 功耗的降低和信号 处理能力的提高，以及系统化与d s p 相关的应用系统开发。很多外设指令集成到 d s p 内部，极大地增强了信号分析处理的综合能力，同时d s p 的指令周期降低到 1 0 n s 以下。另外，基于w i n d o w s 的各种开发工具逐步完善和使用方便，促使d s p 技术不仅在控制、通信领域得到了广泛的应用和发展，而且还逐渐渗透到了人们 日常消费领域中。 进入到2 1 世纪以来，d s p 在内部结构、计算精度、运算速度、制造工艺和功 能集成化等方面得到了更加迅猛的发展。o 1 8 l a n 的c m o s 工艺得到了广泛应用， 体积和功耗不断降低。另外，d s p 软件开发工具也越来越完善，如t i 公司的集成 开发系统c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 将c 编译链接器、在线仿真器e m u l a t o r 、软 件仿真器s i m u l a t o r 等集成在一起，极大地方便了用户开发d s p 软件。 数字信号处理器是在模拟信号转变为数字信号后对数字信号进行高速实时处 理的专用处理器，它具有计算速度快，体积小，功耗低等优点，是实现数字信号 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 处理的强大工具。由于它的出色的性能，d s p 目前被广泛应用与数字通信，信号 处理，工业控制，图像处理等领域。 我国信息产业的迅速崛起，也带动了数字信号处理学科的快速发展。全国很多 高校和科研院所对信号处理器设备进行的大量研究和探索，获得得了大量科研成 果。这些科研人员对先进d s p 深入的研究，提出了很多高性能处理设备的解决方 案，并成功运用在p c b 板设计方面，同时取得了难得的实践经验。但是，也可以 看到在信号处理相关理论，高速高性能d s p 设计和制造方面和国际先进技术，还 有存在较大差距。这需要我国科研工作者继续艰苦奋斗，刻苦钻研。 1 2 2u s b 技术的发展现状和趋势 在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用p c 或工控机对各种数据进 行采集。在很多应用场合需要对不同类型的数据进行采集，如液位、频率、压力、 温度等。现在数据采集板卡是使用较多的采集方式，如a d 卡以及4 2 2 、4 8 5 等总 线板卡。这些板卡即安装不方便、容易被机箱的结构所限制，又由于电脑各种资源 的有限，不能连接太多的外围设备。而u s b 接口技术的快速发展，较好地解决了这 些难题，能够实现多通道、高可靠性和低成本的数据采集。 u s b 是通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的简称。1 9 9 4 年1 1 月，以英特尔 ( i n t e l ) 公司为首的7 家公司推出了即插即用u s b 通用串行总线协议规范。2 0 0 0 年，u s b2 0 协议将u s b 接口的速度从1 2m b p s ( 全速) 提高到4 8 0m b p s ( 高速) ， 从此u s b 接口在p c 机上得以广泛应用。2 0 0 1 年发表的u s bo t g 的补充规范， 使u s b 外部设备可以摆脱p c 机，实现设备间的直接通信，促进了u s b 接口在 嵌入式系统设计中的应用。由于u s b 接口具有成本低、传输速度、快即插即用、 纠错能力强和功耗小等优点。在硬件接口设计过程中，许多用户也会选择u s b 接 口。这种需求也促进了u s b 芯片的研发和应用，c y p r e s s ，p h i l i p s ，i n t e l ，s g s t o m s o n 和t r a n s d i m e n s i o n 等公司都研发了自己的u s b 控制器芯片【_ 7 ，引。 u s b 是一种标准的连接接口，在外部的设备和计算机相连接时，可以不必再 规划和配置系统，也不需改变接口卡的状态和打开机壳。而在和计算机相连接时， 电脑会自动的识别连接的外围设备，无需用户去另外重新配置。