（机械电子工程专业论文）起重机械中的状态监测技术抗干扰研究.pdf

摘要 在信号处理中，一般认为噪声是有害的，因它扰乱了信号。因此总希望所采 集的信号中尽量不含噪声，但这在实际中是不可能的。正因为如此，才产生了一 系列噪声信号的处理算法和处理理论。 本文通过分析港口起重机状态检测评估系统( 简称c m a s 系统) 的工作特点 和所处于的工作环境，得出c m a s 系统属于受干扰的敏感元件，其主要外部干 扰源为高压变频器和大功率电动机，其传播形式为变频器和电动机的输送导线对 传感器信号线的电磁耦合，这样传感器到采集箱为受干扰最严重段。减少这个通 道的噪声是系统抗干扰的关键，同时也应提高系统本身的精度和抗干扰能力。本 文结合信号处理理论，提出了测试系统的硬件设计的基本要求，要求高的共模抑 制比、传感器稳定性好、低噪声和低漂移等，在软件上，要求实时性好、稳定性 高等。 根据以上要求本文做了如下设计： 1 、设计预处理电路，采用两级放大的方式，选用仪表放大器i n a l l 5 和 i n a l 2 8 提高共摸抑制比和降低漂移；选用频谱均衡法设计的高抗干扰电源 以降低外部电网对测试电路的影响，利用带有良好屏蔽的信号以降低外部 辐射影响；根据港口起重机振动频率在0 1 到1 0 0 0 h z 之内，利用八阶低通 滤波器m a x 2 9 5 去除高于1 0 0 0 h z 的高频信号，防止采样时的混叠现象。 2 、采用自适应滤波的方法利用双通道对消噪声信号，并通过m a t l a b 编写程序， 利用正弦波受到随机信号干扰进行仿真算，并在实际工程信号得到验证。 3 、利用硬件电路实现自适应算法，采用1 2 位的a 07 8 9 2 - 1 转换芯片、美国 德州仪器公司的t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 ad s p 芯片，配以相关的外围电路，完成 交流电信号的数据采样、处理、存储、通信。整个系统充分发挥了d s p 芯 片的数据处理优势，大大提高了系统的运算速度和性能。另外，在硬件功 能实现的同时，考虑到了系统的抗干扰性，提出了相应的硬件抗干扰措施。 本论文完成了系统软硬件抗干扰设计并通过仿真得到证明，最后通过实验证 本文研究的系统能够达到性能指标的要求。 关键词：抗干扰，放大器，白适应滤波，t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 a b s t r a c t i ti sc o n s i d e r e dt h a tn o i s ej a m sn o r m a l s i g n a li ns i g n a lp r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，w ea l w a y sh o p et oa c q u i r ed a t aw i t h o u tn o i s e b u ti ti sa c t u a l l y i m p o s s i b l e b e c a u s eo ft h i s ，t h e r ea p p e a ras e r i e so fs i g n a lp r o c e s s i n g a r i t h m e t i c sa n dt h e o r e t i c s b ya n a l y z i n gp o r tc r a n em o n i t o d n g & a s s e s s m e n ts y s t e m sp e r f o r m a n c e a n di t ss u r r o u n d i n g ，i ti sf o u n dt h a ti ti ss e n s eo r g a na n d 眙j a ms o u r c e sa r e h i g h - p o w e re q u i p m e n t s 。i t s r a d i a t em a n n e ri st h a tt r a n s d u c e r s a n d e l e c t r o m o t o r sw i r e sc o u p l et e s ts y s t e m i ti ss e v e r i t yp o i n tw h e r es i g n a l t r a n s f e rf r o ms e n s o rt oe l e c t d ca r k 1 no r d e rt or e d u c ec h a n n e in o i s e w e s h o u l de n h a n c ec i r c u i t sp r e c i s i o na n da n t i - j a m sc o m p e t e n c e w ea d v a n c e b a s i cs t a n d a r dw h i c hi su s e dt ot e s tc i r c u i th a r d w a r e h i g hc o m m o n m