（机械设计及理论专业论文）基于dsp和嵌入式技术的设备巡检系统关键技术研究.pdf

筇州天擘硕士学辩论：r 殳 t 摘要 文6 3 8 9 8 5 在工程技术矮域中，存在蛰大量豹振动润题，焉羹在掇大多鼗场合f ，振动 是有害的。它直接影响设备的工e 常运转，严煎时甚至能够导致设备的失效、人身 伤亡警灾难性事故。 随着科学技术的发展，入们踺各类橇减豹运转速度、承载艇力、工作寿命等 方面的要求越来越高，人们对振动危害的认识越来越深，因而对振动测试和振动 信号分析处理技术的研究也提出了越来越高的要求。与大穰旋转机械在线监测系 统不同，便携式设蘩巡捡系统主要应用在不兵备安装在线濂测系统的场合，它毙 实现多通道振动信号的采集、保存和进行简单的信号分析处理功能。简单实用的 特点使其应用范围逐步扩大。目前国外的设备巡检产品大都价格昂贵，而国内的 产鼎普遍存在数獭存储容量小、功能箍单、响应速度馒、人枧交互差等缺点。本 文正是基于此现状，将先进的d s p 芯片技术和嵌入式系统技术与振动信号测试分 析诊断技术相结合，设计了基于这两种技术的便携式设备故障巡检系统。 d s p 芯片，也称数字信号处理嚣，是一释特别适合于进行数字信号处理运算 的微处理器，其主要应用是实时快速地实现备种数字信号处理算法。嵌入式系统 技术是以应用为中心和以计算机技术为基础，著且软硬件是可裁剪的，能满足应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。 本文中主要应用了其中的嵌入式实时操作系统( r t o s ) 技术。 本文所设计盼设备巡检系统在硬件上，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理芯片 为基石盈，搭配了以a d 7 8 6 4 为中心的a d 采样模块、 奠s e d l 3 3 5 为中心的l c d 显 示模块和以c f 卡为中心的数据存储模块，以及相关的信号预处理模块等硬件电 路。在软件上，完成了实时操作系统pc o s i i 在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 移棱，a d 采 样模块、l c d 显示模块和c f 卡数据存储模块驱动程序的编写，信号处理算法程 序的编写等。 通过电路仿冀，迁明本设计硬传电路合理、可靠。通过在l b 京瑞泰创新公司 i e c t e kf 2 4 0 7 一a 弱标板上软件仿真的结栗，表明关键算法程序和驱动程序是完 全正确的。 关键淘：d s p r t o s 振动测试信号分析旋转机械嵌入式系统 帮娴大学硕士学傅论文 a b s t r a c t i nt h ee n g i n e e r i n gf i e l d ，t h e r ee x i s t sag r e a td e a lo fv i b r a t i o n ，a n da tm o s to c c a s i o n s t h ev i b r a t i o ni sh a r m f u l ，i tw o r k so nn o r m a lw o r ko ft h ep l a n t ，a n dw h e nt h ev i b r a t i o ni s s e v e r ei tw i l ll e a dt op l a n tf a i l u r e ，e v e nc a s u a l t i e se t c w i t ht h ea d v a n c e m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ed e m a n da tm r m i n g s p e e da n db e a r i n gc a p a c i t ya n dw o r k i n gl i f eo fv a r i o u sm a c h i n ei sm o r ea n d h l o r er i g o r o u s ， a n dt h eh a r m f u l n e s so fv i b r a t i o ni sa c q u a i n t e dm o r ea n dm o r ed e e p l y , a sar e s u l tt h es t u d y o fv i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n ds i g n a la n a l y s i si sn e e d e dm o r ea n dm o r es t e m u n l i k et h e l a r g er o t a r ym a c h i n eo n l i n es y s t e m ，p o r t a b l ei t i n e r a n tc h e c k i n ge q u i p m e n ti sm a i n l yu s e d o nt h eo c c a s i o n sw h e ni ti su n s u i t a b l et oi n s t a l lo n l i n es y s t e m t b ep o r t a b l ei