（水利水电工程专业论文）水轮机振动在线监测系统研究.pdf

水轮机振动在线监测系统研究 s t u d y o ft h es y s t e mt h a to n l i n em o n i t o r t e c h n o l o g y o f t u r b i n e sv i b r a t i o n w a t e rc o n s e r v a n c ya n dr y d r o e l e c t r ! c r r ye n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e w a n gw a n g a n ga d v i s o r ：s o n g w e n w u t h eo n i i n em o n i t o r t e c h n o l o g yo f t u r b i n e sv i b r a t i o ni sa p o p u l a r i t yq u e s t i o n f o r d i s c u s s i o n ，i t i sc o n s i d e r a t i o nt u r b i n e sr a n d o mr e a l f u n c t i o na n df o r e c a s t e q u i p m e n t st i m em a l f u n c t i o na n dc h a n g e i tm a i n t a i nm o d e n i s t e c h n o l o g yb a s e d o nt h es t a t em o n i t o r sa n dt h em a l f u n c t i o na n a l y z i n g i tr e a l i z ef o r e c a s tm a i n t a i nn o t d e f e n dm a i n t a i n n o wt h e r ea r et h r e em o d e st of o r e c a s tt h e r o t a r ym a c h i n e ：a u t oo n l i n e m o n i t o r , t i m em o n i t o ra n do n l i n et e s tl e a v ei i n ea n a l y z i n g t h ef i r s tm o d ei sb e t t e r t h a nt h eo t h e r sm o d e ，i tc a nv o i dr a n d o mm a l f u n c t i o na n dn on e e dw o r k e ri o c a i o p e r a t e t h i sa r t i c l er e s e a r c h e st h es y s t e mo f t u r b i n e sv i b r a t i o no n l i n em o n i t o r t h e s e s y s t e m s m a k e u p o f f o r e g r o u n d a n d b a c k g r o u n dc o m p u t e r , f o r e g r o u n dc o m p u t e rc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gd a t a ，b a c k g r o u n dc o m p u t e rs t o r a g e d a t a ，d i s p l a y , a n da n a l y z e ，e t c 。f o r e g r o u n dc o m p u t e rm a k eu po fa d ，c p l d ， d s es r a m ，e r e i tc a r e a l i z eh i g h s p e e dd a t ac o l l e c tb i gc a p a c i t yd a t ac a c h e b a c k g r o u n dc o m p u t e rm a k eu p o fi n d u s t r yc o m p u t e r , i tu s ed e l p h i l a n g u a g ed e s i g n m a n u f a c t u r ei n t e r r a c e ，a n dt h i ss y s t e mc a l lt e s tt u r b i n e s p a r a m e t e r so fv i b r a t i o n ， p r e s s u r e ，a n dr o t a t es p e e d ，e t c 。