采用u s b 接口， 实现即插即用和热插拔，用户就可快速方便的与主机上的各类外设进行连接。 u s b 的另外一个特点是在连接p c 主机时，对所有u s b 接口设备，提供一种 通用的标准连接器，这种连接器将会取代各种传统外设接口，如串行接口，并行 接口和游戏端口等。另外，u s b 接口可连接高达1 2 7 个外接设备到计算机的一个 外部u s b 接口上。这样就可以避免像传统的串行接口那样，一个接口只能连接一 个外围设备。u s b 接口不仅可大大降低计算机的成本，同时可大大简化与解决p c 主机后侧的各种连接线缆的复杂混乱状况。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 相对应的，对于接口设备制造商们而言，也能大大降低开发成本，因为他们再 也不需要为每一种接口设备去分别设计与生产不同型号的产品。因此，u s b 接口 不仅可作为标准接口设备的应用，而且还渐渐成为各类新型设备( 包括测试设备、 数据采集等产品) 的通用标准连接接口。 u s b 接口有如下诸多特性和优点： 各类接口设备都可采用u s b 接口连接头，如打印机接口、鼠标键盘接口、显 示器接口、存储器设备、音效输入输出设备等，都采用u s b 标准协议。u s b 接口 就好像是万用接头，只要将其插头插入，一切就可以解决。 即插即用( p l u g - a n d p l a y ) ，可以自动对系统资源进行检测和配置：无需占用 系统的资源。也就是说，u s b 外设不用另行配置i o 地址、i r q 中断和d m a 等事 务资源。 热插拔( h o ta t t a c h & d e t a c h ) ，系统处于开机状态时，可以随时插入或拔出 u s b 接口外设，而不用关闭主机电源。 u s b 接口规范1 1 中的1 2 m b s 的传送速度可满足大部分的使用需求。当然， 快速的2 0 规范，提供更佳的传输率。 u s b 设备的应用目前在国外处于成熟应用阶段，在我国的应用还处于初级阶 段。我们在基于u s b 技术的现实应用中已经有很大的进步，并获得了很多成功的 经验。已经出台的u s b 2 0 协议，最高数据传输速率可达到4 8 0 m b p s ，这样的传输速 率可以用在对实时性要求较高的工业仪器仪表的控制、实时运动画面传输等。随 着电子技术的进步和科技水平的发展，u s b 必将在更广阔的领域得到更深层次的应 用。 1 2 3 声发射技术的发展现状和趋势 声发射是指，在内力或外力作用下，材料结构产生变形或断裂，应变能以弹 性波形式释放出来的现象。不同材料的声发射频率相差很大，从次声频、声频到 超声频。但是，声发射信号的强度较弱，人类不能直接听到，必须利用相关的仪 器仪表才可以被监测出。采用各种仪器仪表，分析处理声发射信号；并利用它判 断声发射源的技术称为声发射技术。 德国人凯塞在上世纪5 0 年代，以声发射技术为基础，进行了各种有科学价值 的研究工作。到了二十世纪6 0 年代，声发射技术的研究工作转到了美国。美国科学 家们对声发射现象进行了更广泛的研究，认为声发射现象主要来自材料内部机制， 表面状态对声发射也有一定影响；并通过以声学技术为基础来检测金属的滑移变 形。他们把实验的频率提高到了10 k 到1m h z ，为将来现场监控各类大型结构提 供了有利的技术基础。1 9 6 4 年在美国，在导弹壳体的水压试验中，声发射技术成 功用于运用。这成为声发射技术评估大型设备结构完整性的第一个例子，标志着声 重庆大学硕士学位论文1 绪论 发射技术进入现场生产应用的新阶段。到7 0 年代，声发射技术的发展热潮转到了 日本，后来，欧洲的许多国家也开展了相应声发射技术的研究。 与此同时，中国从1 9 7 3 年开始进行声发射技术的应用研究工作，生产出各类 声发射仪器。主要研究运用声发射技术进行材料裂纹的开裂点预报和相关测量工 作。到8 0 年代初期，国内开始尝试将声发射技术运用于检测压力容器等工程上，但 是由于当时信号处理技术和声发射仪器方面的限制，以及缺乏对声发射源和声发射 信号传输特性等理论知识，声发射研究工作进入短暂的低谷。