t i n e r a n t c h e c k i n ge q u i p m e n tc a n r e a l i z et h em u l t i - c h a n n e lc o l l e c t i n ga n d s a v i n go f v i b r a t i o ns i g n a l a n dt h ef u n c t i o no fp r o c e s s i n gs i m p l es i g n a l i t sa p p l i e dr a n g eb e c o m em o r ea n dm o r e e x t e n s i v eb e c a u s eo fi t sp r a c t i c a la n ds i m p l ec h a r a e t e nf o rt h em o m e n tm o s tf o r e i g n p o r t a b l ee q u i p m e n t sa r ec o s t l y , a n dd o m e s t i cp o r t a b l ee q u i p m e n t sh a v ea tl a r g et h e s h o r t c o m i n go fs m a l lm e m o r yc a p a c i t ya n ds l o wr e s p o n s es p e e da n d b a dh u m a nm a c h i n e i n t e r f a c ee t c b a s eo nt h es t a t u sw ec o m b i n ec o m b i n e sd s p c h i pa n de m b e d d e ds y s t e m t e c h n o l o g yw i t h # i b r a t i o ns i g n a l t e s t i n gt e c h n o l o g y , a n dd e s i g nt h ei n s t r u m e n tf o rt h e v i b r a t i o ns i g n a li t i n e r a n tc h e c k i n ga c c o r d i n gt ot h o s et h e o r ya n dt e c h n o l o g y d s pc h i pw h i c hi ss oc a l l e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri sam i c r o p r o c e s s o r , i ta d a p t st o p r o c e s sd i g i t a ls i g n a le s p e c i a l l y , a n di t sm a i na p p l i c a t i o ni st or e a l i z ev a r i o u sd i g i t a ls i g n a l p r o c e s sa l g o r i t h mf l e e t l ya n dt i m e l y e m b e d d e ds y s t e mf o c u s e so na p p l i c a t i o na n db a s e s 0 1 1 c o m p u t e rt e c h n o l o g y , a n di t sb o t hs o f 【v c a r ea n dh a r d w a r ec a nb ec u t o u tf r e e l y e m b e d d e ds y s t e mi st h ep r o f e s s i o n a lc o m p u t e rs y s t e mw h i c hc a l lm e e to nv a r i o u sd e m a n d o fs y s t e m ，f o re x a m p l ef u n c t i o n ，r e l i a b i l i t y , c o s t ，v o l u m ea n dp o w e rw a s t e e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ( r t o s ) i su s e di nt h i st h e s i s 。 