a n a l y z i n ga n dj u d g et h et u r b i n e ss t a t i o n e n h a n c e h y d r o d y n a m i cp o w e rs a f e t y b a c k g r o u n dc o m p u t e rs e t sa l lp a r a m e t e r s 。s oi th a s v e r ya g i l i t y c a nu s em a n ys t y l et u r b i n e ss y s t e ma n do t h e r ss y s t e m t h ef o r e g r o u n d a n d b a c k g r o u n dc o m p u t e r u s ew a t c h d o g ，s oi th a sv e r ys t r o n gs t i c ku pt oi n t e r f e r e k e yw o r d s ：c o m p l e xp r o g r a m m e dl o g i cd e v i c e ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , v i r t u ei n s t r u m e n t ，o n l i n em o n i t o r i n g 2 西华大学硕士学位论文 前言 l 概述 本文详细研究了水力机组振动在线监测技术的原理和系统的组成以及软、 硬件的实现方案，这对实现水电站水力机组振动的在线监测，提高电站的运行 可靠性具有十分重要的意义。 2 研究目的和意义 长期以来，我国水电站水轮发电机组主要采用“计划检修、到期必修”的 检修原则。这种定期检修的方法虽然在一定程度可以保证发电设备的正常运 行。但它却有着如下的一些缺点： 不科学性 纯定期检修是依据设备的制造质量、安装工艺、现场投运调试情况而 预定一个检修周期，将其写入设备的检修规程并固定下来，由生产计划部 门参照执行。纯计划检修虽然可以对状态不佳的设备进行必要的维修，但 也同时对运行情况良好的设备也按部就班修理，这样势必会造成有些设备 部件越修越坏或良好设备一修便故障率增加的现象，因此缺乏科学性。 o 不经济性 纯定期检修一方面致使有些状况较好的设备到期必须修理，增加设 备检修费用，同时又加速了设备的磨损，甚至缩短了使用寿命，降低了设 备利用率；另一方面，少数状况不好的设备因检修周期未到而得不到及时 检修，降低了设备运行的安全可靠性，甚至到发生事故后才抢修，扩大了 经济损失。 专业性太强 7 水轮机振动在线监测系统研究 定期检修对检修人员的专业性要求较高，要求他们具有较强的专业敏 感性以及分析专业问题的能力。 定期检修存在蓿上述缺点的根本原因在于检修的依据是以往的同类 设备的运行经验，而不是当前的该设备的运行状况。由于不能准确的找出 问题的原因，因此只好按都就斑的操作。 水轮机振动在线监测系统就是为了解决上述问题而提出的。本文也主 要在水力机组的振动监测方面作些有益的工作，开发出水电站水力机组振 动在线监测系统。 3 国内外的研究现状及发展 水力机械状态监测技术，是近年来研究的热门课题，着重考虑的是避免设 备的随机性故障，预测设备的时间依存性故障和改变设备的维护方式。该技术 是在状态监测及故障分析基础上发展起来的，是实现以先进的预知维护取代以 时间为基础的预防性维护的关键技术。 目前对旋转机械状态在线预i 贝4 采用的方式有：自动在线监测方式、定期监 测方式与在线检测离线分析监测方式，其中自动在线监测方式与后两者相比技 术水平更为先进，它既避免设备突发性故障又无需专业人员现场操作。 国外已经将在线监测技术应用于水力发电机组，比如美国的p r o s i g 公司 的p o r t o r 系列振动在线监测系统，该系统的前台机采用的是嵌入式工业计算 机。数据和系统程序存储在前台机的电子硬盘之中，后台采用的是工业计算机， 前后机的通讯以及整个系统通讯均采用的是t c p i p 网络通讯协议。 目前国内也开始将此技术应用于大型旋转机械的监测之中。北京英华达科 技有限公司的旋转机械监测系统目前也投入了部分电站的使用之中，其系统采 用了前后台机方式，前台机由十六位单片机作为主处理器，后台机为工控机。 河海大学水利水电工程学院的水轮发电机参数在线监测系统开发采用的是采 用研华a d a m 一5 0 0 0 4 8 5 分布式数据采集控制系统。 水力机械的时域、频域综合信号的处理要求有较高的实时性、实用性和稳 定性，对于国内外所采用的系统中，单片机的处理速度较慢，工控机的处理速 8 西华大学硕士学位论文 度虽然较快，但是内部没有硬件乘法器，在处理乘法运算时，只能采用加法运 算，在完成乘法运算时速度的优势无法发挥。基于上述情况，我们采用了具有 硬件乘法器的d s p 作为前台处理器，实现信号的采集，处理。后台机采用工业 控制计算机实现对数据的分析显示和远传。这样可大大加强系统对数据采集， 处理，分析的实时性。本课题着重针对水轮机振动在线监测系统，开发相应的 软件系统和硬件系统。 9 水轮机振动在线监测系统研究 第一章水轮机振动理论及分析方法 1 1 水力机组振动的危害 机组运行的稳定性是水轮机工作性能的重要指标，提高机组运行的稳定 性，就成了水力机组设计、制造、安装、运行和检修中最重要的问题之一，无 论大、中、小型机组都不例外。 