直到8 0 年代中期， 引进了美国先进的声发射仪器，才使我国声发射技术的研究，应用和仪器技术水平 有较大提高。二十世纪9 0 年代初至今，我国声发射仪器的研制水平不断提高，声 发射技术的研究和工程应用呈高速发展的态势( 9 1 。 现在各国声发射技术的研究方向主要有以下几个方面： 声发射信号的表征参数，即声发射理论知识探讨。通过在声发射实验室的研 究实验所得，目的是更加了解声发射特征参数与结构受力的关系。这些参数主要有： 声发射事件，振铃计数率和总数，幅度及幅度分布，能量及能量分布，信号维持时间，信 号脉冲前沿上升时间、频度有效电压值、频谱和波形等。由于材料和构件的受力 状况不同，声发射信号的表征参数也会有很大差异，它们相互之间也存在一定关联 性。 声发射检测仪器及系统。由于声发射信号是前沿时间只有几十到几百毫微 秒、重复频率高的瞬变随机波信号。局部瞬变产生的声发射波在试样表面的垂直 位移约为1 0 7 1 0 1 4 m ，频率分布在次声到超声频率( 几h z 到几十兆h z ) 。故要 求声发射检测仪器具有高响应速度、高灵敏度、高增益宽动态范围、强阻塞恢复 能力和频率检测窗口可以选择等性能。并且具有较强的抗干扰能力和排除噪声的 能力。 声发射技术应用于工程实际的研究。由于声发射检测的动态无损检测的特 性，因此它可以用来评估缺陷的严重程度。检测到了缺陷处的声发射信号，就可以实 时地监测缺陷的安全性，这是其它检测技术无法实现的。科技工作者对这一特点表 现出了极大关注与兴趣，并加大了声发射技术在工程应用中的研究工作。 为了在生产和科研中，更好的运用声发射技术和扩大应用范围。展望声发射 技术，其发展趋势大致在以下几个方面： 声发射技术是从接收到的声发射信号判断声发射源的状况。所以研究声发射 信号产生原理和它与接收到的信号的联系显的尤为重要。当前，由于还不能直接 监测从声源发出的原始声发射信号。因此，如何从接收到的信号准确地反推出声源 就成为一个重要的问题。而直接接收从声源发出的原始声发射信号更是今后研究 的重要课题。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 材料在实验条件不同情况下，声发射信号表现出的特性会有很大差别，需广 泛研究不同材料的声发射特性，完善人们对构件声发射特性的认识，为寻找收到的 声发射信号与声源之间的联系提供依据。 声发射检测的影响因素非常多，推出声发射检测系统的统一的、标准的试验 方法就成为目前急需要解决的问题。 发展声源定位技术，提出解决噪声干扰和评估缺陷有害度的新方法，从而设计 适合于噪声很大环境下应用的新设备。 声发射表征参数含有丰富的有价值的信息，但如今仅仅使用了其中一部分参 数，如波击计数、能量率、幅度等，今后要更多地综合运用各种其它参数。 1 3 主要研究的目的和内容 随着现代大生产的发展和科学技术的进步现代设备的结构越来越复杂，功能 越来越完善，自动化程度也越来越高。由于许多无法避免的因素影响，有时设备 会出现各种各样故障，以致降低其预定的功能甚至造成了人员伤亡和严重的社会 影响。因此保证设备的安全运行消除事故是十分迫切的问题。 现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面，一是设备设计与制造的各 项技术指标的实现，为此设计中要采用可靠性设计方法来提高安全性的措施；二 是，设备安装、运行、管理、维修和诊断措施的实施。 本系统在基于以上考虑的基础上，设计了把u s b 技术与数字信号处理器的应 用结合起来，以机械设备运行过程中产生的声发射信号为背景，围绕d s p 系统开 发的一般流程，在硬件设计和系统软件设计两方面进行深入研究。 设计本系统的主要目的是：能及时地、准确地对各种异常状况和故障状态做 出诊断预防或消除故障对设备的运行进行必要的指导提高设备运行的可靠性、安 全性和有效性以期把故障损失降低到最低水平。保证设备发挥最大的设计能力制 定合理的检测维修制度以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力延长服役期限和降 低设备全寿命周期费用。 