f o rt h i si n s t r u m e n t ，i nh a r d w a r e ，i tb a s e so nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc h i p a d 7 8 6 4 ， t h em a i nc h i pi nt h ea dm o d u l e ，a n ds e d l 3 3 5 ，t h eb a s eo ft h el c dm o d u l e ，a n d c o m p a c t f l a s hc a r dc e n t e r i n go nt h ed a t am e m o r ym o d u l ea r ea l la s s e m b l e di ni t t h e s i g n a lp r e - c o n d i t i o n i n gi sa l s oa s s e m b l e d i ns o f t w a r e ，w et r a n s p l a n tt h er e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e mo fu c o s i i ，w r i t et h ed r i v e rs 0 1 u ec o d eo fv m i o u sm o d u l e sa n dt h e a l g o r i t h ms o t l t c cc o d eo f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g b y c i r c u i te m u l a t o r , i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ei n s t r u m e n ti s r e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e t h es o f t w a r ee m u l a t i n gr e s u l tb a s i n go ni e c t e kf 2 4 0 7 - - a e m u l a t o ro fb e i j i n gr e a l t i m ec r e a t i v ei n c s h o w st h ev a l i d i t yo ft h ek e ya l g o r i t h m p r o g r a ma n dt h ed r i v e rp r o g r a m k e yw o r d s ：d s p ：r t o s ：v ib r a t i o nt e s t ；n g ：s i g n a ia n a l y s i s ：r o t a r ym a c h i n e 郑州大学硕士学位论文 1 1 振动测量与信号处理 1 1 1 概述 第一章绪论 在工程技术领域中，存在着大量的振动问题。例如：导弹、飞机在飞行中， 由于发动机和气流所造成的振动：车辆在凹凸不平的路面上行驶引起的振动：旋 转机械由于质量失衡在运动中的振动：建筑物受地面和阵风扰动所产生的振动 等。实际上任何力学系统，任何机械、机构、零件及其组成部分，都会产生机械 振动。在生产和科学试验中，机械振动是普遍存在的现象。 在极大多数场合，振动是有害的，它将影响设备的正常工作和机床的加工精 度，引起机器构件的加速磨损，甚至导致急剧断裂而破坏。伴随振动而来的是机 器的噪声，它污染环境，危害人类的健康。但有时人 i l n 用振动，又可以使之为 人类服务，因此关键问题的要了解它、驾奴它。 振动测试与分析技术是机械动力学学科的重要分支之一，它的任务就在于帮 助人们清楚地认识振动现象而能动地控制振动和利用振动。随着科学技术的发 展，对各类机械的运转速度、承载能力、工作寿命等方面的要求越来越高，人们 对振动危害的认识越来越深，因而对振动测试和振动信号分析技术的研究也提出 了越来越高的要求。 为了研究与认识振动，进而控制振动，首先必须区分振动的不同类型，掌握 表征各类振动的振动量的方法和评定指标。从振动的时间历程来看，亦即从振动 量随时间的变化规律来看，可分为确定性振动和随机振动。 对确定性振动的测量可以得到各种幅值( 峰值、有效值、平均值、瞬时值等) ； 振动主要谐波分量的频率值；各个谐波分量的幅值比较；各个振动信号的幅值比 较；各个振动信号的相位关系；结构系统的阻尼系数等。 确定性振动系统受到随机力的激励，或者是具有随机变化特性的系统受到确 定性力的激励，或者是具有随机变化特性的系统受到随机力的激励，都会产生随 机振动。随机振动的测量与分析是在对确定性信号分析的基础上发展起来的，它 与确定性信号分析方法有相似之处，也有明显的区别。随机振动信号分析主要考 虑概率和统计因素，需要通过幅域分析求幅值概率密度，通过时域分析求相关函 数( 相关分析) ，通过频域分析得到功率谱密度( 即作功率谱分析) 。 实际机械结构中零部件有规律的旋转、往复和冲击等运动所引起的振动都是 或近似是确定性的简谐振动。所以本论文将主要讨论确定性振动的测量与分析。 按测量与分析的目的分为振动运动量的测量和动态特性参数的测试。运动量 测量主要指测量结构上某点的位移、速度、加速度的幅值。结构动态特性的测量 主要指测量固定频率、阻尼、刚度以及振型等”。 在工程应用中对确定性振动的测量中重要的和常用的是振动运动量的测量。 在本论文中所涉及的振动测量也将主要是振动运动量的测量。 1 1 2 振动运动量的测量 振动运动量一般指振动位移、振动速度和振动加速度这三种量。三者之间存 在着确定的微分或积分关系，因此，从理论上看，测知其中一种运动量，便可以 通过计算或有微分电路或积分电路的仪器来加以变换从而求得另外两种运动量。 郑州大学硕七学位论文 振动运动量的测量，按其测量过程的物理性质来分，大致可分为三类，即机 械测试法、电测法和光测法。 