o d e r e j e c t i o nr a t i o ，g o o ds t a b i l i t yo fs e n s o el o wn o i s e ，l o wd r y i n g d e s i g na sf o l l o wb a s i n go nt h es t a n d a r da b o v e d e s i g np r e t r e a t m e n tc i r c u i t ，u s e t w ol e v e l s m a g n i f i e d c i r c u i ta n d i n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e ri n a l15a n di n a l2 8 i m p r o v ec o m m o n m o d e r e l e c t i o nr a t i oa n dr e d u c ed r i f t i n g ，s e l e c tp o w e rs u p p l yd e s i g n e db yf r e q u e n c y s p e c t r u me q u i l i b d u m r e d u c ee f f e c to fo u t e rt e s tc i r c u i t s e l e c ts i g n a lw i r ew i t h g o o ds h i e l d ，r e d u c ej a m 仃o mo u t e rr a d i a t e b e c a u s er a n g eo fo s c i l l a t i o n f r e q u e n c yo fp o r tc r a n ei sf r o m0 1h zt o1 0 0 0 h z u s ee i g h tr a n k si o w p a s s m a x 2 9 5w i p i n go u to v e rl0 0 0 h zs i g n a li no r d e rt op r e v e n ts i g n a la l i a s i n g s i g n a li st r a n s m i t t e df r o ms e n s o rt od a t ac o l l e c t i o nb o x , h i g h p o w e re q u i p m e n t r a d i a t es i g n a l ，w eu s eas e r fa d s i p t i v ef i l t e rw h i c hh a st w oc h a n n e l s ，o n ei s p r i v a t ei n p u t ，t h eo t h e ro n ei sn o i s e ，w ec a nu s el a t e ro n ec a n c e l i n gf o r m e r o n e n o i s e i t sp r o g r a mi sc o m p i l e db ym a t l a b s e r fa d a p t i v ef i l t e ri ss i m u l a t e d b yas i n es i g n a la n dar a n d o ms i g n a l i te f f e c t i v e l yc o n t r o l st h ec h a n n e ln o i s e a n di sv a l i d a t e db yt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n w eu s e7 8 9 2 - 1d u a l12 - b i ts e r i a li n p u ta n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e ra n d t m s 3 2 0 l f 2 8 12 am i c r o p r o c e s s o rp r o d u c e db yt i c o m p a n y , w ed e s i g n p e r i p h e r a ld e v i c eo ft m s 3 2 0 l f 2 8 12 aa n dc o m p l e t ed a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a l p r o c e s s i n g ，s a v i n gd a t aa n ds i g n a lc o m m u n i c a t i o n t h ew h o l es y s t e mb r i n g i n t o p l a ys e r fs i g n a lp r o c e s s i n ga d v a n t a g e i n c r e a s e 惦p e r f o r m a n c