（机械制造及其自动化专业论文）基于共振解调技术的振动信号数据采集器设计.pdf

摘要 摘要 目前的国内机械设备故障诊断领域，对于低速重载设备故障信号的提取效果 不是很理想。在这种情况下，结合共振解调技术研制针对低速重载设备的的便携 式数据采集器具有重大的现实意义。 本课题针对数据采集器各模块设计进行了具体分析并作了以下工作： ( 1 ) 根据工业现场所需，提出了利用a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 的嵌入式c p u 开发离线数据采集仪器的总体方案； ( 2 ) 研究并提出了便携式数据采集分析仪的系统硬件架构，并在此基础之上 对硬件各个模块进行了详细的设计； ( 3 ) 研究了共振解调技术基本原理与数学模型，并将共振解调技术与数据调 理模块紧密结合在一起，专门针对低速重载设备进行相关处理；通过实验和仿真， 验证了无干扰情况下硬件共振解调技术的效果； ( 4 ) 在单片机a t 8 9 s 5 2 平台上研究并开发了电子标签模块，针对电子标签 模块驱动的需要引入了单总线协议实现了相关硬件架构和软件编写，完成了电子 标签模块的制作，通过计算机辅助验证了此模块的效用； ( 5 ) 在l i n u x 系统上利用图形用户中间件( m i n i g u i ) 技术，设计了数据采 集应用软件，介绍了其各个功能模块的作用。 关键词数据采集；共振解调；电子标签；l i n u x ；故障诊断； 北京工业大学工学硕士学位论文 ii a bs t r a c t i nt h ef i e l do fm a c h i n e r ye q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i sa tp r e s e n t ，t h ep e r f o r m a n c e o f f a u l ts i g n a le x t r a c t i o ni ss ow e a k s ou s i n gd e m o d u l a t er e s o n s a n c et e c h n i q u ed e v e l o p o n es i g n a la c q u i s i t i o ni n s t r u m e n ti ss oi m p o r t m e n ta b o u tl o w s p e e da n dh e a v y l o a d e q u i p m e n t t h et h e s i sd o e ss o m es p e c i f i cs t u d i e sa b o u tm o d u l ed e s i g no fd a t aa c q u i r i n g i n s t r u m e n tt h e s ef o l l o w i n gb e l o wi st h em a i nt a s ko ft h i st h e s i s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fi n d u s t r yl o c a l e ，t h i st h e s i sb r i n gf o r w a r dt h e w h o l es c h m eo fs i g n a lc o l l e c t i o ni n s t r u m e n tu s i n gs 3 c 2 4 10 a ( 2 ) t h es y s t e mh a r d w a r ea n dt h eh a r d w a r ei n f r a s t r u c t u r eo ft h i sa p p a r a t u sh a s b e e nd e s i g n e di nt h i st h e s i s ( 3 ) t h er e s e a r c ho nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fr e s o n a n c ed e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e a i l dm a t l l e m a t i c a lm o d e lh a sb e e nd o n e ，a n dr e s o n a n c ed a t ad e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y h a sa p p l i e dt ot h es i g n a ld i s p o s a lm o d u l e s ，h a sv a l i d a t e dt h ee f f e c to ft h i sm o d u l e a t l a s t ( 4 ) h a sd e v e l o p e da c c o m p l i s h e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fe l e c t r o n i c l a b e lm o d u l ea