机械测试法利用杠杆机构进行放大，把振动波形用笔尖直接记录到运动的纸 带上。这种方法抗干扰能力强，构造简单，但其频率范围和动态线性范围窄，灵 敏度低，测量的振幅不能太小，给振动体附加质量大。主要用于低频大振幅振动 及扭转振动。 光测法把振动参量转换成光信号，经光学系统放大，测量与记录。利用光的 干涉原理的激光和多普勒效应等进行测量。它的测量精度高，适于非接触测量： 利用激光单色性好，波长稳定性好等特点测量微小振动：利用激光能量集中，准 直性好的特点，可进行远距离位移测量，利用激光全息摄影方法，可测量结构振 型等。该种方法多用于精密测量中，以及传感器、测振仪的标定中。 电测法的原理是将被测振动量转换成电信号，经电子系统放大后，进行测量、 记录与分析。它灵敏度高，测量范围广，频率范围和动态线性范围宽，便于分析 和遥控，但是易受电磁场的干扰。该方法广泛应用于各种测量中。本论文所设计 的便携式设备巡检系统就是基于电测法的原理对振动量进行测量的。 1 1 3 振动信号分析 振动信号分析的任务就是对所测得的信号作进一步的分析，以获得在各种工 作状态下结构的振动特性，从而判断结构的动态特性是否符合设计要求，为科研 人员验证理论和建立新的理论、设计人员进行优化设计，工艺人员改进制造工艺 提供可靠依据。 振动信号的分析可以分为时域分析，频域分析和时频域分析。工程实践中， 常常遇到复杂的周期和各种不规则振动，为了掌握它们包含哪些振动频率，以及 各种频率占怎样的比例，从而分析振源，排除、避开或减小有害振动的影响，往 往要研究振动与频率之间的关系，即进行谱分析。频谱分析能够得到各频率上的 幅值或能量大小，反映机器设备的频率结构，从中可以了解机器设备各部分的工 作情况，它为解决工程实践提供了许多有用信息，所以得到广泛应用。 对于不同类型的信号进行频谱分析时，在理论上和工程上采用不同的频谱概 念和频谱形式，在分析方法上也有很大的区别。因而在进行频谱分析之前，应对 信号的类型和性质有所了解。一般说来，确定性信号存在着傅立叶变换，由它可 获得确定的频谱。随机信号只能就某些样本函数的统计特征值作出估计，如均方 值、方差等。这类信号不存在傅立叶变换，对它们的频谱分析指的是对它的功率 谱估计。 频谱分析的实现大体上可以分为三个发展阶段。第一阶段是模拟式的；第二 阶段是模拟一数字混合式的；第三阶段是全数字化的。早期的频谱分析是用一组 模拟的带通滤波器对信号进行处理，输入信号经过一组中心频率不同的滤波器或 经过一个扫描调谐式滤波器，选出各个频率分量，经检波后进行显示或记录。因 此，在这种频谱分析实现中，滤波器和检波器是两个重要的电路。这种测量方法 是比较落后的。首先它宜接受模拟滤波器性能的限制，比如滤波器通常的带宽不 可能做到非常的窄，这就使得频率分辨率不可能很高。其次，用电压表指示读数 的方法给出输出幅度，由此造成的测量误差也是很大的，因而精度不可能很高。 最后，用这种方法测量频谱特性，其速度很慢。 第二阶段发展了一种模拟一数字混合式的分析仪，它利用了一种称为时间压 缩技术来实现对频谱的高速测量。它的简单工作原理是将模拟信号抽样转换成数 郑州大学硕十学位论文 字量，然后再通过数模转换输出连续的时间信号，和原信号相比，在时间轴上压 缩了许多倍，所以处理速度很快。但是，这种模拟一数字混合式分析仪，只是利 用数字技术进行时间压缩，提高了处理速度，但它仍然是以模拟滤波器为核心， 以模拟运算为基础的。所以模拟滤波器的一些基本缺点仍然存在。 频谱分析发展的第三阶段是全数字化处理。模拟信号经过抽样和量化以后， 以二进制形式存储在存储器中，然后进行f f t 计算，并以数字方式输出。这种处 理方法完全克服了前两种的缺点。频率分辨率主要决定于信号样本的长度，只要 存储器的容量足够大，存储的信号足够多，频率分辨率就可以达到足够高的要求。 分析精度取决于量化误差和处理器的字长，只要保证量化误差在一定范围以内和 有足够的字长，即可实现高精度测量。处理速度完全取决于处理器的运算速度。 由于计算机技术的高度发展，实现实时处理十分容易。 利用p f t 技术实现的频谱分析具有功能强、速度快、精度高、稳定性好、灵 活性大等优点。对于振动信号来说，频谱分析是一个非常有用的分析手段，这也 是本文所设计的设备巡检系统的主要功能之一。 1 2 课题的来源 1 2 1便携式设备巡检系统的现状 经过了几十年的发展，国内外都出现了不少类型的便携式设备巡检系统。下 表列出当前市场的主要的设备巡检产品介绍。 表1 1 便携式设备巡检产品一览表 厂 型号测量范围 频率范围其他特点 参考 家 价格 单通道( 1 2 位a d ) 仅加速度后台软件( 常规信号 s a 一7 7输入范围： 0 5 t z 5 2 0 0 0 日0 0 0 3 1 6 1 0 o v r i n s 5 0 k h z 处理、通信、报表打 印) 2 1 5 本 可存1 5 0 个时域波形 理 单通道( 1 6 位a d ) i 加速度：o 0 2 3 1 6 m s 2 3 h z 2 0 k h z 日同时显示振动的加速 5 8 0 0 0 v a - 1 1 速度：0 1 1 0 0 0 m m s3 h z 3 k h z度、速度和位移值 可存5 0 0 组测试数据 兀 位移：0 0 0 3 2 8 3 m m3 h z 5 0 0 h z 其他同上 美 2 路输入( 1 8 位a d ) 国自动量程。 