ea n d o p e r a t i o ns p e e d i na d d i t i o n ，w h i l eb a s i cf u n c t i o n sa r ec o m p l e t e d ，ba n t i - j a m s i sc o n s i d e r e df i l l y w ea p p l ya n t i - j a m sm e a s u r e si nh a r d w a r ea n da c h i e v e g o o de f f e c t g a ol e i ( m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y ：a s s o c i a t ep r o f l iy o n g & h ux i o n g k e y w o r d s ：a n t i - i n t e r f e r e n c e ，o p t i c a la m p l i f i e r , a d a p t i v ef i l t e r , t m s 3 2 0 l f 2 8 12 论文独创性声明 本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。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名 论文使用授权声明 日期：筮垡2 12 ； 本人同意上海海事大学有关保留、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；学校可以上网公 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遵守此规定。 作者签名：谴导师签名： 醐：芈占 ， 上海海事大学硕士学位论文第二版 1 、概述 1 1 机械故障诊断的意义【1 】f 2 】 第一章绪论 振动工程近十多年来发展非常迅速，受到了国内外专家和工业、农业、国防各部 门科技工作者的重视。近代工程技术的飞跃发展，特别是航空、航天、海洋工程、电 力、化工等技术的发展，必须对振动进行预测、采集，并实时处理在运行过程中的载 荷数据的响应数据，对大型结构系统进行振动和噪声分析，对可能产生的过大振动事 先加以避免或进行控制以确保安全。振动工程包括振动、冲击、波动、噪声和各种动 态技术( 包括试验技术、测试分析技术、计算技术、信号和信息处理技术、自动控制 技术、检测和故障诊断技术以及试验设备和材料动力性能等方面) 的研究，己越来越 在国民经济中发挥重要作用。 大型结构的振动有其特殊性，其振动频率一般都很低，属于低频振动，以岸边集 装箱起重机这类大型港口机械为例，实际经验表明其振动频率大致在2 h z 以下。对于 大型结构而言这样的低频振动不容忽视，仍以岸边集装箱起重机为例，在工作中岸边 集装箱起重机会受到风等因素的影响发生振动，其前臂梁由于其外伸的结构特点受外 界的影响更为明显。从材料力学的角度来看，机械振动会造成材料的疲劳损坏，使材 料产生疲劳裂纹，如果前臂梁产生裂纹并扩展到一定程度就可能导致灾难性的结果。 振动测量的意义主要有以下两个方面： 1 1 预防事故、保证人身和设备的安全 预防事故，保证人身和设备的安全是开展设备诊断工作的直接目的和基本任务之一 我们知道一些设备，特别是物流大型设备一旦发生故障将会引起链锁反应，造成巨大 的经济损失，甚至灾难性的后果。岸边集装箱起重机振动的振幅即晃动量也应引起足 够重视，因为，人机工程学的原理告诉我们，振动振幅达到一定程度时，会让人觉得 不舒服，也即产生心理反应，使其工作能力就会下降，工作效率降低，操作误差增加、 操作时间和反应时间变长等现象。如果振动的幅度进一步增加，就会对人产生生理上 上海海事大学硕士学位论文第二版 的影响，甚至还会引起病理性的损伤和病变。因而，对大型结构的振动进行测试是十 分必要的，作为振动测试的一部分，信号处理同样必不可少。本次即将研究的对象是 大型结构的振动信号处理。 劲提高经济效益 开展设备诊断所带来的经济效益包括减少可能发生的事故损失和延长检修周期所节 约的维修费用。国外一些调查资料显示，开展设备诊断可带来可观的经济效益。英国 曾对2 0 0 个工厂作过调查，结果表明，采用设备诊断技术后维修费用每年节约3 亿英 镑，除去诊断技术的费用0 5 亿英镑，净获利2 5 亿英镑。在我国的大型电厂，若出 现故障其停机一天造成的损失就达一百多万元。因此对设备故障进行有效的诊断有着 明显的经济效益。 1 2 机械故障诊断设备发展的现状【3 】 最早发展设备诊断技术的国家是美国。在美国宇航局和海军研究所的倡导和组织 下成立了美国机械故障预防小组，开始了有组织有计划地对诊断技术进行研究。与此 同时还出现了了一些专业性的诊断仪器和监测系统制造厂商，如本特利( b e n t l e y ) 公 司，科学亚特兰大( s c i e n t i f i c a t l a n t a ) 公司：惠普( h p ) 公司。欧洲一些国家的诊断技 术发展各有特色，如丹麦b e c k 公司的振动、噪声监测技术：挪威的船舶诊断技术。表1 - 1 为当前国外振动分析仪比较。 