c c o r d i n gt o1 - w i r ep r o t o c 0 1 a n dh a sv a l i d a t e dt h ee f f e c to ft h i sm o d u l e ( 5 ) u s i n gm i n i g u it e c h n i q u eb a s do nl i n u xo p e r a t i o ns y s t e md e s i g n e dd a t a a q u s i t i n ga n da n a l y s i ss o r w a r e k e y w o r d d a t aa c q u i s i t i o n ；r e s o n a n c ed e m o d u l a t i o n ；i - b u t t o n ；l i n u x ；d i a g n o s i s ； i l 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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。 签名：越日期：迦垡：l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：彳塾l 导师签名：二毕日期：色翌兰纠 第l 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 1 1 1 课题背景 我国是钢铁冶金业大国，冶金设备中有相当一部分设备是旋转机械，而滚动 轴承是旋转机械中最常用的通用零部件之一，并且也是易损件。据统计，旋转机 械的故障有3 0 是由轴承故障引起的。当轴承等部件损坏导致设备出现故障时， 设备会降低或失去预定的功能，甚至会造成严重的事故，经常导致极大的经济损 失和人员伤亡。 2 0 0 3 年7 月，某炼钢厂转炉耳轴轴承发生保持架断裂、滚珠破碎的重大事 故，致使正常生产中断4 8 小时，造成直接经济损失2 4 0 多万元。2 0 0 4 年1 2 月 3 0 日中午，东炼钢厂3 撑转炉北侧二次输入轴减速机鼓型齿接手齿全部打光，转 炉失去控制，钢水溢出造成两台渣罐车和部分钢轨烧毁。进一步检查发现，3 个 转炉的联轴器已有多个损坏( 掉牙、裂纹等) ，且3 襻转炉大齿轮已压溃，最深处 达2 毫米。此次事故，停产近7 2 小时，造成直接经济损坏1 0 0 0 多万元。这两次 事故合计损失1 2 4 0 多万元【l 】。诸如回转支承类的大型部件常年在恶劣环境下运 作，易产生突发故障，是检测维护的重点 2 1 。据初步统计，大型回转支承的一次 恶性故障会造成千万元以上的损失p 】。 生产过程中经常发生的设备故障事故，使生产过程不能正常进行或机器设备 遭受损坏而造成巨大的经济损失。因此需要采用数据采集系统对设备进行状态检 测，采集设备的状态信息，对数据进行分析，以保证设备的安全运行。但是钢铁 冶金企业生产设备的工作环境复杂，环境噪声严重。当轴承等机械部件发生故障 时，由于早期冲击故障的幅值极小，常常被淹没于强大的噪声中，难以在设备故 障初期发现故障。为了能够提取早期的设备故障信号，需要采用特殊的信号处理 技术共振解调技术对信号进行处理，以提取出早期特征信号。另外由于钢铁 企业设备多，每台设备又需要若干个监测点，因此设备的测点数目庞多，如武钢 实施的“万点受控”工程，其测点达1 0 0 0 0 多个 4 1 。如此众多的测点，难于管理， 极易出现漏检、误检的情况，也可能导致严重事故。当采集到设备状态数据后， 最好能在现场利用数据采集仪对数据进行简易分析，如有出现故障，可及时发现。 但目前的数据采集系统很难满足以上的要求，需要开发一款数据采集器，可以利 用共振解调技术对信号进行预处理，并且具备对测点进行有效管理以及对设备数 据进行简易分析功能。本课题就是基于以上背景进行的。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 2 课题研究意义 设备维修体制的目的是保证关键设备的安全运行。早期的设备维修体制基本 上属于事后维修，即设备发生故障以后再进行检修。随着流程化工业的推广，这 种落后的管理模式产生了“维修不足”的问题，往往会造成巨大的经济损失，因 此又逐步推行定期维修制度。随着对设备故障机理的研究和设备管理水平的提 高，人们又逐步认识到，定期检修实际上既不经济又不合理，会造成“维修过剩” 的问题。据美国统计局统计，美国1 9 9 0 年全年税收为7 5 0 0 亿美元，而工业设备 的维修费用就达2 5 0 0 亿美元，专家估计其中约7 5 0 亿美元是“过剩维修”费用。 因此出现了“状态维修”，即根据设备的运行状态，确定是否需要对设备进行维 修。将预防性定期维修逐步过渡到“状态维修”，是现代设备管理的需要，具有极 大的经济效益。据日本统计，在采用诊断预测技术后，事故率减少了7 5 ，维修 费降低2 5 - 5 0 。英国对于2 0 0 0 个国营工厂的调查表明，采用诊断技术后， 每年节省维修费3 亿英镑。我国每年用于设备维修的费用仅冶金部就达2 5 0 亿元， 若将故障诊断技术推广，每年可减少事故5 0 - 7 0 ，节约维修费用1 0 - - 3 0 ， 效益相当可观p j 。 