（电力系统及其自动化专业论文）水轮机状态监测装置中的数据采集与传输研究.pdf

摘要 a b s t r a c t h y d r o e l e c t r i cp o w e rh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf o ri t sp e a l ( m o d u l a t i o n c a p a c i t ya n de n o r m o u sp o t e n t i a lr e s o u r c e s i nt h ep o w e ri n d u s t r y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fp o w e rm a r k e t ，i n c r e a s i n gt h es e l fc o m p e t e n c eo fh y d r o e l e c t r i cp l a n tb e c o m e st h ea i mo ft h e h y d r o p o w e ri n d u s t r y s oi ti san e c e s s a r yr e q u i r e m e n to ft h ep o w e rs y s t e mt or e f o r mb y e n h a n c i n g t h eo p e r a t i o ns t a b i l i t yo fh y d r o e l e c t r i cu n i t ，d e v e l o p i n gf a u l td i a g n o s et e c h n o l o g y a n di m p l e m e n t i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n g t h et h e s i ss t u d i e so nt h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s et e c h n o l o g ya n d a n a l y z e st h ee x i s t i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n ge q u i p m e n t s b a s e do nt h ep o p u l a rm e t h o do f v i b r a t i o na n a l y s i s ，i td i s c u s s e st h ep r o c e s so fm u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s t i o na n dt h ed a t a a c q u i s t i o nd e m a n do f d a t aa n a l y s i sa n dr e s e a r c h e sk i n d so fm e t h o d so f d a t aa c q u i s t i o n t h e ni t p r o p o s e saf p g a b a s e dd a t aa c q u i s t i o nm e t h o dw h i c hi n t e g r a t e st h ec o n t r o lo f d a t a c o l l e c t i o n ，d a t as t o r a g e ，d a t ap a c k a g i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o ni nas i n g l ef p g ac h i pa n d a c h i e v e dt h r o u g hh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e t h ed a t ac o l l e c t i o ns o l u t i o nu s e st h es t a t em a c h i n et oc o n t r o la d c o n v e r s i o n s y s t e m c o u l dg e th i g h e rs p e e da n dr e l i a b i l i t y m e a n w h i l e ，i tp r o v i d e dt w ow a y st oc o l l e c td a t a , o n ei s s y n c h r o n o u si n t e g r a t e dp e r i o ds a m p l i n ga n dt h eo t h e ro n ei se q u a lt i m ei n t e r v a l ss a m p l i n g d a t as t o r a g es o l u t i o nu s e st h ed o u b l e - p