枫组运行的稳定性包括：机组工作水头和出力的波动；水压力脉动、水流 周期性冲击；机组轴承部分的振动：机组转子振摆；调速系统的振荡；机组内 部不正常的音响( 噪音、异常声音) 等。 水轮发电机组的振动是一种非常有害的现象，影响机组使用寿命。严重的 振动，又会使焊缝开裂，零部件疲劳断裂飞出，威胁着机组的安全。但振动又 是不可避免的，故我们只能在一定的技术条件下将振动尽量减小，使振动值在 允许的范围内。 1 2 水力机组振动的原因分析 水力机组的振动可分为水力振动、机械振动和电磁振动三类。 1 2 1 水力振动 卡门禚列 当流体流过圆柱物体( 或一般的不良绕流体) 时，在物体后面会沿着两条 互相平行的直线产生一系列相隔定距离的单涡，如图1 ，l 所示。从总体来看 这系列单涡称之为卡门涡列。各个单涡以相向旋转的形式交替在物体两后侧 释放出来；如卡门涡列的频率与园柱的固有频率相等或接近时，就可能产生周 期性振动。 之。l = ”二9 、。j 兰二i 溺。 、7 、二，：乡一、一= 生兰 娄霪孝霭 、一经乏一 乏二量 f i g u r e l 1k a m a nw h i r l p o o l 圈1 1 卡门 ；呙列 西华大学硕士学位论文 上述卡门涡列而引起的振动，在水轮机运行时也经常出现。当转轮叶片具 有钝尾时( 圆形出水边) 如图l _ 2 所示，就会在叶片的出水边后形成卡门涡 列，在单涡从叶片出口边的工作面和背面交替地释放出来的同时，产生了 作用在叶片上的交变作用力，当这些作用力的频率和叶片自振频率接近时， 就引起了共振。叶片的振动还伴随着一定的声响，长时间的振动就会在叶 片跟上冠和下环之间的过渡处产生裂纹，从而造成不可想象的严重后果。卡 门涡列的振动频率为 疋i ( o 1 8 以2 0 ) 尝 式中， f 。卡门涡列的振动频率； w 2 转轮出口水流相对速度； 6 ：叶片出水边厚度。 f i g u r e l 2b l a d eo u tw a t e rf a c e 图1 2 叶片出水边 从上式可以看出，卡门涡列的振动频率跟水轮机的工况( 由w ：反映出来) 和叶片出水边厚度6 ：有关。机组在一定水头和导叶开度下运行时，其涡振频率 水轮机振动在线监测系统研究 有可能与叶片自振频率相同，此时叶片就会剧烈振动起来而使叶片产生疲劳裂 纹。这类问题在大、中、小型水电站中均有可能出现。实际工作中可以通过水 轮机振动在线监测系统找出振动的原因和振动的部位。 o 狭缝射流 在轴流式水轮机中，由于转轮叶片的工作面和背面存在着压力差，在轮 叶外缘和转轮室壁的狭窄缝隙中，形成一般射流，其速度很高，而压力非常低， 见图1 3 所示。 f i g u r el3w a t e rr a d si n t os t r a i g h t n e s s 图1 3 狭缝射流 在转轮旋转过程中，转轮室壁的菜一部分在叶片到达的瞬间处于低压，而叶片 离去后又处于高压，如此循环，形成了对转轮室壁相应部位周期性的压力波动， 从而产生振动，导致疲劳破坏。对于可拆卸段结构的转轮室，这种破坏的后果 更为严重。这种振动的频率为， f ：笙 ，6 0 式中z 转轮叶片数： n 机组转速。 狭缝射流还会产生间隙汽蚀，这是转轮室衬壁和叶片外缘破坏的重要原 1 2 西华大学硕士学位论文 因。 水力不平衡 如果在转轮内，水流失去轴对称，将会产生一个不平衡力作用在转轮上， 经常遇到的就是过流轮廓不对称，它会引起水流失去轴对称。例如：( 1 ) 转轮加 工质量不好，叶片开口和导叶开度等不均匀，将会引起水流的不对称：( 2 ) 上冠、 下环的偏心和摆度以及迷宫环间隙的不对称：( 3 ) 蜗壳来流的不对称；( 4 ) 流道中 有杂物堵塞，引起转轮来流的不对称等等。 虽然迷宫环圆度好，不偏心，但由于某种原因使轴进入了弓状回旋( 摆度 过大等等) ，如图1 4 转轮中心0 绕旋转中心0 作圆周运动，则迷宫间隙变化， 间隙内水压力也变化，就产生了作用在转轮上的不平衡横向力，这个旋转横向 力始终沿o o 方向作用。因为横向作用力与弓状回旋的方向保持致，这个力 会加剧弓状嚼旋的振动。 荡；淤 憋l裂 f i g u r e1 4l a b y r i n t hr i n g sc l e a r a n c eu n e q u a l i z a t i o nl e a dt ow a t e r p o w e ru n b a l a n c e 图1 4 迷宫环间隙不均引起水力不平衡 这种间隙变化所引起的振动，称为自激振动，它与一般受追振动的区别在 于当弓状回旋停止后，引起振动的干扰力就会消失。 影响这种自激振动的因素有： 激振动的倾向随水轮机工作水头的增加而加强： 振动的倾向与迷宫环的结构有关。图1 5 a 所示的两种结构，其自激振 动的倾向要比图1 5 b 对应结构的自激振动倾向要强。高水头混流式水轮机的 水轮机振动在线监测系统研究 梳齿迷宫环原采用( a ) 中所示的结构，由于振动过大而不能运行，实际设计中 改为( b ) 中所示结构。 