表卜1 为当前国外振动分析仪比较 公司名 称 主要仪器、装置测量指标缺点 瑞典 测振仪v i b - i o振幅测量指标单一 s p m 公 转速表t a c 一1 0转速测量指标单一 轴承分析仪b e a 一5 2振动测量指标单一 司 脉冲震动仪s p m - 2 1 3 a频率测量指标单一 丹麦 轴承和齿轮监测及故障 b k 公 诊断系统，包括测振和噪 振幅、频率测量 测量通道数少、 声分析仪器，主计算机和实时性差 司 诊断软件 2 上海海事大学硕士学位论文第二版 f f t 实时分析系统( 应用 t 美国本各种传感器，尤其是电涡 特利公流传感器) 监视仪和数据 振幅、频率、相位测 测量通道数少 司处理装置组成的d d m 系统 量 a d r e 系统 德国申模块化多通道检测系统测量通道数少、 克公司 v i b r o c o n t r o l 2 0 0 0 振幅、频率测量 实时性差 我国的诊断技术研发起步较晚，目前已经在建筑、冶金、电力、化工和精密机械 等许多领域开始开展，但无论是研究开发、生产制造，还是推广应用方面尚处于起步 阶段。同时由于本身技术的原因，普遍存在实时性差、测试精度低和抗干扰能力差等 问题。 1 3 港口起重机械( 集装箱岸桥) 的状态监测【4 l 监测港口起重机械的工作状态是关系到安全生产和生产效益的大事，历来受到有 关专家和工作人员的重视，各国工程技术人员均对此进行了大量的研究工作。1 9 8 9 年，i h i 公司为横滨港口公司提供集装箱起重机计算机监测系统，这是一种集装箱起重 机故障管理控制系统，它能在计算机辅助下方便地实现对集装箱起重机隐患的全面监 测，并能解决发现的问题。1 9 9 3 年，日本三井技术报告报道了一种新型的集装箱起重 机状态监测系统，该系统具有集装箱起重机工况监测、起重机每个构成部分启动准备 状况监测、事故数据的自动存储和分析等功能，并通过起重机的操作时间可以统计出 集装箱的搬运数量。系统能通过其中几个部件的数据自动分析，使起重机运行在最佳 工作状态。 目前，我国现在的大型港口机械( 特别是大型岸桥) 的电气控制系统可以对系统 运行状态进行监控、故障显示，而对机构、结构运行状况，却缺少应有的运行监测手 段，无法对设备运行一个时期后的机构、结构状态进行判别，导致机构、结构的故障 隐患不能早期判断处理，对设备的安全运行构成严重威胁。为此，有关港口设备管理 部门要求在起重机上安装一套机械设备的状态监测与安全性评估系统，以便随时可以 监测起重机上各个电动机，减速箱和整体金属结构的技术性能状态，以便及早发现问 题，在影响装卸作业以前，排除故障，保证作业的正常进行。 由上海海事大学机械系装卸机械状态监控信息处理研究中心研究开发的c m a s 起 3 上海海事大学硕士学位论文第二版 重机状态监评系统( 简称c m a s 系统) 满足了港口的这一要求而开发的。该系统通过 布置在港口机械运行机构和金属结构各个部位的传感器来测取数据，经调理放大后， 进入计算机进行港机的状态监测和各项性能指标的评估。该系统对港机( 主要指岸桥) 机械状态监评的项目包括：轨道冲击振动、轨道接触振动、结构件的动载刚度和强度、 整体结构的三维晃动( 位移) 以及起升机构、小车牵引机构的电机、减速箱及支撑基 础的振动状态等1 4 个项目。c m a s 系统通过相对标准的建立达到对这些项目的评估，以 便随时掌握岸桥的整机运行技术性能状态，保证岸桥在规定的良好状态下工作。该系 统自2 0 0 0 年投入使用以来，已经在上海外高桥集装箱码头、宝钢运输部原料码头等全 国许多港口码头得到了广泛的应用，并取得了良好的效果，也提高了设备管理的现代 化程度。 对港口机械的机构、结构状态进行监测，首先要对其工作特点及受力状况进行分 析，随后才能做出监测点的分布和确定以何种形式获取参数，进而考虑参数的分析处 理，得出有价值或是关键的数据。 港口机械状态监测特点； 1 ) 港口机械的运行工况一般有别于其它行业中的机械设备，其各机构的运行基准点 只能是相对于结构固定、刚度不同的结构，使在测量过程中会有很大的不同，这 点明显区别于以大地为基准相对固定的运行机构。 2 ) 载荷的变化范围比较大，这主要受两大方面的因素影响：第一是设备提取的货物 形式不一、散货比重大小不同、件货长短不一，吊起时的振摆都将会在受力测点 中反映出来；第二是人为因素，同样的货物在装卸过程中由不同的人操作设备会 得到不同的参数。 3 ) 港口机械在结构的安装过程中将会产生一定的内应力，并且这部分内应力是随机 械所处不同状态变化的。因此，在考虑结构受到的外应力以外，还须兼顾内应力 的因素，这样才能列出监测受力点的总体范围，从而确定设备的安全工作受力区 域。 钔机械的刚度测试，相对于所关心的监测点的受力分析，则会清晰得多。对机构运 行关键点的观察在信号提取后的频谱分析图中显而易见，可以根据设计图纸中给 出的技术参数，对应的振源可做一比对。 5 ) 各类港口机械运用状态监测有其独特性，同时也存在不确定因素，如何对此类机 4 上海海事大学硕士学位论文第二版 械的刚度、强度进行有效测量，如何确定设备的有效安全工作参数，要做深入细 致的工作，从中得到可靠的原始数据。需要通过定期的数据采集对比、计算，掌 握和了解设备当时所处的技术水平，并建立档案。 