o r tr a mi nt h ei n t e r n a lf p g at os t o r a g ed a t aa n d a d o p t sp i n g - p o n go p e r a t i o nt e c h n o l o g yf o rh i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o n d a t et r a n s m i s s i o ns o l u t i o nu s e sd m am e t h o dt oi n c r e a s ed a t at r a n s i m i s s i o ns p e e da n d r e d u c et h eb u r d e n o ft h eu p p e rm o n i t o r t h em e t h o do f d a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nf o rt h em e c h a n i c a lv i b r a t i o ns i g n a l p r o p o s e di nt h ep a p e rs i m p l i f i e st h ev i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o no ft h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n df a u l td i a g n o s t i cs y s t e m ，e n h a n c e st h ed a t aa c q u i s i t i o ne f f i c i e n c ya n di t sr e l i a b i l i t y , a n d g r e a t l yr e d u c e st h eo v e r a l ls y s t e mc o s t a n di ti so fa c e r t a i nv a l u ef o rt h es a m er e s e a r c hi nt h e f i e l d k e y w o r d s ：v i b r a t i o ns i g n a l s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o n ，f p g a i i i 国网电力科学研究院学位论文独创性声明 本人声明所旱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， 也不包含为获得国网电力科学研究院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：盘i 叁霪日期：垄翌垒翻至璺 国网电力科学研究院学位论文使用授权声明 国网电力科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图二 5 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，允许论文被奄阅和借阅，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) 授权国网电力科学研究院办理。 研究生签名：导师签名：日期 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 首先，随着水轮机组单机容量的提高以及其在电力系统中所占的比重越来越大，它 的安全性和稳定性问题已越来越突出，并且对电力系统和国民经济的影响极大。当今， 水电机组在向高水头、高转速、高效率和大容量的方向发展，而设计实践中趋向使用高 强度的材料，构件刚度的减小和机组尺寸的增加，必然会带来更多的稳定性问题。同时， 由于降水量的不均衡性，使水电站的水头变幅较大，水轮机的运行工况不稳，也会造成 机组的振动问题。另一方面，由于水轮机具有启动速度快的固有优势，电网在调度中已 越来越强调水电厂的调峰作用，这就要求水电机组在整个出力范围内具有充分的可用 性，即除了要解决机组发电运行时的稳定性问题，还要解决机组在频繁的过渡过程中的 稳定性问题。一因此，通过水轮机组振动故障诊断技术能及时、正确的对水轮机组各种异 常状态或故障状态做出诊断，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，以把故障损失降低到最低水平。 其次，水轮机越来越具有综合、大型、精密的特点，并且在许多场合要求连续、高 速、自动化运行。如何保证设备处于良好的运行状态，并降低与此相关的成本，日益成 为企业生产管理的焦点之一。设备维修其发展过程共经历了事后维修和预防性定期维修 两个阶段。事后维修的特点是设备坏了才修，不坏不修。这种维修方式，显然会失去设 备维修的最佳时期，增加了维修难度，增大了维修成本，延长了维修时间。预防性维修， 他有三种具体形式：一是检查后维修；二是标准化维修；三是定期性维修。该类维修虽 然强调以预防为主，但是，定期维修计划的编制是否精确，计划与实际修理需要是否相 适应，都直接取决于对其状态估计的精确性。