低 水 头 一 面 水 头 笏慝国蕊 ( a ) 9 1 6 m i t z2 3 d o a 0 f l s b ) d 9 1 2a - d 1 0 a c s 4 2 6 c i xd 1 0 1 la d 1 l a w r 2 7 ，c sd l l 1 0a d 1 2 乱d 2 8 v rd 1 2 9a d 1 3 a d c o n v s t2 9 舳d 1 3 f m s b ) 8o n d a i n t 43 0 c o n v b - ra o n d 7 - 5 v3 l 压盯r e f o u t c h 1 5扯 a v s sr 碰i n 6 3 3 c 蚍a v d d 5 v ：1 n 63 4 c 丑4 bc r i a 4crl3=：c7= 3 5 c 日l al 蚀b 30 i u 0 n d1 r c 脚c 执 2c i - f t 4 l a 胁c 2 b f i g u r e3 2a dl i n k 图3 2a d 连线图 图3 3 是c p l d 与a d ，以及与数据总线缓冲器的连接关系如下图，c p l d 采用的是塞灵思公司的x c 9 5 1 4 4 。 f i g u r e3 3a dl i n kt oc p l d 图3 3a d 与c p l d 的连接关系图 数据总线隔离驱动与a d 和c p l d 的连接关系如图3 4 所示 茜华大学硕士学位论文 i a 、 r r ，1 d mv c c 2 03 3 v - a d o2 a 1o e 1 9 j ) 一d a d 1 3 ， a 2b 1 1 8 d o a d 24 3b 2 1 7- d 1 a d 35 a 4b 3 1 6d 2 a d 4 6 1 5d 3 a d 5t 7 a5】b4 1 4d 4 a _ i ) 6 8 a 6b 5 a d 79 ”b 6 1 3d ， j 口b 7 1 2d 6 o m1 1d 7 c n b 8 t 镕 a d 82 d mv c c 1 9e 5 d t 2 - d a - ，93 ， a i1 0 e a - d 1 0 4 肖盘b 1 1 8d 8 a d 1 15 。，b 2 1 7d 9 a d 1 26 a t 4b 3 1 6d 1 i a d 1 3 7 a 51 1 4 1 5d 1 8 a 6b 5 1 4d 1 9 j 口丑心 1 3d 1 a n d 。i 万一 a 8 b 7 1 2 1 1 ( ”q db 8 f i g u r e3 4b u sl i n k 图3 4 总线隔离连接图 其详细的连接关系见附图所示( 见p 6 6 ) 。 c p l d 与a 0 及总线隔离驱动的逻辑关系： a d c o n v s t 信号有由于晶体震荡器产生，经c p l d 读取d s p 设置的采用频 率来进行分频产生启动a d 转换信号，其实现的逻辑如图3 5 所示，虚线框内 为c p l d 逻辑。 d s d s f i g u r e3 5a ds t a r ts i g n a ll o g i c a l 图3 5a d 启动信号逻辑图 c 口n v s t 水轮机振动在线监测系统研究 a c s i ，a c s 2 a c s 5 信号的实现，a i n t i ，a i n t 2 a i n t 5 信号送入d s p 的实 现，a w r ，a r o ，a d o 信号的实现，其数字逻辑如图3 6 所示： d s p 控制地址线 a i n t l a i n t s a c s l a c s 5 匿 -1 或门r 一 盛3 一 1 与r r _ 一 a c s l a c s 5 a v r a r d f i g u r e3 6 a de o a h n o ls i g n a lt o g j c 图3 6 a d 控制信号产生逻辑 为了实现上述逻辑，我们采用的是v h d l 语言对其逻辑电路进行编码，由 于采用的是塞灵思公司的x c 9 5 1 4 4 可编程逻辑器件，所以采用的编译器是 i s e w e b p a c k e t6 2 1 仿真软件是m o d e ls i m 5 6 s e ，综合器是i s e 自带的i m p a c t ， 首先，首先打开p r o j e c tn a v i g a t o r ，在s i e 中新建工程tt 2 0 0 4 ，建立方式 如图3 7 所示： f i g u m3 7i s es e t u pp r o j e e l 围3 7i s e 建立工程 西华大学硕士学位论文 然后点击下一步选择芯片型号，封装速度等级，以及描述语言，仿真语言， 仿真器等，直到选择定义- v h d l 源程序定义源程序如图3 8 所示： f i g u r e 3 8c h i ps e l e c t 图3 8芯片选择 编写a d 的片选部分的v h d l 原代码a r c h i t e c t u r e 部分： a r c h i t e c t u r cb e h a v i o r a lo f a di s b e g i n a r c h e t e t u r ef i r s ta d sc s i o f t f f ! 