起重机状态监测系统的作用： 为状态( 可靠性) 维修提供技术保障，为提高设备运行的可靠性和安全性提供了一 个强有力的现代化手段。 提供了科学、合理、定量的检查和监测方法和手段，节省了人力和物力，降低了劳 动强度，间接提高了经济效益。 掌握了桥吊的机械性能，实现了桥吊监控管一体化，有利于设备的一生管理。 为桥吊技术要求的改善提供更具针对性的科学依据。 c m a s 系统的技术特点 综合处理结构与机构的振动和应变信号。 多通道多工况处理能力强。 监测与评估的紧密结合，直接为设备管理服务。 技术起点高，应用操作方便。 案例分析一起升电机振动的起因 h m r l r 测点振动超标( 见图1 - 1 ) 电机转频：i o = 2 8 3 3i - i z 载荷：吊具 图1 - 1 起升电机振动 5 上海海事大学硕士学位论文第二版 特征分析：谱分析 右起升电机和起升减速箱的振动特征分析 初步诊断结果： 右起升电机的超标振动主要是结构对减速箱齿轮啮合振动共振所引起 1 4 、本文研究的主要工作 c 姒s 系统在解决问题的同时，也存在急需解决的抗干扰问题。正常信号参杂了干 扰信号，为后续工作的信号分析和处理带来极大的难度，一定程度上影响或掩盖了真 实信号。影响信号的真实性和分析结果的准确性，是迫切需要解决的问题。 本论文的工作： 1 ) c m a s 系统的工作环境，找出干扰源干扰途径，对干扰进行分类划分，分析 干扰信号的特点。 2 ) 系统中存在的不同的类型的噪声有针对地进行抗干扰处理，加强电路本身的 抗干扰能力；利用高抗干扰电源，加强信号线的屏蔽，采取滤波处理，采 用高精度的电子元件等。 3 ) 分析得到信号由传感器到采集箱过程受到严重干扰，针对这种情况，采用自 适应滤波方法抵消通道噪声，设计硬件电路，完成自适应滤波算法的软件 设计。 6 上海海事大学硕士学位论文第二版 2 1 噪声的基本概念f 5 j 第二章、噪声的基本理论 在信号处理中，一般认为噪声是有害的，因它扰乱了信号。因此总希望所采集的 信号中尽量不含噪声，但在实际中这是不可能的。正因为如此，才产生了一系列的信 号处理算法和内容丰富的信号处理理论。 本系统的有用信号是传感器本身传出来的信号。这里的干扰信号指的是来自传感 器以外的信号，即来自空间的磁场和电场，也可能是电路本身的噪声信号。 噪声与信号的结合有两种方式：加性和乘性。对观察到的信号石 ) ，设其中s ) 为真正所需要的信号即传感器信号，还含有噪声n ( k ) 。 x ) 可表示如下： x ( k ) 一s ( k ) + 玎( | ) ( 2 - 1 ) 则称其为加性噪声。 z ) 可表示为： 工(七)-s)+打)(2-2) 则称其为乘性噪声。 衡量信号与噪声的强弱用信噪比( s i g n a l - n o i s er a t i o ) 表示： 绷= 1 0 1 0 睁d b 其中，只为信号的功率，只为噪声的功率 s n r 值越大，表明信号越强，相反， 噪声越强。 实际中的大部分情况，噪声都是加性的。乘性噪声处理起来比较困难，通常要用 到倒谱和同态滤波的概念。 7 上海海事大学硕士学位论文第二版 2 2 噪声的分类 噪声的来源可分为两大类：外部噪声和内部噪声。 外部噪声指随同期望信号一起进入传感器的那部分干扰信号，因所采集的信号不 同而有所别。如本系统本来是要采集桥吊的结构或电动机的振动和应变信号，但是， 采集到的实际信号中还包含着变频器信号、电动机高压信号等噪声信号。 内部噪声指由信号采集或处理仪器( 装置) 带来的那部分干扰信号。一般有： 1 ) 动力电源所引起的5 0 i z 工频干扰噪声； 2 ) 电子装置中电子元器件的热噪声； 3 ) 对模拟信号进行抽样时由a d 转换器所产生的量化噪声； 4 ) 有限位运算时所产生的舍入误差噪声等。 外部噪声，取决于具体环境，人只能被动的消除它而在采集时无法避免其进入传 感器，它们主要是一些非期望信号即干扰信号。 内部噪声将因所使用的仪器的精度不同而有强弱上的差别，可选用较精密的仪器 设备来降低噪声的强度。 2 3 研究去噪方法的意义 本文所研究的去噪方法是指从已采集到的被噪声“污染”的信号中提取或恢复所 需要的期望信号的运算或变换，经运算或变换后的信号的信噪比应比原信号的信噪比 大。研究去噪方法的意义是明显的。在生产实际中，去噪方法的研究更能显示其巨大 作用和广阔前景。凡是涉及到与信号处理有关的应用，几乎毫不例外的都要用到去噪 方法。如传感器信号要尽最大程度排除周围的高压电器所造成的噪声影响，从中提取 桥吊或电动机本身的受力或振动特征。总而言之，去噪方法的研究在工农业生产和国 防建设中都得到了广泛的应用。尤其在这信息化时代，它的应用更是不可缺少值得继 续开展的一项研究课题。 2 4c m a s 系统存在的噪声分类 c m a s 系统被测点分布在大型港口起重设备的各个不同的部位，而测取的信号通 8 上海海事大学硕士学位论文第二版 过相当长韵信号线才到采集箱，因此信号线和控制线均可能是长线，易受到电磁辐射 的干扰。大型港口起重设备多为强电设备，它们的启动和工作将对c m a s 系统产生 强烈的影响。同时来自空间系统外其它的干扰等问题也比较突出。因此，除有用信号 外，由于各种原因测得的信号中必然会有一些与被测电流和电压同时存在的干扰信 号。