随着设备状态监测技术和诊断技术的迅速 发展，设备状态监测检修逐渐取得了广泛的推广与应用，已成为了当今国际上科学维修 与管理发展的方向。因此，通过水轮机组振动故障诊断技术能保证水轮机发电机组发挥 最大的设计能力，制定合理的检修维修制度，以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力， 延长使用寿命，降低设备安全寿命周期费用。 最后，通过监测，故障分析，性能评估为设备结构修改，优化设计等提供数据和信 息。总而言之，水轮发电机组故障诊断既要保证设备的安全可靠运行，又要获得最大的 经济效益和社会效益。 国网电力科学研究院研究生论文 在旋转机械状态监测与故障诊断领域，振动监测技术是近年来国内外发展较快的一 门新兴学科，已不仅在理论上有了很大的突破，而且不断转化为技术投入到实际的项目 应用中。振动监测技术主要是建立在对故障机理研究的基础上的，在技术发展中大致经 历了两个主要的阶段：第一阶段是以计算机技术、传感器技术和动态测试技术为基础， 主要集中在故障机理和诊断方法的研究等，它是以信号处理技术为手段的常规振动监测 技术发展阶段：第二个阶段是随着信息高速公路的发展和人工智能技术的应用，在此基 础上发展起来网络化、智能化振动监测与诊断阶段。 在第一阶段，大型旋转机械振动监测技术在国外的研究是建立在对故障机理分析的 基础上的。对于大型旋转机械而言，这一阶段的研究工作始于六十年代末期。代表性的 工作是1 9 6 8 年美国的j o h ns o h r e 在他多年工厂实践的基础上，对高速涡轮机械故障的 起因及其预防措施进行了系统的研究，并将典型故障划分为九类二十七种，这一成果至 今仍广为应用。日本的白万博自六七十年代以来发表了大量的故障诊断文章，积累了丰 富的现场故障处理经验，并进行了理论上的研究。b e n t l y 公司在转子动力学方面做了大 量工作，对旋转机械故障机理研究得比较透彻。日本三菱公司研制的m h m s 带有决策树 表示诊断规则描述，并且采用模糊逻辑分析确定置信因素的振动诊断专家系统。这些工 作为故障机理的深入研究奠定了基础。七十年代以后，故障机理和诊断技术的研究发展 非常迅速。人们使用机组或故障的数学模型进行故障诊断。先对研究对象或机械故障建 立有关的数学模型，然后根据数学模型进行故障诊断。这种方法可以用来预测信号和估 计非测量的状态变量，一过程参数和其它的过程特性。根据故障机理研究的成果，人们建 立了各种旋转机械可能发生的故障的数学模型，如不平衡、不对中、碰磨、油膜振荡等 与振动有关的故障以及裂纹、磨蚀、泄漏、发热、烧损、松动、变形等。 在诊断方法上，对于故障诊断主要采用振动分析诊断法、温度分析诊断法、压力分 析诊断法、油液分析诊断法、统计诊断方法、状态空间分析诊断法以及模糊诊断方法等。 这些故障诊断方法的主要手段可归结为模式识别，它以提取足够识别故障的特征信息为 基础。为了提取故障的特征信息，许多先进的信号处理方法先后发展起来，其中在d f t 基础上发展起来的快速傅立叶变换( ( f f t ) 是故障诊断中特征提取的主要手段。f f t 己经 成为信号处理中最重要、最基本的技术，目前几乎所有的动态分析仪器都是以它作为核 心进行信号处理的。以f f t 为基础派生出来的分析方法均获得了极大的发展，如周期图 分析法、快速卷积与反卷积、相关分析、相干分析、自谱、互谱、细化谱、倒频谱、传 递函数、谱趋势分析等。全息谱分析、提纯轴心轨迹法、希尔伯特( h il b e r t ) 变换、维 格纳( w i n g n e r ) 分析、小波分析、时序分析等方法也被引进故障诊断领域作为信息提取 2 手段。基于f f t 分析的信息提取方法仍是故障诊断中应用最广泛和最为有效的手段。 在这几种诊断方法中，振动分析法是旋转机械故障诊断的主要方法，并且今后对振 动分析的理论研究将会更加的深入。振动分析法有许多种，如f o u r i e r 变换、现代谱分 析、高阶统计量、小波分析等，目前己经成功的应用在各个企业的故障诊断系统中，盲 源分离等其他的信号分析理论与技术也正逐渐应用于故障诊断系统中，大大提高了故障 诊断系统的性能。 这一阶段，设备监测技术融合并吸收了大量的现代科技成果，各种先进理论、方法 和技术在设备诊断领域中都找到了用武之地。如：振动诊断技术、振声诊断技术、声发 射诊断技术、光谱诊断技术、铁谱诊断技术、红外和热成像诊断技术、核辐射诊断技术 等，都是这一阶段取得的成果。 人工智能技术的应用，标志着现代设备诊断技术进入了第二个阶段一智能诊断阶 段。智能诊断技术的应用，不但延长了人的感官，而且延长了人的大脑的功能。诊断技 术发展到这一阶段，其研究内容与实现方法已发生了重大的变化。原来以数字技术和信 号处理为核心的诊断技术将被以知识处理和知识推理为核心的诊断技术代替，形成了基 于知识的设备诊断技术。对诊断技术的研究也不再是各种方法的“堆积 ，而是从知识 的角度出发，系统地研究诊断技术。 从目前比较实用的状态监测与故障诊断的技术来看，快速傅立叶变换在实时在线系 统使用的比较多。因此针对水轮机旋转机械振动分析和快速傅立叶变换的特点，开发出 特定的数据采集装置是有必要的。水轮机组振动监测数据采集系统，作为整个监测系统 的最前端，其主要功能是实时采集机组的振动信号，经过预处理后将振动数据传送给数 据分析模块，以达到实时监测机组的振动状态的目的。