旺h i sr e a d o r w r i t ea d s a d r e s s p r o c e s s ( i o s ，a ) b e g i n i f ( 1 0 s = 0a n da = ”1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ”1t h e n a c s ( o ) = 1 0 ： e l s e a c s ( o ) =1 ； e n d i f ； e n dp r o c e s s ； 一a r c h e t e t u r es e c o n da d sc s i op o r tf ! f f e hi sr e a do rw r i t ea d sa d r e s s p r o c e s s ( 1 0 s ，a ) b e g i n i f ( i o s = 0a n da = ”1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 ”) t h e n 水轮机振动在线监测系统研究 a c s ( 1 ) = 。0 ： e l s e a c s ( 1 ) = 1 ； e n d i f e n dp r o c e s s ； 一a r c h e t e t u r et h i r da d 。sc s i op o r tf f f d hi sr e a do rw r i t ea d sa d r e s s p r o c e s s ( i o s ，a ) b e g i n i f ( i o s = 0 a n d a = ”1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 ”1t h e n a c s ( 2 ) =t o ； e l s e a c s ( 2 ) = 1 ； e n d i f ： e n dp r o c e s s ； - - - a r c h e t e t u r ef o u r t ha d se s i op o r tf f f c hi sr e a do rw r i t ea d sa d r e s s p r o c e s s ( i o s ，a ) b e g i n 、 i f ( 1 0 s = t 0 a n d a = ”1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 ”、t h e n a c s ( 3 ) = 可； e l s e a c s ( 3 ) =1 ； e n d i f ； e n dp r o c e s s ； 一a r c h e t e t u r ef i f t ha d sc s i op o r tf i f o hi sr e a do rw r i t ea d sa d r e s s p r o c e s s ( i o s ，a ) b e g i n i f ( 1 0 s = | 0 a n d a = ”1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 ”1t h e n a c s ( 4 ) = ： e l s e a c s ( 4 ) =1 ； e n d i f ； e n dp r o c e s s ； e n db e h a v i o r a l ； 西华大学硕士学位论文 经m o d e l s i m 编译检验，无语法错误，通过t e s tb c n c h 测试，其逻辑完全符 合当初的设计： 第一片a d 的片选信号为d s p 的f o 端口的f f f f h 单元，第二片为：f o d 的f f f e h 单元，第三片为：i o 口的f f f d h 单元，第四片为f o 口的f f f c h 单元，第五片为i o 口的f f f b h 单元。 其测试结果如图3 1 0 所示： f i g u r e3 1 0c h i ps e l e c tt e s tr e s u l t 图2 1 0 片选信号测试结果 a d 的转换结束和总线缓冲的控制以及r d 和w r 信号的产生的v h d l 原代 码a r c h i t e c t u r e 部分： a d d ( = i o so r ( a c s ( o ) a n da c s ( 1 ) a n da c s ( 2 ) a n d a c s ( 3 ) a n da c s ( 4 ) ) ； 一a dc o n t w c r to v e rs i g n a lt od s p d s p i n t = a i n t ( 0 ) o ra i n t ( 1 ) o ra i n t ( 2 ) o ra i n t ( 3 ) o ra i n t ( 4 ) ； _ a dr e a da n dw r i t es i n g a l w r = d s p r w ： 水轮机振动在线监测系统研究 r d = n o t d s p r w ； 其仿真波形如下图3 1 1 所示： f i g u r e3 1 1n da n db u sc o n t r o l 图3 1 1a d 及总线控制仿真波形 从仿真波形来看和设计思想一致表明语言描述的结果和所要求的电路实 现的功能致。 