图2 - 1 所示为厦门港重载整机晃动实验数据，其干扰主要有下几个特征： i ) 从图2 - i 对域图中可见，混杂在振动信号中有尖峰毛刺干扰，此干扰主要由 电源供电系统不稳定造成的。 2 ) 如图2 - 1 所示，电路本身存在噪声，在时域上的直接表现为信号的宽度过大， 造成这种噪声的原因包括放大器的漂移、电阻的热噪声、a d 的误差等等。 3 ) 从图2 - i 频域图中可见，信号存在着强干扰信号，此干扰主要来源于大功率 的电气设备，如电动机、变频器等高压电器。 l 2i 高频信号千扰i h1 02 0 04 0 06 | d 口8 0 0 1 0 0 01 2 0 0 2 5 噪声的解决方；去【6 】川【司 图2 - l 厦门港重载整机晃动实验数据 时域上的毛刺干扰是电源不稳定造成的，大功率电气设备的启动、停止和运行， 产生不稳定的大电流会对电网污染，在电源上产生毛刺等高频噪声。可通过采用高效 的抗干扰电源为c m a s 系统供电以提高系统对不稳定电源的抵抗能力。 采集电路本身电子元件的噪声，是跟电子元件的选择和电路本身的设计有着直接 关系，可以通过优化电路设计，选取高性能的电子元件，提高电路本身的抗干扰性能。 大功率电气设备向周围辐射的大功率的高频磁场和电场所致，这些噪声来源采集 9 上海海事大学硕士学位论文第二版 电路外部，可以通过消除干扰源、切断干扰途径和提高敏感元件的抗干扰能力来解决。 本系统所处的环境无法剔除干扰源，可以通过加强屏蔽、增强电路抗干扰和采用滤波 技术加以抑制。 上海海事大学硕士学位论文第二版 第三章、c m a s 系统的硬件系统 3 1 系统总体设计概述嘲 c i v i a s 系统工作于大电流强电场强磁场的工作环境中，采集的又是微弱的信号， 而且远距离传送，因此系统的硬件设计应具备如下特征： 1 ) 传感器稳定性好，适合长时间户外工作； 2 )高共模抑制比，以消除工频及信号线电阻的干扰； 3 ) 低噪声，防止淹没微弱且信噪比低的测试信号； 4 )低漂移，以防高放大倍数的前置放大器饱和； 5 )合适的带宽，以便有效的抑制噪声，防止采样混叠； 根据以上的设计要求，针对测试应变信号是微弱信号并且干扰大的特点，采用精 密仪器放大器i n a l 2 8 和i n a l l 5 作为放大电路的核心芯片；设计良好的走线和接地 处理，并设计硬件滤波电路对有用信号以外的频率信号干扰进行初步滤除；测试信号 通过a d 7 8 9 2 1 进行采样，将数字信号送入d s p 进行的数字滤波处理，然后送入工控 机进行信号显示和后期的分析处理。 3 2 例a s 系统在硬件设计方面采用的抗干扰设计 干扰和噪声可能会严重影响c m a s 系统测试信号采集的结果，因此在信号采集电 路设计中要选用低噪声元器件并设计合理的滤波装置，将噪声或干扰加以适当的滤除 或抑制。 由于应变和振动信号比较微弱，仅为毫伏( m v ) 级，所以极易受环境的影响。为了 增加应变和振动信号中的有效成分，抑制噪声和伪迹，提高波形检测准确率，要求系 统硬件抗干扰能力较高。应变和振动信号的模拟采集环节，尤其是前置放大器的设计 和选择直接影响整个测量系统的工作性能。比如应变信号通常为5 一+ 5 m y ，要将信号 进行a d 转换，就必须将应变信号放大至a d 转换器所能接收的标准输入电压5 + 5 v 范围，所以传感器出来的信号必须通过高增益放大处理。 系统框图如图3 1 ，信号采集流程主要包括传感器、信号传输、预处理、a d 转 化、多路选通、数字信号处理和后期分析。 上海海事大学硕士学位论文第二版 圈 匿一圜 图3 - 1 整体信号流程图 3 3 预处理电路中低噪声元器件选择和电路优化设计 3 3 1 应变信号的前置放大器的设计【蚓 应变信号采集及分析系统要求在应变信号频率范围内不失真地放大所采集的微 弱应变信号，要求其采用的放大器必须具有低噪声、低漂移、低失调参数、高共模抑 制比、高输入阻抗、非线性度小等特点。比较常用于应变和振动信号前置放大的几种 仪表放大器主要指标如表3 1 所示： 表3 1 ：几种仪用放大器主要性能比较( 输入噪声单位甩y j 云) 器件 输入失输入偏置输入失调 输入电阻 输入噪声带宽 调电压电流电流 呵a 1 1 55 0 u v2 h a2 n a1 0 g1 12 0 0 k h z n q a l 2 81 2 5 u v5 h a5 h a1 0 g1 02 0 0 k h z a d 6 2 05 0 u v1 h a0 5 h a1 0 g1 31 2 0 k h 2 o n 1 3 1l m v 5 0 p a5 0 p a 1 0 g2 14 0 k h z 应变信号的频率在0 2 h z 到1 0 0 0 h z 之间，对放大器的频带要求并不严格，而对 前置放大器的输入阻抗、输入噪声、输入失调电压等要求比较高。由表3 - 1 可知， i n a l l 5 的主要技术指标最理想，共模抑制比达1 1 0 d b ，它是根据典型的三运放改进 而成的一种单片仪表放大器，为了使片内元件相匹配，采用了激光微调技术，使该器 件具有很高的性能，可满足系统设计的要求。 