0 1 8 t l z 后台分析管理软件3 0 多万 恩 d a t a p a c 可测：加速度、速度、位 泰 1 5 0 0 7 5 3 k h z( 功能强大)7 5 移、温度、转速等 克 p c m c i a 大容量存储卡 单通道或双通道( 1 6 新 加速度：最大8 0 0 m s 2位a d ) 西 v b 系列速度：最大l o o m m s最大2 0 k h za s c e n t 分析管理软件 = 位移：最大l o m m8 m 存储空间 c i 最大8 1 9 2 个测试数据 郑州大学硕十学位论文 h g 一3 5 加速度：0 i 1 9 9 9 m s 2 单通道或双通道 北系列 速度：0 0 i 1 9 9 9 c m s5 h z l o k h z 后台分析管理软件 一 位移：0 0 0 1 1 9 9 9 m m 1 0 0 0 组状态数据 尿5 0 组振动波形数据 尿2 4 振动通道( 1 4 位 航h g 一3 6 最大a d ) + l 转速通道 系列 同上 3 3 3 ，3 k h z 支持u s b 、以太网口 5 0 0 m 大容量存储空间 单通道 北 加速度：0 1 2 5 0 m s 2后台分析、诊断、管 一 9 0 3速度：0 1 2 0 0 m m s l o h z 尿 位移：0 ，0 0 1 5 m m l o k h z 理软件 振 2 7 0 组状态数据 通 6 2 组振动波形数据 双通道 9 0 4 同上同上 其他同上 伊 双通道 1 5 8 0 0 麦 e m t 3 9 0 同京航h g 一3 5 系列同h g 一3 5 其他同h g - 3 5兀 特 上 加速度：0 1 2 0 0 m s 2 l o h z 5 k h z 海 f l y 一1 0 5 速度：0 1 l o o m m s l o h z l k h z 单通道 垡 可存储8 7 组测试数据 阳 位移：0 0 0 1 2 0 0 0 m m l o h z l k h z 通过更详细的比较各种产品的相关参数和性能可知，国内大多数产品还只是 停留在前端采集、显示波形，然后通过将采集数据导入后台来实现复杂的分析功 能的模式，前端实现的频谱分析功能很少或几乎没有。丽国外的产品虽然具有较 强的前端分析功能和极强的后台分析、诊断、管理软件支持，但是价格十分昂贵。 另外，大多数高端产品由于采用了庞大的操作系统，导致整个系统的开销较大， 系统的响应速度并不是很理想。因此，如何设计包含更多功能的设各巡检产品， 如何降低生产成本，从而使得便携式设各巡检系统能够得到更广泛的推广和应用 是一个需要解决的问题。 随着电子技术、数字信号处理技术和计算机软件技术的迅速发展，包括便携 式设备巡检系统在内的仪器仪表工业正在经历着场革新。通过使用新的技术和 新的理论，仪器仪表正朝着更加智能化的方向发展。在便携式设备巡检系统这一 领域中，通过使用数字信号处理技术和最新的嵌入式软件技术设计出功能更强 大、响应速度更快、体积小、性价比更高的智能仪器是便携式设备巡检系统发展 的趋势。 1 2 2d s p 技术与现代仪器 自6 0 年代以来，随着计算机和信息科学的飞速发展，数字信号处理( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 技术应运而生并迅速发展，现已形成了- - f l 独立的学 科体系。 简单地说，数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法 对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等等的加工处理，借以达到提取信息 郯娟火学硕+ 学位论文 和便于应用的目的。数字信号处理技术及其设备具有灵活、精确、抗干扰强、设 备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，因此，具有许多模拟信号处理技术与设 备所无法比拟的优点。 近几十年来，数字信号处理技术是紧紧围绕着理论、实现及应用三个方面迅 速发展起来的，它以众多的学科为理论基础，其成果又渗透到众多的学科，成为 理论与实践并重、在高新技术领域中占有重要地位的新兴学科。 数字信号处理技术在理论上的发展主要表现在新的信号处理方法和理论的 不断建立，在具体实现上主要表现在各种软件算法的不断完善和运算能力很强的 数字信号处理器( d s p ) 的问世及广泛应用。它的所有这些发展都对仪器仪表工 业的发展起到了极大的推动作用。 现代电子装备包括通信、自动控制和仪器仪表，都经历了模拟体制、模拟数 字混合体制和全数字体制三个发展阶段。早期的科学仪器是由传感器加上放大 器、各种功能的模拟电路，再配备显示和记录器件而构成的。它的缺点是精度不 高、功能单一、不便于自动化管理。接着出现了模拟数字混合体制。由于数字显 示可以给读数和记录带来方便，而各种数字电路日趋成熟，因此，很多仪器都加 进模数转换器、计数器等数字电路以便扩展功能提高测量精度。为了使测量过 程进一步自动化，便于对测量数据的统一分析处理，又把多种仪器和计算机接口， 形成了多功能的测量分析系统。但是当时计算机运算速度较低，而模数转换( a d ) 速度、精度和动态范围又难以满足要求，由传感器接收到的信号不能直接采集进 入计算机，而仍然要通过各种模拟式转换部件。 