启动a d 转换信号的实现，其v h d l 的a r c h n 甚c h t u r e 部分的源代 码如下： - p r o d u c ea dc o n v e r ts i g n a lp , o l l v s t f i r s tr e a d 姻h d e f i n ef f f g h sd a t ai ss i n g a lc o m p d a t a t p r o c e s s ( a , b e g i n 西华大学硕士学位论文 i f ( a = ”1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 ”) t h e n c o m p d a t a ；d ； e l s e e n d i f ； e n dp r o c e s s ； 一j u d g ea dc o n v e xy e so rn o p r o c e s s ( a ) b e g i n i f ( a = ”1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 ”) t h e l l i f ( d = ”1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 ”、t h e n i f = a a 5 5c o n v e r t c o n c f l = 0 ； e l s e c o n e n = 1 ： e n d i f i e n d i f e n dp r o c e s s ； p r o c e s s ( a c l k , c l r ) b e g i n i f ( c l r = f o 、t h e n c o u n t e r = ”0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ”； i f ( a c l k e v e n ta n da c l k = 1 ) t h e n c o u n t e r = c o u n t e r + 1 ： e n d i f ； e n d i f ： e n dp r o c e s s ； a d c o n v s t = 0w h e n ( c o n e n = ”0a n dc o u n t e r = c o m p d a t a 1 ) e l s e 1 ； c l r = o w h e n ( c o n e n = 0 ia n dc o u n t e r = c o m p d a t a ) e l s e 1 ； 其仿真后的逻辑关系如图3 1 2 所示： 水轮机振动在线监测系统研究 f i g u r e3 1 2s t a r t a dw a v e 图3 1 2 启动 o 仿真波形 3 2s r a m 与c p l d 和d s p 的连接关系 s r a m 选用的是台湾i c s i ( i n t e g r a t ec i r c u i ts o l u t i o n i n c ) 公司的异步静态 随机存储器。其电气特性参其d a t a s h e e t ，与c p l d 和d s p 的连接如图4 1 3 所 示， f i g u r e4 1 3s r a m ，c p l dl i n kd s p 图4 1 3 s r a m 与c p l i ) 和d s p 连接关系图 西华大学硕士学位论文 由于d s p 5 4 x 的夕 部r a m 只有最大6 4 k 字的访问空间，要使d s p 进行8 m b i t 的访问，显然要进行特殊的处理，本系统充分利用了d s p 具有6 4 k 的i o 访问 空间，由于d s p 的i o 访问和数据访问的信号不同，因此，可以利用c p l d 存 储d s p 的i o 空间信号和d s p 的存储器访问一起完成d s p 的大容量存储器的访 问。这是5 4 x d s p 大容量存储的关键。