因此，数据采集系统信号采集的 好坏，直接影响到振动监测的效果和故障诊断的准确，研制性能良好的数据采集系统是 非常具有应用价值的。n 书1 1 2 所要解决的问题 水轮机状态检修和故障诊断装置，根据其应用的对象，不难分析出具有以下一些特 点和要求： 实时监测的要求 由于水轮机组要长期稳定的运行，所以要求对其进行连续不问断的状态监测，实时 振动监测必然要求实时采集机组的振动状态，这就对振动数据采集系统的长期稳定工作 3 国网电力科学研究院研究生论文 提出了比较高的要求。 较高的采集精度和速度 由于要对采集数据进行a d 转换，因此要有比较高的采样频率才能符合香农采样定 律。同时要进行变换分析，因此对采样的精度要求比较高，谐波太多会对分析结果产生 很大的影响。 多通道和键相 在水轮机系统中，有数量众多的测点，这就需要比较多的振动信号输入通道。由于 机组工作状态不同，采集的触发方式也不同。正常状态下为等时间间隔采集，开停机状 态为等转速间隔采集。要实现等角度采样，必须有键相信号触发。所谓键相信号，是由 安装在转轴上的涡流传感器在转轴每转一圈时产生的脉冲，它的每一个脉冲对应于转子 轴向一固定点，可以用于确定转子上其它径向振动量信号的相位，该脉冲能为振动信号 和相角提供转轴每转一圈时的参考标准。它可以产生采样触发信号，作为振动信号整周 期采集的外触发脉冲，同时通过两个键相信号之间的时间间隔可以用来测量记录实时转 速值。 同步整周期采样 在水轮机振动监测中，我们不仅要知道振动信号值的大小，而且要知道信号彼此之 间的相位关系，这时就需要采用同步采样技术来实现。同步采样是每一时刻根据键相信 号来确定采样的基准点，同一时刻对多路信号进行采样。而整周期是由于傅立叶变换时， 不可能对无限长的信号进行运算，而是取其有限的时间长度进行分析，这就需要对信号 进行截断。截断以后，其频谱发生了畸变，为了尽量减少畸变，最好的方法是采用整周 期采样。这样采集的数据畸变较少，有助于实现对设备的状态监测和故障诊断。 信号的传输功能 为了实时分析采集数据，数据采集系统采集到的数据，要能够快速的传送到上位机 进行数字信号处理，计算机通过运行专用分析软件进行数据分析，结果可以在计算机上 直观的显示，从而实现对机组的振动状态监测。“1 4 第一章绪论 1 3 本章小结 本章主要介绍了水轮机状态监测与故障诊断的发展情况与现有的研究方法，同时根 据现在比较实用的以快速傅立叶变换为基础的振动研究方法，对数据采集系统的要求进 行了研究。 第二章数据采集系统的研究 2 1 国内外研究现状 第二章数据采集系统的研究 本文主要设计的是数据采集系统，数据采集是指将振动、温度、压力、流量、位移 等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相 应的系统称为数据采集系统。其性能的好坏主要取决于采样速度和精度，在保证精度的 条件下，应用尽可能高的采样速度，以满足实时控制对速度的要求。 水轮机振动监测技术是近年来国内外发展较快的一门新兴学科，它不仅在理论上有 了很大的突破，而且不断转化为技术投入到实际的项目应用中。由于工业生产中大型关 键设备多为旋转机械，国内外对旋转机械的故障机理研究开展得最早，也最成熟。故在 此以旋转机械为主介绍几种在线监测与故障诊断系统的数据采集系统。 国外研究现状：七十年代至八十年代，机械设备的状态监测与故障诊断技术在许多 发达国家开始研究。随着电子计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号识别技 术与故障诊断技术等现代科学技术发展，世界各国竞相开展研究工作，不断推出新产品。 如美国b e n t l yn e v a d ac o r p o r a t i o n ( 本特利) 的系列产品、w e s t i n g h o u s e 公司的p d s 系统、i r d 与e n t e k 公司联合开发的5 9 11 系统、s c i e n t i f i ca t l a n t a 公司的m 6 0 0 0 系 统以及日本三菱公司的m h m 系统等。其中美国开发的最早，技术也最先进。b e n t l y 公司 可能是其中研究最为成熟的，一其特点如下： 通信处理箱通过三种方式采集数据 等时间间隔( x t ) 采样，用于正常状态。 等转速间隔( a n ) 采样，用于开停机。 报警采样，当监测器某点报警时，通信处理箱立即自动采样并传送到计算机供分析 用。 每个t 和n 采样包括从每个动态检测仪表上获取3 2 0 个矢量和3 2 个波形数据。 矢量值包括通频振动、间隙电压、振幅和相位信息。每个波形据包括1 0 2 4 个样本点( 同 步和非同步波形数据) 。 国内研究现状：近2 0 年来，国内的科研单位、高等院校也研制、开发了一些旋转 机械在线监测与故障诊断系统并投入现场使用。例如郑州大学工学院( 原郑州工学院) 的m m d s 2 0 0 0 系统、北京英华达公司的e n 8 0 0 0 系统、西北工业大学的m d 3 9 0 5 系统、西 7 国网电力科学研究院研究生论文 安交通大学的r m d s 系统及重庆大学的c d m s 一8 9 0 0 系统等，其中郑州大学的m m d s 2 0 0 0 系 统在化工行业应用较多j 西北工业大学的m d 3 9 0 5 系统在石油化工行业应用较多，英华 达公司的e n 8 0 0 0 0 系统在电力行业应用较为广泛。