通过检测监视、故障分析、性能评估等为设备结构修改、优化设计、合理制 造及生产过程提供数据和信息。通过对机械设备运行过程中产生声发射信号的实 时采集和分析处理即可保证设备的安全可靠运行又可获得更大的经济效益和社会 效益。 本论文的主要研究内容： 研究分析了d s p 和u s b 技术的发展现状和趋势，以及d s p 和u s b 技术的 特点和优点，并阐述了声发射技术特点以及发展趋势。 根据声发射技术的应用原理设计了系统的结构框架，主要包括信号采集模 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 块、分析处理模块、数据传输模块、显示存储模块，并根据每个模块的特点给出 了功能需求。 该系统的硬件部分采用模块化设计，采集模块主要选择了合适的声发射传感 器、前置放大器、主放大器、a d 转换器；分析处理模块中，d s p 的电源电路、时 钟电路、复位电路、j t a g 电路和外部存储模块；传输模块中的u s b 相关的外围 电路设计。 软件设计在硬件设计的基础上，根据功能的要求，设计实现了d s p 的主程 序设计，u s b 固件程序设计和驱动程序设计，用户应用程序设计。 该系统的软硬件设计过程中充分考虑了系统的应用环境，在软硬件设计中采 用了有效的抗干扰技术。 应用本课题所开发的声发射采集监测系统进行实际的磨削监控试验，以验证 所开发的磨削监控系统的功能，并根据试验结果对磨削过程进行分析。 本设计中，软，硬件设计都采用模块化设计，设计中采用了相应的软硬件抗 干扰设计。软件设计是基于硬件设计的基础上完成的，对有关的硬件要实现的功 能进行相应的软件设计，软，硬件模块的协同设计，使软硬件都得到最大的优化， 使该系统实现了功能多样化，智能化以及采集的实时高速化。 重庆大学硕士学位论文2 系统总体方案设计 2 系统总体方案设计 2 1 系统的应用原理 在磨削加工过程中，当砂轮与工件接触时，由于砂轮砂粒与工件摩擦和金属的 塑性变形会发出强烈的高频a e 信号，这些a e 信号中含有丰富的信息。当砂轮距工 件1 0 u m 左右时，可明显检测到a e 信号，随着砂轮继续靠近工件，a e 信号强度会不断 增加，当砂轮开始磨削工件时，信号幅值明显增强【l 。 因此，通过分析处理a e 信号，数据采集监控系统可以在以下方面得到应用： 消空程功能 在传统的数控磨床系统中，工件加工工艺主要有快进、慢进、粗磨，精磨等几 个阶段。在快速进给阶段，先设定好一定的进给距离，磨削砂轮以较快的进给速 度移动到工件附近，为防止碰撞，快速进给后砂轮还与工件保持有一定距离。然 后进入到慢进阶段，砂轮以较慢的进给速度接近工件，直至到达所需的磨削量。 在增加了声发射采集监控系统的磨床，就无需设定快进阶段的距离，可直接根据 声发射信号自动判断系统是否处于空程状态。在空程阶段，砂轮一直保持较快速 度进给；一旦空程状态结束，砂轮迅速减速进给。可见，与未使用声发射系统的 磨床相比，这种方式延长了快进阶段，缩短了慢进阶段，从而达到了消空程的目 的，使总加工效率得到切实提高。 防碰撞功能 没有使用声发射系统的磨床，快进和慢进阶段进给量的设置，都是根据不同批 次工件的规格以及公差来设定的。在快进后留有一定的余量，作为慢进阶段的行 进量。当快进阶段进给量的设置与被加工工件的尺寸范围不符合时，就会有磨床 砂轮碰撞工件，造成剧烈磨削的状况发生。这样会导致砂轮过度磨削失效、工件 烧毁等事故，磨床不得不停机调整。前面消空程功能里所介绍，当砂轮接触工件 时，就会有声发射信号产生，磨床使用声发射系统后，能及时检测到砂轮和工件 的接触，迅速发出指令，控制伺服电机，进而控制砂轮的进给，避免碰撞事件的 发生。 提高磨削质量功能 没有使用声发射系统的磨床，磨削阶段的进刀量和进刀速度都事先设定，工件 的加工方式非常单一。对于一些表面凹凸不平或有较多毛刺的工件，采用这种单 一式的进刀模式，很容易出现过度磨削或者磨削不足的现象，这将明显影响工件 的加工质量。 