实现设备“状态维修”的方法也经过了一个很长的发展阶段。早期对设备故 障进行预测诊断主要是靠工人通过听、摸等感觉器官来进行，这种方式很大程度 上依赖于工人的经验，极易出现失误。随着检测仪器的发展，越来越多的企业采 用数据采集器来对设备状态进行检测，提高了诊断的准确率。据统计利用数据采 集器对设备进行诊断的准确率是人工方法的3 倍以上。 利用数据采集器对设备进行检测并将采集到的数据进行精密分析，根据设备 的状态信息制订维修计划，可以保证设备安全运行，防止恶性事故发生。它可以 及时发现设备的运行故障先兆，诊断产生故障的原因，为生产和维修提供决策依 据，同时也避免了定期检修引起的生产停顿。因此，利用数据采集系统对设备进 行监测和分析可以产生巨大的经济效益，总结起来，主要有以下三个方面的优点： 首先，可以及时发现设备故障，避免严重的突然事故，从而提高设备的安全 运行率，增加产值。 其次，即使设备发生故障，也可以从系统提供给我们的数据中找出故障的原 因，对故障设备进行精确定位。在检修中做到心中有数，延长检修周期，缩短检 修时间，提高检修质量。 最后，如果在设备严重损坏的前期发现故障的前兆，可以进行预防性维修。 将设备从定期性维修发展到预防性维修，可以使备件的储备量减到最小。 作为机械设备状态监测系统中的重要分支，离线设备状态监测系统尽管不能 对设备完全实现2 4 小时不问断监测，但它远比在线设备状态监测系统灵活、方 便、成本低，因此在大多数冶金企业中，除了对少数大型关键设备进行在线监测， 2 第1 章绪论 普遍采用数据采集器进行监测，数据采集器便成为钢铁冶金等许多制造业企业所 需求的设备维护设备，因此对数据采集器的研究与开发是尤为重要的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 离线数据采集仪器发展现状 离线数据采集仪器是一种由人工携带，在现场采集机械设备振动信号的仪 器。它具有现场记录、实时分析或现场记录、离线分析功能。它由安装在机器设 备上的振动传感器或其他传感器所测得的电信号，经过采样作为输入信号，配以 多种测量分析技术，通过多样化的显示格式输出，主要应用于对机器设备进行定 期巡回状态监测和故障分析诊断等。它能和计算机一起组成独立的监测诊断系 统，是机械设备的计算机辅助诊断手段之一。 近年来，随着微处理器和大容量存储器的广泛应用，数据采集器正向着智能 化方向发展，具有信息采集、显示、处理、传输以及优化检测与控制等多种功能， 而且具有体积小、携带方便的特点【6 l 。智能化，小型化已经成为数据采集器发展 的整体方向。 由于现今微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术发展迅速，数 据采集技术尤其是国外数据采集技术发展迅速。近年来外国公司展示的新产品可 以概括为功能多样、携带方便和易操作等方面。其中以瑞典s p m 公司的s p m 系列 产品，英i 垂l s c h l u m b e r g e ri m p 3 5 9 5 系列数据采集器、英国a c i c 的d a t a s c a n 7 0 0 0 系列【7 】，美国b e n t l y 公司的3 5 0 0 系列振动监测系统【8 】等为代表。瑞典s p m 公司 的数据采集分析仪采用冲击脉冲( s h o c kp u l s e ) 技术，可以比较有效地监测到 轴承的早期损伤类故障，并且不需要进行频谱分析；可以配有好几种类型的传感 器，如探头式、螺纹快速连接式等；还可配有便携式微机以便进行数据处理并给 出检测结果，使用十分方便。英国s c h l u m b e r g e ri m p 3 5 9 5 系列数据采集器主要用 于工业环境和其它恶劣条件下的多通道、慢变化模拟信号的实时连续监测和各种 开关量信号的输入输出，以及模拟量的输出，从而实现对生产过程中数据的采集 和控制；i m p 3 5 9 5 系列数据采集器的具有测量精度高、抗干扰、功耗低、效率高、 安装方便和使用灵活等特点【7 j 。 在国内，上世纪8 0 年代末至l j 9 0 年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据 采集器，基本上已经达到了国外数据采集器的初期水平。9 0 年代后期尤其是进入 2 l 世纪后，随着大规模集成电路的应用，微控制器的发展以及数字信号处理器 ( d s p ) 的广泛应用，国内数据采集仪的开发也进入了一个全新的阶段。吉林大 学利用单片机8 0 c 1 9 6 k c 开发了内燃机数据采集分析系统【8 】。华中科技大学利用 a c s 4 0 5 1 v en sg x l 3 0 0 主板开发了往复式压缩机的数据采集分析仪【9 j 。电子科 技大学利用d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 开发了旋转机械状态监测系统【l0 1 。北京京航 北京工业大学工学硕士学位论文 公司3 6 0 0 系列数据采集器内部集成了功能完善的分析软件，可以监测振动、温度 等参数。上海华阳检测仪器有限公司生产的h y l 0 6 仪器具有i b u t t o n 接口，可以对 测点进行管理。 经过对国内外现有数据采集行业产品的性能、价格、功能的调研，概况如下： 国外的数据采集器精度高、采样速度快、功能强大，但价格昂贵；国内的数据采 集器与国外的相比，性能上存在较大差距，但较之起步阶段已经有了相当程度的 进步。 