郑州大学工学院振动工程研究所开发 的m m d s 2 0 0 0 系统是在国家“八五 重大科技攻关项目“大型旋转机械在线监测与故障 诊断专系统- m m d s 9 0 0 0 系统 的基础上开发研制并产业化的系统，其核心技术曾获国家 科技进步奖。因此，可以说这套系统代表目前我国旋转机械在线监测与故障诊断技术的 先进水平。 m m d s 2 0 0 0 的数据采集特点如下： 稳态数据同步整周期采集。 开停机数据等转速间隔、同步整周期采集。 低通跟踪滤波，拐点频率可任意设定。 “黑匣子 功能，异常数据将被“冻结 而不会覆盖。， 工艺参数光电隔离，隔离耐压为+ - l o o o v ，输入阻抗大于2 m 欧姆。 主要技术指标 a 振动位移信号采集 3 2 通道，1 2 位分辨率 信号输入范围：o 1 8 2 4 v d c ，叠加+ 一1 v a c 。 同步整周期采样，3 2 倍转速采样频率。 基于键相信号的外触发或基于可编程内部触发方式。 可编程抗混叠跟踪滤波器。 b 工艺信号采集 3 2 通道1 2 位分辨率。 信号输入范围：4 2 0 m a 或i 5 v d c 。 多点平均。 全光电隔离 c 键相信号通道 键相位信号门槛值可调整。 可产生模拟信号并可编程。 从硬件实现上来说，现有的装置一般功能如下： 采用1 0 一l o o m b p s 以太网接口，可同i n t r a n n e t i n t e r n e t 高度融为一体，并自动支 持子网及虚网划分，t c p i p 、i p x 、n e t b e u i 多种网络协议。 r 笙三兰鍪塑墨壅墨竺塑堕壅 采用a s i c 电路，实现对信号进行高速、高精度并行同步预处理( 包括a c d c 分离、 可编程放大、转速跟踪低通及有关阶次矢量滤波) 等。 采用d s p ( t m s 3 2 0v c 5 4 1 0 ) 及3 2 位m m x 主c p u 、实现对多通道( 1 6 通道) 信号进 l 行同步、并行整周期采样及高速特征提取、f f t 变换( 采样频率最高2 5 k h z 、1 0 2 4 点f f t 变换时问5 m s ) 。 具有报警预采样、变化率采样及分频报警采样等多种异常数据触发采样功能。 使用a s i c 电路及模糊逻辑技术，实现多次开停车过程采样能力。 自动完成有无键相信号采样模式转换( 键相采样或仿真键相采样) 。 具有远程运行参数修改、远程维护功能、现场无需任何人工干预。 利用r s 4 8 5 r s 2 3 2 接口可同d c s 、p l c 等交换数据。 这些比较成熟的旋转机械在线监测与故障诊断系统的数据采集装置主要有以下特 点，从软件实现上有等时间间隔采样，等转速间隔采样和自动回录三种形式，从硬件上 来讲，一般要包括高速、高精度并行同步预处理，可编程放大，转速跟踪低通滤波和有 关阶次矢量滤波。从控制核心来看，一般使用可编程逻辑电路来实现控制，d s p 来实现 数字信号处理。1 在实现方式上，随着计算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，以 及传感器技术和网络技术的快速进步，数据采集技术得到了迅速发展。国内现有不少数 据采集系统。在采集控制上，主要通过单片机、d s p 、a r m 和f p g a 等完成。从数据总线 传输速度的角度看，有基于p c i 总线、v x i 总线、i s a ，总线、u s b 总线的数据采集系统。 在软件实现上，有l a b v i e w 图形化编程软件、v b 、v c 可视化开发工具。这些数据采集系 统的研制成功解决了用户的需求，但也有一部分系统存在功能单一、采集通道少、采集 速度低、操作复杂，并且对测试环境要求较高等问题。为了满足高效、高速、多通道等 要求和适应复杂的测量环境，需要研制开发有效的数据采集系统。 2 2 系统实现方案 从系统的角度来看，主要实现采集，分析，显示功能，有如下方案： 1 基于数据采集卡和工控机 数据采集卡一般为厂家提供，用户根据系统的要求( 速度，通道数，分辨率等等) 来选取合适的数据采集卡。由于工控机具有丰富的接口资源和良好的稳定性，所以上位 机一般不采用p c ，而采用工控机的方案。数据采集卡的接口形式有i s a ，p c i 0 4 ，p c i 等等 9 围网电力科学研究院研究生论文 2 基于p l c 的技术方案 p l c 技术是近些年来发展比较迅速的一种自动化技术，已广泛应用于工业控制中。 p l c 为模块化结构，扩展方便，同时具有抗干扰性强，可靠性高，环境适应性好等特点。 此种方案中，选用p l c 的数据采集模块与处理器模块配合即可实现，在上位机对p l c 编 程，程序可通过串口下载到p l c 中，编程方式简单，可采用梯形图编程，同时可对p l c 进行组态，在上位机显示实时监测画面。 3 基于f p g a + d s p + a r m 的嵌入式方案 此方案是通过f p g a 实现数据采集功能，d s p 实现数据分析功能，a r m 实现显示功能， 按照嵌入式系统的设计方法，自行设计处理器外围功能模块，构成数据采集系统。