最着微型计算机的发展和普及，数字信号处理各种算法日趋完善，特别是运 算能力很强的数字信号处理器( d s p ) 的问世，使现代科学仪器进入了和计算机 紧密结合的全数字体制的新阶段。 进入到当前的信息时代，人们对信息更加重视，也提出了更多的要求。自然 界的任何模拟信号，例如声音、图像、文字、振动、温度、压力以及各种生物医 学信号，只要转换成统一格式的数字信号，并进入计算机，就能用大体上相同的 方法去处理。人们发现“数字信号处理”的作用如此广泛，对各种不同的数字信 号都能进行统一处理加工，如编辑、修补、去噪、参数测量、频谱分析、相位分 析、特征提取，以及压缩、识别、合成、存储和复制等。人们已经看到，科学仪 器的数字体制，将会是仪器仪表工业的发展方向。它和模拟体制相比，具有如下 一些优点跚。 1 )它由传感器和低噪声放大器、数据采集和高速处理、微机管理显示打 印等部分组成。一台测量分析设备具有高精度、大动态范围和多种功 能，更便于保存分析结果以构成智能型仪器，也能很方便地和专家系 统相结合。 2 ) 当用户具备了测量分析系统的基本配置以后，每一套分析软件包就可 以取代一台或数台仪器设备。通过不断地软件开发，可以包括愈来愈 多的测量分析项目。软件设计具有很大的灵活性。可根据用户的特殊 要求，设计新软件，以更改原来的功能或增加新的测量分析功能。更 新一套软件相当于更新一台或数台仪器设备。这一优点是传统仪器所 不具备的。 3 )传统的仪器一般是通过面板上的各种旋钮和开关来选择量程和显示参 数的，而全数字式测量分析系统是通过菜单及屏幕上的问答来完成的。 在不同的分析显示阶段，屏幕上都有操作提示，即使是初学者也能很 郑州人学硕+ 卜学位论文 快地掌握该系统操作，而不用花费大量时间阅读说明书。 综上，现代科学仪器已经同数字信号处理技术产生了密不可分的关系，相信 在不久的将来，基于数字信号处理技术的现代科学仪器必将取代旧式的仪器在 应用方面为科学技术的进步起到更大的推动作用。 1 2 3 嵌入式技术与现代仪器 在说明嵌入式技术与现代仪器的密切联系之前，我们先了解一下嵌入式系统 的概念。 嵌入式系统( e m b e d e ds y s t e m ) 是以应用为中心和以计算机技术为基础的， 并且软硬件是可裁剪的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等 指标的严格要求的专用计算机系统。 从嵌入式系统所解决的问题，我们可以看出这正与仪器仪表工业对现代仪器 的要求不谋而台，这也正是两者之间密不可分的原因。 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，i n t e r n e t 得到广泛深入的应用： 从消费电器到工业设备，从民用产品到军用产品嵌入式系统被应用到网络、手 持设备、国防军事、消费电子和自动化控制等各个领域。嵌入式系统的广泛应用 前景和发展潜力使其成为2 l 世纪的应用热点之一。 随着工业技术的进步，使其对现代的仪器仪表提出了更高的要求：多功能、 高可靠性、响应速度快、低成本、小体积、低功耗、甚至能够通过网络进行通讯 等等。而嵌入式技术恰恰完全可以在硬件上和软件上满足这些要求。在硬件上， 我们可以选择低功耗、高性能的m c u 或m p u 和具有极强数字信号处理能力的d s p 以及其它嵌入式外围设备。而在软件上，由于功能的复杂性，就迫切需要个能 够合理管理这些功能实现的系统级软件，这也就催生出了满足嵌入式应用的嵌入 式操作系统。在它的管理调度下，系统的各个功能模块更加安全、稳定，系统资 源利用率更加合理，而且它使嵌入式软件开发更方便、更快捷。 1 3 课题的研究意义 随着科学技术的日益发展，人们对各类机械的运转速度、承载能力、工作寿 命等方面的要求越来越高，人们对振动危害的认识也越来越深入，因而对振动测 试和振动信号分析技术的研究和具体应用提出了越来越高的要求。就针对便携式 设备巡检系统来说，目前的一些测试分析仪器由于各种原因还不能完全满足应用 的要求，具体表现在以下几个方面： 1 ) 目前大多数设备巡检系统对信号的频谱分析还都是基于纯软件算法来 实现的，系统的测量精度、响应速度还都不是十分理想。 2 ) 国内大多数设备巡检产品的前端功能较简单，有的仅仅只起到数据采 集的作用，具体分析还要传到后台进行分析，不能满足现场即时测试 分析的要求。 3 ) 大多数的设备巡检产品便携性差、体积大、质量重，不便于在工业现 场灵活使用。 4 ) 大多数功能较强的设备巡检产品都采用了较大的操作系统，它在易于 编程开发的同时，导致了系统开销较大，致使系统的响应速度不尽人 意。 5 )进口设备巡检产品价格昂贵，不便于广泛应用。 以上几点问题限制了设备巡检系统在各个生产领域中的广泛应用。 郁州大学颈 学位论文 随着新技术和新思想的不断涌现，特别是d s p 技术和嵌入式系统技术的广泛 应用，将这两种技术与现代仪器结合以来的工作就显得很有意义。将d s p 技术与 现代仪器相结合，可以将以前纯软件实现的数字信号处理算法用d s p 软硬件结合 的方式来实现，这对于提高整个系统的精度和响应速度具有明显的现实意义的。 将嵌入式系统技术与现代仪器相结合，可以将以前顺序执行的过程统一在操作系 统的管理之下，对于提高整个系统的稳定性、安全性和效率也具有很强的实际意 义。 