i n a l l 5 其它特性如下：供电电源为2 2 5 v 到1 8 v ；增益调节为1 到1 0 0 0 上海海事大学硕士学位论文第二版 倍( 电阻编程) ；最大增益误差为1 1 5 d b ( g = 1 0 0 0 ) ；输入失调电压最大为5 0 u v ： 输入失调漂移最大为o 2 5 u v o ；输入偏置电流最大为2 0 h a ：最小共模抑制比为 8 0 d b ( g = 1 ) 。 从以上可以看出，虽然i n a l l 5 由传统的三运算放大器发展而成，但一些主 要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计，如电源范围宽，设计体 积小，功耗非常低等。 i n a l l 5 的单片结构和激光晶体调整，允许电路元件紧密匹配和跟踪，从而保证 电路固有的高性能。i n a l l 5 的两个内部增益电阻为2 5 k q ，因而增益方程式为： g ；三塑1 为外接高精密电阻， 应变信号的前置放大电路图如图3 2 所示： 图3 - 2 前级放大电路 应变信号从v i n + 和v i n 端输入，输出信号是可以远距离传输，抗干扰能力强的 电流信号l o u t 。应变信号是微弱的双极性电压信号，考虑i n a l l 5 采用的单电源供电， 通过电子电位器偏置使输出电压v i n + 始终大于v i n - ，使i n a l l 5 能够正常工作，把 应变信号转化为4 - 2 0 m a 的电流输出，通过电流传输信号可以避免远距离传送信号的 衰减，这样在传送信号的时候可以提高信号的抗干扰能力。 在图3 - 2 中，j k 取值为o 6 k ，所以g 一8 4 3 3 。应变信号前置放大的传递函数为 l o u t i ( 聊+ ) 一t e r n _ ) j + 8 4 3 3 5 1 。( 4 n a 负最大应变，1 2 m a o 应变，2 0m a 正 上海海事大学硕士学位论文第二版 最大应变) 3 3 2 应变信号后级放大器的设计 本系统所使用的模数转换器a d 7 8 9 2 1 要求模拟电压的范围是一5 v + 5 v ，而经过 前两级放大的应变信号是双极性的电压信号，所以必须把双极性信号的基准 + 8 图3 - 3 后级放大电路 电平抬高至a d 7 8 9 2 1 转换区间的中点上。在实现后级放大的过程中，既要考虑信号 基准电平的变化，又要实现信号的放大。实现上述的要求，本次设计放大器的芯片选 择i n a l 2 8 。具体电路如图3 3 所示。 由电路分析的知识可知，图3 3 中的p 0 的值为： - 以* r 1 - ) 0 + 瀚 其中厶是输入电流( 即第一级输出电流) ，通过r 1 采样电阻，i n + 的输入电压为 + - k 。r 1 ，这里r l = 1 5 0 欧姆，= 1 8 v 。 表3 第二级输入输出对照表 l ( 单位：m a )p 缸 12 - 1 8 b g a 封装 0 52 表面贴片封装 0 61 - 1 2 p c bt h r u - h o l ev i a o 51 2 ) 解决串扰问题 串扰是信号之间由于电磁场的相互耦合而产生的不期望的噪声电压信号。串扰主 上海海事大学硕士学位论文第二版 要源自两相邻导体之间的所形成的互感和互容。串扰超出一定的值将可能引发电路误 动作，从而导致系统无法正常工作。下面分别探讨互容、互感与串扰的关系，以及如 何解决串扰问题。 串扰= z b + c m t r 式中，z b 为受扰线的特性阻抗；c m 为互容；t r 为输入到干扰线入射电压的上升 时间。 要改善互容产生的串扰，可以从两个方面着手。一是减少互容c m ，做法是在相 邻的传输线中间加屏蔽措施。通常，在两个铜箔通路中加装一个接地屏蔽通路，用以 改善互容的干扰。二是在时序规定允许的情况下，增加转态较频繁的信号上升时间。 改善互感所产生的串扰，唯有减少流经互感的电流所形成的回路面积才是较为简 易可行的办法。可以借助降低导线与接地平面之间的距离，减小并行信号长度，缩短 信号层与平面层的间距，增大信号间距等措旅，来减少两导线的互感量。 3 ) 改善反射 反射是产生干扰的几个重要来源之一。为改善因线路的阻抗不匹配而造成反射的 现象，可以选择采用“布线拓扑“和”终端技巧“的办法。 利用适当的布线拓扑法来改善反射现象，通常不需要增添额外的电子组件( 例如， 终端电阻或者嵌位二极管) 。常见的布线拓扑法有4 种，分别是树状法、菊链法、星 状法和回路法。如图3 1 3 所示。其中树状法是最差的布线法，它所造成的反射量最 大，额外的负载效应和振铃现象都需要费心来处理。就“反射”的观点，菊链法是较 佳的布线法。菊链法相当适合于地址或者数据总线以及并联终端的布线，基本上是没 有分支旁路的。星状法适合串连终端的布线，但条件是输出缓冲器( 驱动器) 必须是 低阻抗以及具有较高的驱动能量。回路法基本上于菊链法类似，但是回路法会消耗较 多的回路面积，对于共模噪声的免疫能力较差。 上海海事大学硕士学位论文第二版 树状法 菊链法 星状法 回路法 图3 一1 3 几种常见的布线拓扑法 除了布线拓扑法，为克服反射现象的干扰，“终端技巧”是最有效的方法。传输 线的特性阻抗一般是定值。对于c u o s 电路而言，信号的驱动端的输出阻抗较小，为 几十欧姆，而接受端的输入阻抗较大。