嵌入 式系统具有集成度高，体积小，功耗低，软硬件可剪裁等特点，专用性强，设计成本低， 但软硬件开发周期较长。 4 虚拟仪器 虚拟仪器是看起来并在感觉上与物理仪器相同的软件包；虚拟仪器是由计算机，仪 器硬件，固件和应用软件组成的测试仪器；虚拟仪器通常是指利用个人计算机和有关硬 件与软件模块使之具有传统独立仪器功能的组合。一具有可以保证测量精度和可重复性。 系统组建时间短和用户定义测量功能的特点。 对上述四种方案进行了一番比较和分析：第一种基于数据采集卡和工控机的方案， 虽然具有速度快，开发周期短等优点，但由于硬盘和操作系统的使用，存在可靠性和稳 定性较差的问题，另外成本较高；第二种基于p l c 的方案，可以采用多个数据采集模块 以实现多功能的采集，并且开发方便，但p l c 的逻辑控制能力强，模拟量处理能力较弱， 而且p l c 更适合于顺序控制。第三种基于嵌入式系统方案，优点是成本低，可以使测量 模块化，每个模块针对特定的故障情况，具有可裁剪的优点。缺点是开发周期长，开发 难度大的缺点。第四种方法的优点是开发速度快，可以购买现有的硬件设备来进行开发， 而且软件也是模块化，通过图形编程能极大的提高开发速度。但是缺点是开发成本高， 所有模块购买价格都很高，产品软件不可随意修改的特点。由于本课题主要涉及的是振 动和摆度，因此是同时采集2 4 个通道的数据量，从实用性和经济性的角度出发，选择 在一块控制板上进行采集和分析，没有进行模块化，因此不需要采用二三四方案。为了 解决上述问题，同时考虑采集的特殊要求，故设计了一种专用数据采集卡加嵌入式工控 机的方案，解决数据采集的特殊要求，同时采用工控机，开发速度快，分析，显示效果 好。 1 0 第二章数据采集系统的研究 2 3 本课题主攻方向 由于嵌入式工控机，开发速度快，便于开发，有成熟的技术，因此，本课题的重点 着眼于数据采集卡的研究。 2 3 1 数据采集卡 按与上位机传输方式来分类，可分为如下几种方式： p c i 总线数据采集卡 i s a 总线数据采集卡 4 8 5 通讯远端采集模块 p c i 0 4 总线数据采集卡 u s b 数据采集模块 以太网数据采集模块 工业计算机总线如v m e 、m u l t i b u s 、s t d 总线 由于p c i 总线复杂，所以它的开发会涉及复杂的软硬件技术以及工艺。一般来说一 个复杂的p c i 项目会涉及到以下几方面的技术。首先，硬件方面主要会用到高速的可编 程逻辑，用它去实现应用电路与p c i 协议芯片的接口，一般是时序电路或组合逻辑，电 路结构上比较复杂。软件方面主要会涉及应用所需支持的操作系统的相关驱动程序。如 w i n 9 x ，w i n 2 0 0 0 ( w d m ) ，这些软件部分涉及操作系统内核技术，内容繁多技术复杂，占整 个应用系统的开发任务近一半的比重，它是整个p c i 开发的一个重点。而p c 体系结构 已成为熟知的“标准工业体系”( i s a ) 。用众多厂商提供p c 兼容的3 8 6 、4 8 6c p u 、套片 以及相关设备，使得开发比较简单。同时，虽然p c i 的传输速度比较快，达到1 3 3 m s ， 而i s a 的传输速度只有3 3 m s ，但是一个数据包的传输速度不超过i o m s ，因此i s a 总线 已能够满足要求。 u s b 数据采集模块适合于近距离，大数据量的传输。以太网数据传输模块适合于远 距离，大数据量的传输。4 8 5 总线适合于远程通信、传输速度慢、不能满足传输速度的 要求，而其它总线能满足要求。但为了满足与p l c ，d c s 的通信要求，也设计了上述模块。 综上所述，综合考虑开发时间和成本要求，i s a 总线数据采集卡比较适合该课题需 要，但是采用p c 体系结构时，会发现将面对满足该应用的种种制约因素，如体积大小、 功耗高低、可靠性和坚固性。即使质量、可靠性及坚固性不是问题，机械尺寸及环境方 面的限制仍将阻碍桌面p c 的主板、扩展卡、外设用到嵌入式应用中。因此，嵌入式p c 里塑! 垒垄型兰堕窒堕里! 塑竺丝壅 更适合嵌入式系统的开发。因为它的重点已从个人计算机( 低价) 转向嵌入式系统的要 求( 高质量、高可靠、小尺寸、低功耗) 。p c i 0 4 与标准台式p c 体系结构完全兼容，但 在形态上是十分紧凑、自栈式、模块化的结构。p c i 0 4 把各种台式p c 重新包装，将要求 坚固、可靠、尺寸受限的嵌入式系统标准化，其次，为嵌入式微控制器与p c 兼容提供 了方便。所以采用了p c i 0 4 总线数据采集卡。 2 3 2 数据采集控制核心 确定了数据采集卡的总线标准外，还要考虑数据采集卡的微控制器能否满足控制的 要求。一般的控制核心有如下几种： 5 1 单片机 a r m d s p f p g a 或a s i c 对a d 器件进行采样现在大都是通过d s p 、单片机等微处理器来完成控制的。编程简 单，控制灵活，因为程序执行的缘故，控制周期长，速度慢，特别是a d 本身的采样速度 比较块的情况下，c p u 的慢速极大的限制了a d 高速性能的利用。 举例说明，a d 7 6 5 6 的采样周期约为4 u s ，即从启动采样到完成将模拟信号转换成1 6 位的数字信号的时间。