本文的工作就是充分利用先进的d s p 技术和嵌入式系统技术，设计一种便携 式设备巡检系统。它具有分析处理功能强、响应速度快、软件易升级、系统稳定 可靠以及体积小、重量轻、成本低等特点。最终，使之能够满足大多数领域对振 动测试分析的要求，并达到能够在更多领域广泛应用的目的，同时本文工作也是 作为后续课题研究的一块铺路石，能为以后系统的升级换代提供有用的参考。 1 4 课题的主要内容及创新点 本文在分析了国内外便携式设备巡检系统的现状后，提出了将d s p 芯片技术 和嵌入式系统技术与传统测试仪器相结合的思想，在论证了系统的可行性之后， 迸行了便携式设备故障巡检系统的软硬件设计工作。 具体来说，本文所做的工作具体有以下几条： 1 系统的各个关键硬件模块设计及与d s p 的接口电路设计。 主要包括d s p 芯片的选型、传感器的选择、数据采集模块的设计、液晶显示 模块的接口设计以及存储模块c f 卡的接口设计。 2 实时操作系统的选择和移植。 根据系统的实际要求和特点，选择了适合在d s p 上高效运行的嵌入式实时操 作系统i j c o s i i ，并针对系统所选择的d s p 芯片进行了操作系统的移植。 3 实现仪器各种功能的软件程序设计。 根据系统的功能要求及目标，进行了软件系统设计，主要包括信号采集程序 设计、功能算法程序设计、显示程序设计、存储程序设计等 4 探讨了系统的抗干扰技术。 为保证系统稳定可靠运行，本文探讨了系统的软硬件抗干扰技术，并给出了 相应的解决措篪。 5 研究了定点d s p 中f f t 的实现问题 针对定点d s p 的特点，探讨了定点d s p 中实现f f t 的关键技术问题，包括数 的定标、非线性运算以及中间结果的溢出问题，并给出了相应的解决办法。 本论文的创新点有如下几条： 1 将d s p 芯片技术应用到便携式设备故障巡检系统设计当中，它不仅可以 完成快速振动信号的采集，而且凭借其强大的数字信号处理能力可以明 显提高系统进行信号分析和故障诊断的效率。 2 嵌入式系统技术，特别是实时操作系统在便携式设备故障巡检系统设计 当中的应用，可以明显提高系统进行信号分析和故障诊断的稳定性，稳 定高效的分析诊断实现有利于本系统在工业测试诊断领域的推广应用。 1 5 论文的章节安排 本论文共分为八章。第一章是绪论，介绍了振动测量和分析的内容和特点， 介绍了便携式设备巡检系统的国内外现状，分析了d s p 技术和嵌入式技术在现代 郊州大学硕十学缸论文 仪器中的应用，在此基础上阐明了本课题的研究意义和内容及创新点；第二章阐 述了d s p 技术的理论和实现，介绍了d s p 系统的构成、特点以及d s p 系统的设计 过程。稍后介绍了d s p 芯片的一些内容，最后介绍了本课题所采用的d s p 芯片的 一些信息。第三章介绍了嵌入式系统一些知识，主要介绍了嵌入式实时操作系统 的相关知识，最后介绍了本课题所采用的实时操作系统的特点。第四章阐述了便 携式设备巡检系统的硬件电路设计，主要包括数据采集模块设计、液晶显示模块 设计和存储模块设计三个方面的内容。第五章阐述了便携式设备巡检系统软件系 统设计，主要包括实时操作系统的移植、采集程序设计、显示驱动程序设计和存 储驱动程序设计等内容。第六章介绍了提高系统稳定性的软硬件抗干扰设计。第 七章介绍了定点d s p 中f f t 的实现问题，主要内容包括快速f f t 的原理、实现中 的技术难点及解决方法等，最后给出了一个基2 的复数f f t 的t m s 3 2 0 c 2 x x 混合 语言程序。 1 6 小结 本章首先讨论了振动信号测试的目的、方法和实现手段，随后分析了便携式 设备巡检系统的国内外发展现状，比较了各种产品的优缺点，提出了利用d s p 技 术和嵌入式系统技术与传统测试仪器相结合的思想。随后，简要介绍了d s p 技术 和嵌入式系统技术与现代仪器的关系。最后，文章指出了本课题的研究意义、主 要内容、主要创新点和本论文的章节安排。 郑州人学颈十学位论文 第二章d s p 技术 2 ，1 概述 近几十年来，数字信号处理是紧紧围绕若理论、实现及应用三个方面迅速发 展起来的，它以众多的学科为理论基础，其成果又渗透到众多的学科，成为理论 与实践并重、在高新技术领域中占有重要地位的新兴学科。 随着计算机和信息产业的飞速发展，特别是数字信号处理器( d s p ) 的诞生 与快速发展，使各种数字信号处理算法得以实时实现，为数字信号处理的研究和 应用打开了新局面，提供了低成本的实际工作环境，造就了大批新型电子产品， 推动了新的理论和应用领域的发展。由于d s p 具有丰富的硬件资源、改进的并行 结构、高速数据处理能力和强大的指令系统，已经成为世界半导体产业中紧随微 处理器与微控制器之后的又一个热点，在通信、航空、航天、雷达、工业控制、 网络及家用电器等各个领域得到了广泛的应用。， 2 2 数字信号处理的理论及实现 2 2 1数字信号处理的理论 数字信号处理在理论上所涉及的范围极其广泛，在数学领域，微积分、概率 统计、随机过程、高等代数、数值分析、近世代数、复变函数等等都是它的基本 工具，网络理论、信号与系统是它的又一理论基础。在学科发展上，数字信号处 理又和最优控制、通信理论、故障诊断等紧紧相连，近年来又成为人工智能、模 式识别、神经网络等新兴学科的理论基础，其算法的实现( 无论是硬件和软件) 又和计算机学科及微电子技术密不可分。