可以在信号最后的接受端匹配一个电阻( 在接 受端并联一个电阻) ，这样匹配和接受端并联的结果就可以和传输线的特性阻抗相匹 配了，信号的性能得到了比较好的改善，终端技巧的目的旨在提供一个完全阻抗匹 配的传输线环境以及保持电位的稳定。 5 3 3 本次设计的信号完整性分析 下面结合本次设计的d s p 高速采集系统，阐述一下信号完整性问题的产生以及具 体的解决方案。 整个d s p 数据采集系统有四部分构成：模拟前端信号采集模块、信号采集控制模 块、数据处理主控制d s p 模块和信号输出模块。 在整个系统中，前端模拟信号采集模块及信号输出模块包含a d ，如何对模拟信 号的合理处理，直接影响到系统信号的完整性。在本次设计中p c b 布局时，将模拟信 号模块与数字信号模块隔离，避免数字信号模块影响模拟信号模块。分开放置只是抗 干扰设计一部分，数字信号对模拟信号的干扰主要有两方面的原因。由于数字信号特 别是d s p 处理器部分含有高频部分，这样会引起电源的抖动比较大，再输入到模拟器 件时将引起信号的波动，导致信号的不准确，所以在设计电路时要尤其注意电源的问 题。在本次设计中，单独从电源平面中分割出一个模拟电源平面，单独给模拟器件供 上海海事大学硕士学位论文第二版 电。同时在电源输入到模拟电源平面时采取一定的措施，对输入的电源进行滤波，采 用磁阻和电容相结合的高质量滤波网络进行滤波。这里的磁阻和电容对电源纹波有明 显的抑制作用。磁阻在高频区域内，其阻抗急剧上升，从而在特定的频率区域内可获 得较好的衰减效果，而对d s p 信号传输不会产生影响。但仅仅这样还是不够的。在模 拟器件电源引脚处还要放置滤波电容。 数据处理主控制d s p 模块，是整个数据采集系统的核心，由于d s p 的核电压比较 低，因此电源的任何波动都会影响d s p 的正常工作，因此对d s p 芯片的处理尤其重要， 理论上应在每一个电源输入引脚处并联一个滤波电容，在实际应用在可根据p c b 布局 进行适当的调整。d s p 器件锁相环电压是一个比较特殊的电压，直接影响到d s p 器件 时钟是否工作准确，而时钟直接决定了其它器件的工作时序，因此必须采取措施来防 止其它的电源干扰，因此对锁相环电源入口处串接磁柱，并接滤波电容来达到目的。 在数据处理d s p 模块中不仅有高速部分，也有异步的低速部分，所以要对系统进 行侵害。s d r a m 接口是高速接口，与a d 是低速接口，速率可以通过可编程的等待周。 期和硬件应答信号来实现，容易达到信号的完整性问题。高速设计部分要求信号线尽 量短，尽量靠近d s p 器件。但是如果将d s p 的信号线直接接到所有的外设上，一方面。 d s p 的驱动能力可能达不到要求，另一方面由于信号布线长度的急剧增加，必然会带 来信号不完整性问题。所以，在本次设计中具体的处理办法是：将高速器件与异步低 速器件进行隔离。在这里采用了s n 7 4 a l v c l 6 2 4 5 实现数据隔离，利用准确的选择逻辑 将不同类型数据分开。同时用s n 7 4 a l v c l 6 2 4 5 实现地址隔离，同时还增加了d s p 的地 址驱动能力。这种解决方案可以缩短高速信号线的传输距离，以达到信号完整性的要 求。 另外，解决好系统内部信号的阻抗匹配，防止信号的反射、串扰噪声等问题，这 是d s p 系统正常工作的基本条件之一。d s p 电路传输阻抗应与芯片i o 引脚的输出阻 抗匹配。不匹配会引起信号反射，结果可能造成逻辑混乱。传输线越长，影响越大。 通常采用串接电阻来改善传输线的阻抗匹配，信号引线长度应尽量小于1 5 c m 。对于 长度超过1 5 c m 的引线，在驱动端( 源端) 和目的端应串接3 3 欧姆的匹配电路，避免 由于信号反射引起干扰。在实际应用中，我们还采用在接受端接一个上拉电阻，以改 善系统的驱动能力。 最好，接地在印刷电路板设计中同样非常关键，如果处理不好，将会引起信号之 上海海事大学硕士学位论文第二版 间的相互干扰，尤其在高频设计中，带来很大的噪声。所以在设计电路板时，应认真 对待。在设计印刷电路板时应遵循的基本原则是：数字地、模拟地、屏蔽地应该合理 接地，不能混用。要尽可能地使接地电路各自形成回路，减少电路与地线之间的电流 耦合。合理布置地线使电流局限在尽可能小的范围内，并根据地电流的大小和频率设 计相应宽度的印刷电路和接地方式。在本次设计中采用了多层板，直接将其中的一个 内层作为地平面，因为整个地平面非常宽广，可以降低整个系统的地端回路的电感量， 在接地时只要正确处理好接地方式，采取一定的滤波措施，就能大大降低由于接地而 引起的干扰。 从以上分析可知，保证信号完整性的措施是非常必要的。 上海海事大学硕士学位论文第二版 第六章、信号处理系统的软件设计 3 3 - 3 9 1 本系统的软件主要由两部分组成。第一部分是信号处理系统的程序，主要包括初 始化d s p 的c p u 、f l a s h 的在系统编程、d s p 的通信与主控程序；数字信号处理程 序，第二部分是上位机计算机程序，主要是通信程序。 6 1 系统软件总体方案 整个控制系统软件采用模块化设计思想，符合当前自上而下的主流设计思想。整 个控制软件由主程序、服务子程序和中断子程序所组成。主程序完成