磨床使用声发射系统后，对声发射信号进行监控并做出反应，能有效提高磨削 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体方案设计 加工质量。具体有以下三种实现方法：上下门限监控法；恒功率磨削法；磨削曲 线跟踪法。 2 2 系统的结构框架 图2 1 为本文设计的声发射磨削监控系统的总结构框图。从图中可知，整个 系统由a e 信号采集模块、分析处理模块、数据传输模块、显示存储模块以及机床 数控系统等主要模块组成。 数控系统 l l 麟削矮统i ，r 翻k a e 信 蛩 精号采壤嫒坟 _t1+ # f 。_ t - 女t ，“+ 事； p c a d 圭 翁传 攀 u s b 传瀚 势骄翘褒转 耔罐 _ 罐_ 盥 被 。一 放 畦 感 髂 缓块 1 焉 撼 期1 1 嘱 显 瓣 失失 器 i 图2 1 系统原理框图 f i g u r e2 1s y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a m 系统的工作原理为：机床在数控系统的控制下进行磨削加工，其问产生丰富 的声发射信号；声发射传感器接收a e 信号并将之转换为电信号，该信号经前置放 大器和主放大器的滤波、放大等调理后送入声发射a i d 转换器，由a d 转换器将 a e 的模拟信号转换为数字信号，然后传送给系统分析处理模块；分析处理模块将 所采集的反映磨削状态的a e 信号经处理后，进行结果显示和数据存储；同时，处 理得到的声发射特征参量信息被反馈到机床数控系统，数控系统根据监控系统反 馈信息修改机床控制参数，或进行运动控制程序的转换，从而使机床执行新的动 作，以达到优化磨削过程的目的。 2 3 系统的功能需求设计 由于随着材料、构件受力破坏的不同，声发射信号的表征参数也会随之发生 变化，并且彼此之间也存在一定关联性。在声发射传感器检测到的丰富的声发射信 号中，可以分离提取出对我们有用的特性参数，这些特性参数的使用是声发射技 9 重瘗丕堂堡主堂垡笙塞一 2 系统总体方案设计 一一 ：= ：= ： 术实现的重要途径。声发射信号经过特殊处理后可得到以下特性参数，从而反映 出声发射信号的特性。常用声发射信号特征参数： 波击和波击计数：超过阈值并使某一通道获取数据的任何信号称之为一个 波击，所测得的波击个数可分为总计数和计数反映声发射活动的总量和频度，常 用于声发射活动性评价。 事件计数：产生声发射的一次材料局部变化称之为一个声发射事件。可分 为计数和计数率。一个阵列中，一个或几个波击对应一个事件，反映声发射事件 的总量和频度，用于波源的活动性和定位集中度评价。 振铃计数：越过门槛信号的振荡次数，可分为总计数和计数率，信号处理简 便，适用于两类信号，又能粗略反映信号强度和频度，因而广泛用于声发射活动 性评价，但受门槛值大小的影响。 幅度：信号波形的最大振幅值，通常用d b 表示，与事件大小有直接的关系， 不受幅度门槛的影响，直接决定事件的可测性常用子声发射源的类型鉴别、强度 及衰减的测量 有效电压值：采样时间内信号的均方根( r m s ) 值，以v 表示，与声发射的大 小有关，测量简便，不受门槛的影响，适用于连续型信号，主要用于连续型声发 射活动性评价 通过理论分析和实验确定均方根( r m $ ) 电压和振铃计数作为磨削声发射检 测特征参量，可对磨削加工过程进行实时检测。 a e 检测特征参量阈值的确定是实现磨削监控的重要环节。实验系统在系统 硬件的基础上，编制合适的分析处理软件，就可以实现阈值的分析与确定。系统 需具有自动采样并保留磨削过程中声发射信号的波形，并可通过输入的阈值的初 始值和采样点数值来逐次向能量突变的变形逼近，进行分析确定。 根据以上功能需求具体设计了系统功能模块，主要由a e 信号采集模块、分 析处理模块、数据传输模块、显示存储模块4 个模块组成，系统各模块具体功能 设计如下： a e 信号采集模块功能需求设计 采集磨削过程中的声发射信号，并对所采集的原始信号进行滤波、放大等处 理，完成加转换，以便于分析处理。该模块是整个监控系统的前提保证，只有 实时不失真地采集磨削过程的声发射信号，才能完成系统后续的分析处理以及反 馈控制等功能。 