1 2 2 共振解调技术研究与应用现状 1 9 6 6 年瑞典s p m 仪器公司根据各个钢制轴承元件表面损伤后在受载情况下 接触时要产生冲击，而冲击要引起高频压缩波的现象开发了一种称为冲击脉冲计 的仪器来检测轴承的故障。这种方法可以比较有效地检测到轴承的早期损伤类故 障，并且不需要进行频谱分析。1 9 7 4 年，美国波音公司的d r h a l t i n g 发明了一 项叫做“共振解调分析系统”的专利，后经我国航天部6 0 8 研究所唐德尧研究员的 深入研究而形成了“共振解调技术”。该方法能把冲击引起的高频谐振的幅值检测 出来，而且能进行幅值包络信号的频谱分析，所以比冲击脉冲技术前进了一步。 在国外，1 9 8 2 年r a n d a l l 提出了高通绝对值分析的解调方法，以解决齿轮调 制性故障的诊断问题；1 9 9 9 年王文义就齿轮故障诊断提出了几种新的信号处理 方法，其中就有共振解调分析，在随后2 0 0 1 年的文章中又详细地阐述了共振解 调的原理与数学模型 1 l , 1 2 】。 国内从九十年代初开始对共振解调技术进行深入探讨和应用。1 9 9 2 年王延 春、丁康提出了细化高通绝对值分析方法以提高解调谱的分辨率，大大提高了此 法的工程应用能力；1 9 9 3 年唐德尧详细地论述了共振解调技术原理以及利用硬 件实现共振解调技术的方案。1 9 9 8 年丁康提出了将带通滤波和细化高通绝对值 分析有效的和为一体的优化解调方法。1 9 9 9 年，张功学提出了共振解调器硬件 设计方法。在2 0 0 1 2 0 0 6 年间，周风星发表了若干篇关于共振解调原理以及实现 的论述性文章。 目前共振解调技术的应用多限于软件方面，在硬件实现共振解调技术方面的 成果较少。 1 3 课题来源 本课题得到了：武汉钢铁有限责任公司大型轧钢厂项目设备监测远程诊断 系统横向课题( 编号：a 0 7 0 0 a 0 1 0 1 ) 的资助。 1 4 主要研究内容及结构 本课题分析了传统数据采集分析仪的特点，为了满足现代企业测点数据量大 的需要，提出并设计了采用$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器为内核的嵌入式c p u 开发数据采 4 第1 章绪论 集分析仪的方案；针对钢铁企业设备生产环境复杂、恶劣，设备早期故障振动信 号微弱的特点，研究了用于检测早期微弱信号的共振解调技术原理以及硬件实 现；针对企业设备测点多，难于管理的状况，设计了电子标签模块，可以更好的 管理测点信息；同时开发了外围电源模块，作为设备最终离线工作的供电基础并 完成了a d 转换模块的接口设计；最后，在l i n u x 系统下开发了具有最基本功能 的上层的应用软件。 本论文章节内容的具体安排如下： 第l 章为绪论部分，介绍了本课题的背景与意义，以及数据采集器、共振解 调技术等的国内外研究和应用现状。 第2 章为系统总体设计部分，分析了当前常用数据采集分析仪的优缺点；为 满足现代企业需要，提出了利用基于$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器的开发数据采集器的总体 方案。 第3 章为硬件平台设计开发部分，详细介绍系统硬件平台的各个模块，包括 器件选择，电路设计和驱动程序设计。 第4 章为共振解调信号调理模块的设计与实现，说明了共振解调技术原理及 其数学模型，介绍了共振解调信号调理模块的硬件设计。最终完成了基于共振解 调技术的信号调理电路板，并通过实验验证了硬件共振解调效果。 第5 章为系统应用软件设计，介绍系统应用软件设计。介绍了软件整体的架 构和重点功能模块的功能，以及今后所需做的补充工作。 总结与展望部分则具体总结了数据采集器关键技术的研究成果，并对其不足 之处做了分析，为下一步开发指出了方向。 5 第2 章系统总体设计 第2 章系统总体设计 2 1 系统基本组成 振动信号数据采集器的基本功能就是利用传感器拾取振动量转变成电信号， 经过信号调理进行相应的处理，通过a d 转换将得到的数字信号存储下来。基 本的信号数据采集器由传感器、信号调理模块、a d 转换模块、控制模块、存储 模块以及数据处理软件等几部分组成，基本结构如图2 1 所示。 图2 1 数据采集器结构 f i g u r e2 - 1f r a m e w o r ko f d a t aa q u i s i t i n ge q u i p m e n t ( 一) 传感器 传感器是一种能够感受规定的被测量并按照一定的规律和一定的精度转换 成可用于输出信号的器件或装置，通常的传感器可以将将非电物理信号转换成电 信号【1 3 1 。它通常由敏感原件和转换原件和转换电路组成。常用传感器主要包括 位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器、湿度传感 器等。只有少数传感器可以将待测信号直接转换为数字信号，大部分传感器输出 的仍是电压或电流等模拟信号。 ( 二) 共振解调信号调理电路 通常传感器输出的信号不能直接加以利用。主要原因是传感器输出信号的幅 度可能过高或者过低；在工业环境中，传感器得到的原始信号往往含有许多干扰 成分。