以5 1 系列单片机为例，在控制a d 进行一个采样周期中c p u 必须 完成的操作是：初始化a d 7 6 5 6 ；启动采样：等待约3 u s ：发出读命令：将1 6 位转换好的数据 读入：将数据存入外部r a m ；外部r a m 地址加l 此后再进行第二次采样周期的控制。在整 个过程中至少需要约3 0 条指令，每条指令至少2 个机器周期，如果单片机的时钟频率 为1 2 m h z ，那么一个机器周期就为l u s ，每条指令耗费2 u s ，3 0 条指令的执行周期为6 0 u s ， 加上等待a d s 7 6 5 6 采样周期的3 u s ，共6 3 u s 显然用单片机来控制a d s 7 6 5 6 远远不能发 挥其高速的特性。 但如果使用f p g a 控制状态机来控制a d 采样，包括将采集的数据存入r a m ( f p g a 内 部的r a m 的存储周期可达2 0 n s ) ，整个采样周期只需要4 - 6 个状态即可完成。如果f p g a 的时钟频率为5 0 m h z ，则从一个状态向另一个状态的转换时间为一个时钟周期，即2 0 n s ， 那么个采样周期约为l o o n s ，其速度远远高于单片机的采样速度 由上面可以看出来，单片机采用软件中断，命令周期长，频率低，不适合于多通道 高速数据采集。a r m 有很多接口，构建嵌入式系统方便，有很好的图形显示效果，但控 1 2 第二章数据采集系统的研究 制效果与单片机相比没有特别的优势。d s p 适合于做数据分析，多通道控制功能较差。 f p g a 具有可编程，可定制的优点，硬件中断，采集速度快，适合多通道控制。 f p g a 采用有限状态机来控制。利用v e r i l o g 硬件描述语言设计的逻辑系统中，有很 多是可以利用有限状态机的设计方案来描述和实现的。无论与基于v e r il o g 的其他设计 方案相比，还是可完成相似功能的c p u 相比，在许多方面，有限状态机都有其难以超越 的优越性，主要表现在以下几个方面： 状态机克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点。状态机的工作方式是 根据控制信号按照预先设定的状态进行顺序运行的，状态机是纯硬件数字系统中的顺序 控制模型，因此状态机在运行方式上类似于控制灵活和方便的c p u ，而在性能上优于c p u 。 由于状态机的结构相对简单，设计方案相对固定，特别是可以定义符号化枚举类型 的状态，这一切都为v e r i l o g 综合器尽可能发挥其强大的优化功能提供了有利条件。而 且，性能良好的综合器都具备许多可控或自动的优化状态机的功能以资利用。 状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块，这对于大规模逻辑电路设计中令人 深感棘手的竞争冒险现象无疑是上佳的选择。为了消除电路中的毛刺现象，在状态机设 计中有更多的设计方案可供选择。 与v e r i l o g 的其他描述方式相比，状态机的v e r i l o g 表述丰富多样，程序层次分明， 结构清晰，易读易懂：在排错、修改和模块移植方面有其独到的好处 在高速运算和控制方面，状态机更有其巨大的优势。由于在v e r i l o g 中，一个状态 可以由多个进程构成，一个结构体中可以包含多个状态机，而一个单独的状态机( 或多 个并行运行的状态机) 以顺序方式所能完成的运算和控制方面的工作和c p u 的功能类似。 因此，一个实体的功能便类似于一个含有并行运行的多c p u 的功能。 就运行速度而言，尽管c p u 和状态机都是按时钟节拍以顺序方式工作，当一个含运 算和控制的完整设计程序往往需要成百上千条指令。相比之下，状态机状态变换周期只 有一个时钟周期，而且，由于在每一个状态中，状态机可以完成许多并行的运算和控制 操作。 高可靠性。c p u 本身的结构特点如执行软件指令的工作方式决定了任何c p u 都不可 能获得圆满的容错保障，这是不争的事实。因此，用于要求高可靠性的特殊环境中的电 子系统中，如果以c p u 作为主控部件，应是一项不完美的决策。然而，状态机系统就不 同了，首先它是由纯硬件电路构成，它的运行不依赖软件指令的逐条执行，因此不存在 c p u 运行软件过程中许多固有的缺陷。其次是由于状态机的设计中能使用各种完整的容 错技术：再次是当状态机进入非法状态并跳出，进入正常状态所耗的时间十分短暂，通 1 3 国蝴电力科学研究院研究生论文 常只有2 - 3 个时钟周期，约数十个n s ，尚不足以对系统的运行构成损害：而c p u 通过复 位方式从非法运行方式中恢复过来，耗时达到数十m s ，这对于高可靠性系统显然时无法 容忍的。 因此，本方案选择了f p g a 数据采集卡通过p c i 0 4 总线与嵌入式工控机搭建系统。 而本课题主要设计了其中的f p g a 控制采集部分。7 1 2 3 3 数据采集的传输方式 在总线上，采用了i s a 总线。但是在传输方式上，有很多解决方案。c p u 模块以运 算器为中心、所有器件的操作都由控制器控制，这一特点带来了慢速输入输出操作占 用快速运算器的问题。此时的输入输出操作和运算操作只能串行，相互等待，大大影响 了运算器效率的发挥。为了克服这一缺点，人们提出各种输入输出方式： 程序控制：包括程序等待和程序中断 d m a ：包括成组传递和周期挪用 i o 处理机：包括通道和外围处理机。 