信号分析处理模块功能需求设计 信号分析处理模块对采集上来的信号先进行去噪，滤波预处理，消除噪声干 扰。自学习状态下，对采集到的声发射信号进行分析计算，得出空程阶段和磨削 阶段的门限值。工作状态下，测出对比设置的几个门限值从而判断当前工作状态。 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体方案设计 发送反馈信息给机床，数控系统能够接收分析处理模块的反馈信息，它的作用主 要是调整机床运动参数和控制磨削过程稳定、可靠地进行。 显示存储功能需求设计 ( 1 ) 显示：系统在数据采集、自学习以及磨削加工过程中需要显示响应波形。 根据需要，图形显示模块能实时显示滚动波形，并能对滚动波形进行暂停显示等 处理；波形强度坐标选用对数坐标以扩大显示范围，波形显示时间、个数以及强 度能进行自动或手动调整，且能统计工作周期时间。 ( 2 ) 存储：存储数据、状态量，记录自学习阶段中空程、磨削状态下各采样 时间点对应的信号幅值，便于波形显示；存储各加工参数。工作阶段，记录各采 样时间点对应的声发射信号幅值，便于波形显示以及与门限值比较，确定系统所 处的工作状态。 ( 3 ) 设置：默认设置主要该包括对传感器通道选择、波形滚动时间、敏感度 参数等参数和状态进行默认设置，也可作为每次系统开机时的参数和状态选择； 参数调节：参数调节包括调节图形滚动时间，用以在屏幕上显示不同时间跨度的 波形；调节背景噪音偏置，使屏幕上背景噪音的波形显示控制在一定幅度之内； 调节灵敏度和增益，使屏幕上的波形可根据信号大小变化按比例进行缩放，不至 于显示过小的波形，也不至于波形过大超出坐标量值，以达到最佳显示。 数据传输模块功能需求设计： 实时的传输经d s p 分析处理后的数据，如声发射波形图，计算得到的各个门 限值和各种设置参数。 主要参数指标： 总线方式：u s b 2 0 ； 量程范围：士o 1 v 士2 0 v ； 传感器的频响范围：7 0 4 0 0 k h z ； 最高采样频率：2 0 m s p s ； a d 采样精度：三1 2 位采样精度； 信噪比： 5 8 d b ； 数据传输速率：2 0 m b s ； 2 4 本章小结 本章阐述了声发射采集监测系统的在磨削加工中的应用原理，并给出了具体 的应用功能：消空程功能、防碰撞功能和提高磨削质量功能。在功能框架主要包 括采集模块、分析处理模块、数据传输模块、显示存储模块。最后详细叙述了各 个功能模块的需求。 重庆大学硕士学位论文 3 硬件设计与实现 3 硬件设计与实现 3 1 采集模块硬件设计 声发射监控系统要求应尽可能地排除或减小噪声的干扰，而机械干扰噪声的 频率一般在数千赫兹以内，因此在选用声发射检测元件时应尽量选用较高的频率 特性，通过高通滤波器屏蔽低频噪声，以提高监控结果的准确性与可靠性。为此， 本课题的声发射检测系统的采集模块主要包括声发射传感器、前置放大器、主放 大器、a d 转换器等部分。 3 1 1 传感器 某些晶体受力产生变形时，其表面会出现电荷，而在电场的作用下，晶体又 会发生弹性变形，这种现象称为压电效应。常用声发射传感器的工作原理，就是 基于晶体的压电效应，从而将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号， 以便对信号进行处理。 在正常磨削情况下a e 信号的频率一般在4 0 0 k h z 以下，故可以选取声华公司的 s r l 5 0 a 作为采集监控系统的a e 传感器，其尺寸为1 8 3 m m - 1 4 5 m m ，频率范围为 6 0 - - 一4 0 0 k h z 。另外，由于s r l 5 0 a 传感器输出的信号幅值很小，需要经放大器放大处 理，才能被数据a d 转换器接收，选取增益为4 0 d b 的前置放大器。声发射传感器在声 发射应用中占有十分重要的地位，是决定声发射检测仪器性能好坏的关键器件。 传感器s r l 5 0 型为压电谐振式声发射传感器，其主要性能参数为：谐振频率 1 5 0 k h z ，频率范围5 0 , - v 4 0 0 k h z ，灵敏度6 5 d b 。 实物图如图3 1 所示。 图3 1