信号调理的模块需要通过信号放大、隔离、滤波、包络检波把所需要的信 息从传感器输出信号中分离出来，并以适当的形式传给系统下一级【1 3 】。一般需要 通过模拟电路器件对信号进行预处理。信号调理电路在整个信号采集系统中是至 关重要的。本设计的重点是共振解调电路，共振解调能起到放大微弱故障信号， 较好的保留下带有故障信息的微弱信号的作用。 ( 三) a d 转换 7 北京工业大学工学硕士学位论文 计算机处理器所处理的信号为数字信号，传感器拾取的信号一般为模拟信 号，需将通过a d 转换器将模拟信号转换成数字信号输入到计算机进行处理。 ( 四) 控制模块 控制模块指的是由嵌入式c p u 组成的嵌入式最小系统。主要包括处理器、 存储器、外围电路接口。控制模块的主要功能是控制外围电路工作、进行数据采 集并对数据进行存储处理【1 4 j 。 ( 五) 数据分析软件 数据分析软件是运行在系统硬件和操作系统上层的。要求它除了具有数据分 析、故障诊断功能之外，还要完成对硬件设备的控制。 2 2 需求分析 当轴承元件表面有局部损伤类故障( 如剥落、点蚀、裂纹等) 时，伴随轴承 运转这些故障会产生周期性脉冲冲击。本课题所研究的大型设备中的低速重载设 备，其轴承旋转频率很低( 在o 。1 h z 左右) ，频域却很宽，并且其中混杂了很多 的噪声信号，用常规仪器采入的信号存在较多干扰，直接导致波形里各种信号混 杂，难以分离出有效的故障信号，在后续的各种分析中难以对存在的故障进行精 确有效的分析。这在目前的广大钢铁企业中正是一个难点所在，速度低，冲击慢， 对于一般的数据采集器的精度来说基本是难以捕捉的，因此这类设备的安全状况 不适合通过通常的数据采集设备进行监测。 本系统所采用的共振解调技术，并不是直接分析振动信号的频谱，而是设置 一个谐振频率远远高于常规振动频率的“共振器”去处理振动信号。常规的、不 危害机器安全的振动是柔和的，不含有“共振器”频带内的频谱分量，共振器没 有与之相关的输出；而故障冲击不论多么小，也含有几乎无限丰富的高频能量， 能够激发共振器发生共振，故障冲击得到了放大。采用共振解调技术，在前端设 置一个合适的谐振器，将故障信号( 高频) 干净的分离出来，把噪声信号有效的 隔离，能够很大程度上提升数据采集系统的性能。因此结合共振解调技术的数据 采集系统是企业很需要的。 尽管国内数采器技术发展已经取得了一定成果，但是与国外相比还是存在较 大的差距，主要体现在精度不够、速度慢、软件不丰富、界面不美观，仪器体积 过大等，而国外发达国家的相关产品虽然具备技术和服务上的巨大优势，成本和 费用上的付出太高是导致他们无法在钢铁企业中普及的主要原因。传统的便携式 数据采集分析仪大多是采用单片机或r i s cc p u 作为其核心的处理器，一般是8 位或1 6 位的，内存只有几k ，外部扩展存储器的容量也只有1 2 m ，因此存储 的数据量不是很大；再加上c p u 的主频不是太高，如果要进行大量的数据运算， 则需要很长的等待时间：图像显示基本上依靠黑白液晶，颜色单调，单屏可以显 示的信息量比较少。随着信号处理技术和i c 技术的不断发展，早期的便携式数 8 第2 章系统总体设计 据采集分析仪已经无法满足现在的需求，其中最主要的缺点精度不高主要是由前 端信号处理模块设计不合理造成的，而速度慢则应该归咎于微处理器的落后。运 算速度快、数据存储容量大、体积小、图像色彩丰富、耗能低等特点成为现代便 携式振动测量分析仪的必备条件【l ”。 针对目前冶金企业低速重载设备故障信号提取困难的情况，本文引入了共振 解调技术作为信号预处理模块的核心技术；针对已有数据采集系统精度不够、速 度慢的情况，本文引入了比单片机更高级的微处理器a r m ，很大程度上提高了 系统性能；针对已有仪器体积过大的缺点，本文引入了专门针对便携式系统应用 的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 ，以其强大的功能节省硬件空间；针对已有系统软件不 丰富、界面不美观，本文引入了准操作系统l i n u x ，在3 2 位系统平台下直接编 程；针对日常点巡检测点容易遗漏的情况，引入了电子标签模块来实现巡检计划 的下达、回收和设备的日常管理；针对系统实时性能可能存在的实时性缺陷，本 文采用了双c p u 来减缓主处理器的压力。综合以上企业生产需求情况和目前相 应设备的不足，本章提出了一种利用共振解调技术为信号调理模块，结合由a r m 9 微处理器开发便携式数据采集分析仪的方案。 针对钢铁企业设备多，测点多，测量数据容量大，现场复杂，条件比较恶劣， 干扰比较严重等等特点，为本系统的各项参数提出以下要求： ( 1 ) 以共振解调技术为核心。这是本课题的重点，也是该数据采集分析系 统之所以能在大型低速重载领域完成其他设备、仪器所不能完成的任务的一个本 质原因。 ( 2 ) 大容量数据存储利用大容量的f l a s h 存储器和s d r a m 存储器构成数 据存储系统，可以存储大容量的测量数据。 ( 3 ) 具备电子标签功能电子标签是近年来在钢铁、冶金行业中兴起的一项 技术和设备，在进行设备日常监测时对于防止设备的漏监测，以及实现设备的电 子管理、登记，都有着非常好的效果，因此本数据采集分析系统也应该具备相应 的电子标签数据识别、回收功能。在本系统中采用了d a l l a s 公司的i - b u t t o n 产品进行相关的开发。 ( 4 ) 简易数据分析功能运用数字信号处理知识对采集数据进行简单的常规 分析，从而对振动情况作出初步分析和诊断。 ( 5 ) 功耗小，体积小，携带方便，外形美观。 2 3 目标要求 根据本课题的实际需求，本文设计的数据采集器的主要部分参数要求如下： ( 1 ) 采集的信号类型与特征以及传感器的选择 传感器类型：i c p ( i n t e g r a t e dc i r c u i tp i e z o e l e c t r o n i e ) 传感器1 1 6 】，信号类型： 加速度信号，频带范围：1 0 2 5k h z ，通道数：l 。它是一种内置集成电路的压电 9 j 匕京l 业大学 坝 。州 论文 传感器。与外背前荫放大器的压电传感器棚比其线陆皮与稳定陛商，其哭敏度受 u 缆分如。u 群的j | 三州小。采刚| ：亘流源供f n 供屯电缆坩作为信号输出线输 信号m 抗低。其系纯结构和外观如图2 - 2 所示： 幽2 - 2i c p 加速度传感器结构阁投史物 f i g u r e2 - 2 i c p a c c e l e r a t o rs e n s o r ( 2 ) 高性能的嵌入式处理嚣 处理器的运算能力直接决定了嵌入式系统的整体性能。由于本系统设计之初 考虑到系统要求具有强大的数据分析处理能力，所以，初步选定为3 2 位的r i s c 处理器。具体型号的选择将在下文中详细介绍。 ( 3 ) 数据分析功能要求 本文研究的数据采集分析仪要求具有简易的数据分析功能，方便现场点检人 员做些简易的故障诊断。数据分析功能主要包括：时域统计指标计算i 时域频 域波形图显示。 ( 4 ) 电子标签与点检任务管理功能 作为企业中考勤以及为了减少漏检和误检的一个重要措施，本数据采集分析 仪中集成了电子标签i b u t t o nd s l 9 9 0 a 和点检任务管理功能。d s l 9 9 0 a 1 1 。i 是 d a l l a s 公司生产的具有全球唯一的4 8 位序列号的信息纽扣可以用它对设备的 每一个测点进行标识。d s l 9 9 0 a 内的信息同读写器之间传递只需要短暂接触即 可完成。d s l 9 9 0 a 的芯片包含在一个纽扣状的不锈钢外壳中，可以耐冲击、油 污、酸蚀、电磁于扰等恶劣条件。 ( 5 ) 数据通信功能 无一例外，太部分的嵌入式设备都要求有丰富的各种数据接口，方便信息在 不同比备之间传递。本数掘采集分析仪集成了以下数据通信接口：串行通信接口 ( 与上位机通信的接口) ：u s b h o s t 接口( 通过移动存数吐备导出数据) ；s d 卡 接口。 ( 6 ) 友好的用户界面 2 4 系统硬件的整体架构 系统工作流程：传感器采集到的信号以电压的形式输入到信号调理模块进行 处理，去除干扰和噪声之后，通过a d 转换模块得到数字信号，送入嵌入式c p u 进行处理，同时可以通过l c d 显示结果。电子标签( i b u t t o n ) 接口将得到的i d 序列码送入嵌入式c p u 处理器，由程序对序列进行判别并识别设备。系统所需 主要功能模块介绍如下： ( 1 ) 传感器接口：本系统传感器选用的是i c p 型传感器，本接口主要是为 其提供恒流源与激励电压。同时，将传感器的输出接入系统中。 ( 2 ) 共振解调信号调理模块：如前所述，完成信号的隔离、放大、滤波、 包络检波等信号处理。 ( 3 ) a d 转换及其总线接口：对调理输出的信号进行a d 转换，通过接口 输入到微控制器内部进行处理与存储。 ( 4 ) a r m 最小系统：此模块是本系统的核心，采用的是s u m s u n g 公司 出品的3 2 位处理器：s 3 c 2 4 1 0 a 。它包括8 m 的n a n df l a s h 和3 2 m 的s d r a m ， 以及时钟电路、复位电路等。它主要负责系统的控制、数据的运算处理、外围设 备的控制等功能。 ( 5 ) 单片机：采用m c s 5 1 单片机构建电子标签与键盘模块，它与a r m 最 小系统之间通过s p i 通信协议进行通信。 ( 6 ) 电子标签：采用d a l l a s 公司的d s l 9 9 0 a ，与单片机之间通过单总线协 议连接。 ( 7 ) 键盘：数字录入以及人机交互的输入设备。 ( 8 ) 电源管理与电压转换模块：便携电子设备现在往往采用的是锂电池供 电，而电池的电量是有限的。所以，如何利用有限的电池电能来尽可能的延长设 备的工作时间，是电源管理需要重点考虑的问题。同时，系统中需要各种不同电 压电源进行供电，电压转换也是我们设计产品时的一个主要的任务。 ( 9 ) 通信接口及l c d 显示：本系统主要有三种数据通信方法：u s b 、串口 和s d 卡接口。 2 5 数据采集分析仪软件整体架构 数据采集分析仪的软件整体结构如图2 3 所示，分为两个部分：系统软件和 应用软件。系统软件指的是嵌入式l i n u x 操作系统。应用软件指的是在操作系 统和图形中间件的基础上开发的应用程序。 北京工业大学工学硕士学位论文 li ii i 皇 l全三竺三：二二二 图2 - 3 系统软件结构 f i g u r e2 - 3i n f r a s t r u c t u r eo fs y s t e ms o f t w a r e ( 1 ) 操作系统层1 1 8 】 嵌入式操作系统是充当嵌入式系统用户与系统硬件资源之间的一个中介，并 用于管理硬件资源与控制应用软件运行的计算机程序。