程序等待和中断 对i o 设备的程序轮询的方式，是早期的计算机系统对i o 设备的一种管理方式。 它定时对各种设备轮流询问一遍有无处理要求。轮流询问之后，有要求的，则加以处理。 在处理i o 设备的要求之后，处理机返回继续工作。 尽管轮询需要时间，但轮询比i o 设备的速度要快得多，所以一般不会发生不能及 时处理的问题。 当然，再快的处理机，能处理的输入输出设备的数量也是有一定限度的。而且，程 序轮询毕竟占据了c p u 相当一部分处理时间，因此程序轮询是一种效率较低的方式，在 现代计算机系统中已很少应用。 程序中断 处理器的高速和输入输出设备的低速是一对矛盾，是设备管理要解决的一个重要问 题。为了提高整体效率，减少在程序直接控制方式中c p u 之间的数据传送，是很必要的。 在i 0 设备中断方式下，中央处理器与i o 设备之间数据的传输步骤如下： 在某个进程需要数据时，发出指令启动输入输出设备准备数据。 1 4 苎三翌鍪堡墨墨墨堑塑堕堑 在进程发出指令启动设备之后，该进程放弃处理器，等待相关i o 操作完成。此时， 进程调度程序会调度其他就绪进程使用处理器。 当i o 操作完成时，输入输出设备控制器通过中断请求线向处理器发出中断信号， 处理器收到中断信号之后，转向预先设计好的中断处理程序，对数据传送工作进行相应 的处理。 得到了数据的进程，转入就绪状态。在随后的某个时刻，进程调度程序会选中该进 程继续工作。 d m a 传输 直接内存存取技术是指数据在内存与i o 设备间直接进行成块传输。d m a 有两个技 术特征，首先是直接传送；其次是块传送。所谓直接传送，即在内存与i o 设备间传送 一个数据块的过程中，不需要c p u 的任何中间干涉，只需要c p u 在过程开始时向设备发 出“传送块数据 的命令，然后通过中断来得知过程是否结束和下次操作是否准备就绪。 d m a 工作过程 当进程要求设备输入数据时，c p u 把准备存放输入数据的内存起始地址以及要传送 的字节数分别送入d m a 控制器中的内存地址寄存器和传送字节计数器。 发出数据传输要求，进入等待状态。此时正在执行的c p u 指令被暂时挂起。进程调 度程序调度其他进程占据c p u 。 输入设备不断地窃取c p u 工作周期，将数据缓冲寄存器中的数据源源不断地写入内 存，直到所要求的字节全部传送完毕。 d m a 控制器在传送完所有字节时，通过中断请求线发出中断信号。c p u 在接收到中 断信号后，转入中断处理程序进行后续处理。 中断处理结束后，c p u 返回到被中断的进程中，或切换到新的进程上下文环境中， 继续执行。 通道方式 输入输出通道是一个独立于c p u 的，专门管理i o 的处理机，它控制设备与内存 直接进行数据交换。它有自己的通道指令，这些通道指令由c p u 启动，并在操作结束时 向c p u 发出中断信号。输入输出通道控制是一种以内存为中心，实现设备和内存直接 交换数据的控制方式。在通道方式中，数据的传送方向、存放数据的内存起始地址以及 传送的数据块长度等都由通道来进行控制。另外，通道控制方式可以做到一个通道控制 多台设备与内存进行数据交换。因而，通道方式进一步减轻了c p u 的工作负担，增加了 l s 国网电力科学珂f 究院矽f 究生论文 计算机系统的并行工作程度。 采用通道方式后，输入输出的执行过程如下： c p u 在执行用户程序时遇到i o 请求，根据用户的i o 请求生成通道程序( 也可以 是事先编好的) 。放到内存中，并把该通道程序首地址放入c a w 中。 然后，c p u 执行“启动i o ”指令，启动通道工作。通道接收“启动i o 指令信号， 从c a w 中取出通道程序首地址，并根据此地址取出通道程序的第一条指令，放入c c w 中； 同时向c u 发回答信号，通知“启动i 0 ”指令完成完毕，c p u 可继续执行。 通道开始执行通道程序，进行物理i o 操作。当执行完一条指令后，如果还有下一 条指令则继续执行；否则表示传输完成，同时自行停止，通知c p u 转去处理通道结束事 件，并从c c w 冲得到有关通道状态。 总之，在通道中，i o 运用专用的辅助处理器处理i o 操作，从而减轻了主处理器 处理i o 的负担。主处理器只要发出一个i o 操作命令，剩下的工作完全由通道负责。 i o 操作结束后，i o 通道会发出一个中断请求，表示相应操作已完成。 传输方式之间的比较 由于通道方式，使用复杂，用于大型计算机，而且连接的都是打印机，磁盘等数据 传输量非常大的外设，而数据采集的传输一般都采用中断或d m a 方式，因此，主要就d m a 和中断两种方式进行比较。 d m a 与中断的区别 中断方式是在数据缓冲寄存器满之后发出中断，要求c p u 进行中断处理，而d m a 方 式则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求c p u 进行中断处理。这就大大减少了 c p u 进行中断处理的次数。 中断方式的数据传送是在中断处理时由c p u 控制完成的，而d m a 方式则是在d m a 控 制器的控制下，不经过c p o 控制完成的。这就排除了c p u 因并行设备过多而来不及处理 以及因速度不匹配而造成数据丢失等