因此可以说，数字信号处理是把经典的 理论体系( 如数学、系统、信息) 作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系 列新兴学科的理论基础“，。 在国际上，一般把1 9 6 5 年快速傅里叶变换( f f t ) 的问世，作为数字信号处理 这一新学科的开端。在二十多年的发展中，数字信号处理自身己基本上形成一套 较为完整的理论体系。这些理论主要包括： ( 1 ) 信号的采集( a d 技术、采样定理、多采样率、量化噪声分析等) ； ( 2 ) 离散信号分析( 时域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等) ： ( 3 ) 离散系统分析( 系统的描述、系统的传递函数及频率特性等) ； ( 4 ) 信号处理中的快速算法( 快速傅里叶变换、快速卷积与相关等) ： ( 5 ) 信号的估值( 各种估值理论、相关函数与功率谱估计等) ； ( 6 ) 滤波技术( 各种数字滤波器的设计与实现) ： ( 7 ) 信号的建模( 最常用的有a r 、m a 、a r m a 、p r o n y 等各种模型) ； ( 8 ) 信号处理中的特殊算法( 如抽取、插值、奇异值分解、反卷积、信号重 建等) ； ( 9 ) 信号处理技术的实现( 软件实现与硬件实现) ； ( 1 0 ) 信号处理技术的应用。 数字信号处理中所涉及到的信号包括确定性信号、平稳随机信号、时变信号、 一维及多维信号、单通道及多通道信号。所涉及到的系统也包括一维系统、二维 系统、多通道系统，对每一类特定的信号与系统，上述理论的各个方面又有不同 的内容。 郊州大学硕十学静论文 伴随着通讯技术、电子技术及计算机的飞速发展，数字信号处理这一新兴的 理论也在不断地丰富和完善，各种新算法、新理论正在不断地被提出，可以预计， 在今后的十年中，数字信号处理的理论将更快地发展。 2 2 2 数宇信号处理的实现 数字信号处理算法的实现，大体上有如下几种方法n 1 ： ( 1 ) 在通用的微计算机( 如p c 机) 上用软件来实现，软件可由使用者自己 编写，也可使用现成的软件。自i e e ed s pc o m m 于1 9 7 9 年推出第一个信号处理 软件包以来，国内外的研究机构、公司也在推出不同语言、不同用途的信号处理 软件包。这种实现方法相对来说速度较慢，大多不能满足现场对实时性的要求， 多用于教学与科研。不过，随着通用处理器速度的不断提高，这种实现方式是会 有很大的发展前景的。 ( 2 ) 用单片机来实现，目前单片机的发展速度很快，其功能也很强。依靠 单片机的硬件环境配以信号处理软件可用于工程实际，如数字控制、医疗仪器等。 由于单片机精度和速度的限制，这种实现方式存在精度不高、不能实现复杂和实 时的数字信号处理。 ( 3 ) 应用专门用于信号处理的d s p 芯片来实现，d s p 芯片较之单片机有着 更为突出的优点，如内部带有乘法器，采用并行结构，多总线，速度快，配有适 于信号处理的指令等，d s p 芯片的问世及飞速发展，为信号处理技术应用于工程 实际提供了可能。 目前市场上的d s p 芯片以美国德州仪器公司( t i ) 的t m s 3 2 0 系列为主，其它 有a t t 公司的d s p l 6 ，d s p 3 2 系列，m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 x ，d s p 9 6 x 系列，a d 公司的a d s p 2 1 x 、a d s p 2 1 0 x 等系列。t m 3 2 0 系列从t m 3 2 0 1 0 至c 2 0 。c 3 0 ，c 4 0 已 发展到c 6 0 系列及具有双内核的o m a p 系列。d s p 芯片近几年已在我国得到应用， 其中t i 公司的产品约占7 0 。 ( 4 ) 利用特殊用途的d s p 芯片来实现，现在国际上已推出专门用于f f t ，f i r 滤波、卷积、相关等专用芯片，其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使用 者给出输入数据，可在输出端直接得到结果。 我国对数字信号处理技术和产品的研究起步较早，基本上与国外同步发展。 目前，全国已有部分科研单位和公司进行了d s p 芯片的研究，上百所高等院校 从事数字信号处理算法的教学与科研。目前，除了一些d s p 处理器尚需从国外 进口之外，在信号处理理论和算法方面，与国外处于同等水平，而在信号处理和 系统集成方面，正在进行与世界上先进国家同样的研究。 2 3d s p 芯片介绍 2 3 1 d s p 芯片的概念与特点 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算 的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。 根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下一些主要特点0 1 ： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。 ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。