简单来说，操作系统一般 提供程序运行、i o 设备访问提供、文件访问、程序开发等服务。 ( 2 ) 图形中间件层【1 9 】 在嵌入式产品开发中，除了操作系统之外，开发人员关注最多的另外一个系 统软件组件就是图形支持系统。只要是面向人机交互的嵌入式产品，就设计到文 字或者图形输出的问题。就以本数据采集分析仪为例，采集参数的设置、数据分 析结果的图形显示等都需要功能相对完备的图形用户界面( g u i ) 支持，以便能 实现更加人性化的、提供更多功能的人机交互接口。因此，嵌入式产品的开发， 除了硬件的选择、操作系统的选择以及设备驱动程序的开发工作以外，工作量最 大的开发任务应属于应用软件，尤其是图形相关的应用软件的开发。 对于嵌入式系统的图形需求，本设计采用北京飞漫软件公司提供的图形中间 件m i n i g u i 作为系统的图形解决方案。 ( 3 ) 系统应用程序 本系统的数据采集分析软件是在操作系统和m i n i g u i 的基础上开发完成的， 主要通过图形界面的方式来实现人机交互，如采集参数的设置、数据采集、数据 的管理、数据分析、数据传输等功能。 2 6 本章小结 本章提出了数据采集器的总体设计方案。对本系统的设计提出了一些具体的 参数要求，在此基础之上提出了基于嵌入式技术的数据采集分析仪的整体解决方 案。介绍了本系统的硬件、软件组成结构、各个模块的功能。 1 2 第3 章硬件电路设计 第3 章硬件电路设计 本数据采集器主要由1 6 位a d 转换模块、核心微处理器单元、辅处理器单 元、i - b u t t o n 接口模块、i o ( u s b ) 模块、存储模块、l c d 显示模块指令录入 模块( 键盘) 、数据分析模块组成。其工作流程为传感器拾取的振动信号经光电 耦合模块进行光电隔离以后，经过基于共振解调技术预处理模块进行必要的预处 理工作，再经1 6 位加转换模块提供的接口送入基于a r m 技术的核心处理模 块进行处理，同时可以通过s 3 c 2 4 1 0 开发版的u s b 接口进行数据存储并把数据 送给上位机，再用专用上位机分析软件对信号进行分析处理，同时也可以先保存 在存储模块( n a n df l a s h ) 里，调用采集分析仪内部n a n df l a s h 里的分析软件进 行一个相对比较简单的分析；i - b u t t o n 模块提供的接口用来对设备上的电子标签 进行识别，可以用此来防止漏检测点；显示采用真彩色l c d 显示模块以显示多 样的数据采集以及分析情况；用户录入模块采用键盘模块。系统硬件的整体结构 如图3 1 所示。 图3 1 系统硬件整体架构 f i g u r e3 1i n f r a s t r u c t u r eo fs y s t e mh a r d w a r e 1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 3 1 主处理器模块 振动数据采集器中嵌入式c p u 采用韩国三星公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片【2 0 1 。 $ 3 c 2 4 1 0 a 是以a r m 9 2 0 t 处理器为内核的3 2 位微控制器，a r m 9 2 0 t 内核由 a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其中，全性能 m m u ，可管理虚拟内存，支持w i nc e 、l i n u x 等嵌入式操作系统。采用h a r v a r d 结构，支持1 6 k b 数据c a c h e 和1 6 k b 指令c a c h e 结构分离，具有更高的指令和 数据处理能力。为减少系统成本，$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片内部集成了各种外围设备，包 括：存放b o o t l o a d e r 启动程序的n a n df l a s h ；芯片选择逻辑和s d r a m 控制器 的系统管理器；支持s t n 和t f t 带有触摸屏的l c d 控制器；p l l 时钟产生电 路；3 通道u a r t ，具有m o d e m 、红外收发功能；4 通道d m a ：4 通道带p w m 功能的定时器和1 个内部时钟( r t c ) ；看门狗计数器：8 通道l o 位a d c 模块； i i c 总线接口，i i s 总线接口；2 个u s b 主机接口，其中1 个u s b 可作为设备接 口；s d 接口和多媒体接口；2 通道s p i 接口；1 1 7 个通用i o 口和2 4 个外部中 断源【z i j 。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 。该芯片主要针对手持设备和通用情 况设计，丰富的外围接口电路，为产品的开发应用提供了很高的性价比。 3 2 共振解调信号调理模块的设计 钢铁企业生产设备工作环境复杂，环境噪声大，设备早期故障幅值小，常常 被淹没于强大噪声之中，为得到早期设备故障的有效信息，数据调理模块信号分 两路输出，一路信号采用了共振解调技术进行处理，可以有效地提取设备的早期 故障特征；另一路信号只是进行了常规处理，如放大、滤波等，可以从该路信号 中发现设备中后期故障。此模块设计为本文的重点，将在第四章中对该模块的设 计进行详细说明。 3 3a d 转换模块的设计 本设计采用t i 公司的a d 转换器a d s 7 8 0 5 ，a d s 7 8 0 5 是一款1 6 位、逐次 比较型、单通道、并行数据接口、最高采样频率为1 0 0 k 的a d 转换器。a d s 7 8 0 5 采用逐次逼近式工作原理，转换结果由16 位数据线并行输出，有d i p 2 8 和s o 2 8 两种封装。它内部集成了采样保持电路以及电压基准、时钟等电路，广泛的应用 于各种仪器仪表中。 其主要性能指标如下【2 2 】：最大采样频率：1 0 0 k h z ；输入信号范围：1 0 v ： 2 0 k h z 内信号输入时信噪比：最小8 6 d b ；最大非线性误差：3 l s b ；无丢失码 位数：1 6 位；供电电压：单电源正5 v ；完整的并行数据输出接口；最大功耗： 1 0 0 m w 。 a d s 7 8 0 5 的输出为5 v 的c m o s 电平，而$ 3 c 2 4 1 0 a 为3 3 v 的l v t t l 电 1 4 第3 苹硬件电路设计 平。由于a d s 7 8 0 5 与$ 3 c 2 4 1 0 a 逻辑电平的电压不同，所以在数据总线上需要 进行电平转换，德州仪器公司生产的s n 7 4 l v c l 6 t 2 4 5 是一种1 6 位并行、双向、 三态、电平转换芯片。参考$ 3 c 2 4 1 0 a 的用户手册，a d s 7 8 0 5 的物理地址为 0 x 0 8 0 0 0 3 0 0 。t o u t 0 引脚是$ 3 c 2 4 1 0 a 的p w m 定时器t i m e r 0 输出端，经过 非门后与a d s 7 8 0 5 相连接，按照要求的频率产生a d 转换的调制脉冲。a d s 7 8 0 5 与$ 3 c 2 4 1 0 接口电路示意图如图3 2 所示。 d p ：1 5 】 1 6 b i td a t ab u s1 6 b i td a t ab wm d 0 ：1 5 】 s n 7 4 l v c l 6 1 r 2 4 5 a d s 7 8 0 5 l ( 仁 s 3 c 2 4 1 0 a m a 2 n g c s l 刚 皿 t o l r m 图3 - 2a d s 7 8 0 5 与s 3 c 2 4 1 0 接口原理图 f i g u r e3 - 2c o n n e c t i o nd i a g r a mb e t w e e na d s 7 8 0 5a n d $ 3 c 2 4 10 a 3 4 电源管理模块的设计 针对本系统中出现的功能模块，在该模块的设计中充分考虑了每个模块所需 要的工作电压。通过该模块给各个模块输送相应的电压。在该模块的设计中不仅 采用了在便携式电子设备中经常采用的锂电池供电，而且还利用有限的电池电能 来延长设备的工作时间，具备充电功能。 系统具体供电情况为：锂电池( 一般情况下，容量在2 6 0 0 m a h 左右锂电池 输出电压标准都在4 2 v ) 电量检测以及锂电池充电控制；给传感器提供4 - 2 0 m a 恒流源；给滤波电路提供1 5 v 电压：给单片机a t 8 9 s 5 2 提供5 v 电压；给a r m 芯片、u s b 、串口、s d 卡、l c d 电源提供3 3 v 和5 v 电压。系统供电方案如图 3 3 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 d c 接口 锂电池 按钮接 通关断 控制器 v 电源管理芯片 m a x 8 6 6 2 l c d 接口 3 3 v 转 s v 单片机 s 3 c 2 4 l o x 核心 板 串行通信接口 s 1 ) 卡接口 图3 3 系统电源方案 f i g u r e3 - 3s y s t e mp o w e rs u p p l yd i a g r a m ( 1 ) m a x 8 6 6 2 2 3 1 m a x 8 6 6 2 作为系统的核心电源管理芯片，它内部集成了两个同步开关整流 器，一个能驱动2 7 个l e d 的升压整流器，4 个降压线性整流器以及一个为锂电 池充电的线性充电电路。m a x 8 6 6 2 具有智能电源选择器，在有外部供电电源和 电池供电同时存在的情况下，他能在两者之间智能的切换，l t - , 女n ，外部电源不能 提供系统所需要的电流，这时，电池也将为系统提供电能；如果外部电源供电能 力有剩余，充电电路将启动，为电池进行充电。同时，m a x 8 6 6 2 内部还具有温 度保护电路，用来规定电池充电的时间以避免过热损坏电池。 芯片内部包含一个智能电源选择器( s p s ) 电路，可实现a c 适配器或u s b 电源、电池以及系统负载之间灵活的电源分配，充分利用a c 适配器u s b 电源。 可以使用系统负载供电的剩余功率为电池充电。如果系统负载峰值高于限流，则 由电池补充所需电流。热调节电路减小从电源吸入的电流，从而避免出现过热。 s p s 电路基本功能如下： 当该模块同时由外部电源和电池供电时： 若负载电压大于电源电压，电池对负载电路供电，