实现其功能的v h d l 的原代码如下： p r o c e s s ( a , i o s ) b e g i n i f ( 1 0 s = 0a n da ( 7 ) = 0a n da l 8 ) = 1 0 a n da ( 9 ) 0 a n da ( 1 0 ) = 0a n d a ( 1 1 ) = t 0 i a n da ( 1 2 ) = 0a n da ( 1 3 ) = 0a n da ( 1 4 ) = 0a n da ( 1 5 ) = 0 ) t h e n i a ( o ) = a ( 0 ) ； i a ( 1 ) ：1 ) ； i a ( 2 ) = 2 ) ； i a ( 3 ) = a ( 3 ) ； j a ( 4 ) = 4 ) ； i a ( 5 ) = 5 ) ； i a ( 回 ：a ( 6 ) ； e l s e e n d i f ： e n dp r o c e s s ； r a m ( ( = 0 w h e n a ( 1 2 ) = 0 ) e l s e 1 ； r a m f l l ( = 川0 w h e n a ( 1 2 ) = 1 ) e l s e i ； r a m ( 2 、 = 0 w h e n a ( 1 2 ) = o ) e l s e 1 ； r a m o ) = 0 w h e n a ( 1 2 ) = 1 ) e l s e 1 ； r a m ( 舢 = 0 w h e n a ( 1 2 ) = 0 ) c l s c 1 ； r a m f 5 、 = 0 w h e n “1 2 ) = 1 ) e l s e 1 ； r a m ( 6 1 = 0 w h e n a ( 1 2 ) = 0 ) e l s e 1 ； ( d s = 0 - a n da ( 1 5 ) = 1a n da ( 1 4 ) = 0a n da ( 1 3 ) = 0a n d ( d s = 0a n d a ( 1 5 ) = 1a n da ( 1 4 ) = 0a n da ( 1 3 ) = 一0a n d ( d s = 0a n d a ( 1 5 ) = 1a n da ( 1 4 ) = 0a n da ( 1 3 ) = 1a n d ( d s = 0a n d a ( 1 5 ) = 1a n da ( 1 4 ) = 0a n da ( 1 3 ) = 1a n d ( d s = 0a n d1 5 ) = 1 a n da ( 1 4 ) = 1a n d1 3 ) = o a n d ( d s = 0a n da ( 1 5 ) = 1a n da ( 1 4 ) = 1a n da ( 1 3 ) = 0a n d ( d s = 0a n da ( 1 5 ) = 1a n da ( 1 4 ) = 1a n da ( 1 3 ) = 1 a n d 4 1 水轮机振动在线监测系统研究 i a m ( 7 ) = o w h e n ( d s = 0a n da 0 5 ) ：1a n d a ( 1 4 ) = 1a n d a ( 1 3 ) = 1a n d a 0 2 ) ：1 ) e l s e 1 ； 其逻辑功能的图形为图3 1 4 所示， f i 秘m3 1 4e x i a dr a v iw i t v e 图3 1 4 扩展大容量r a m 仿真波形 3 3 d s p 与f l a s 珏接口 在运行的d s p 系统中，用户代码需要在加电后自动装载运行。d s p 系统的 引导装载( b o o t l o a d ) 是指在系统加电时，d s p 将一段存储在外部的非易失性 存储器的代码移植到内部的高速存储器单元中去执行。这样既利用了外部的存 储单元扩展d s p 本身有限的r o m 资源，又充分发挥了d s p 内部资源的效能。尽 管用户代码在一段时间相对是固定的，但是如果直接将其掩膜到内部r o m 中去 的话，一方面受容量以及价格的限制，另一方面则在系统代码级上显得不是很 4 2 西华大学硕士学位论文 灵活方便。f l a s h 是一种高密度、非易失性的电可擦写存储器，而且单位存储 比特的价格比传统的e p r o m 要低，十分适合于低功耗、小尺寸和高性能的便携 式系统。除了可以采用专用的硬件编程器把代码灌入f l a s h 中之外，也可以利 用现成的d s p 通过软件编程来实现同样的功能。本文论述的正是如何通过d s p 软件编程来实现对f l a s h 的读写操作，并介绍个简单的系统引导装载方案的 实现。其电路的原理图如图3 1 5 。 f i g u r e3 1 5d s p l i n kf l a s h 图3 1 5d s p 与f l a s h 连接关系图 f l a s h 与c p l d 的接口，d s p 的程序是在上电的时候将程序加载到d s p 中。 3 4d s p 与i s a 接口( h p i ) 主机接口h p i ( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) 是t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列定点芯片内部 具有的一种接口部件，主要用于d s p 与其它总线或c p u 进行连接。t i 的c 5 4 x x 4 3 水轮机振动在线监测系统研究 系列都提供了8 位或1 6 位的增强型h p i 接口。 c 5 4 1 6 的h p i 口由一个8 位数据总线和用于设备和控制接口的控制信号线 组成，h p i 接口通过h p i 控制寄存器h p i c 、地址寄存器h p i a 、数据寄存器h p i d 和h p i 内存块，实现与主机之间的通信。其主要特点在于接口所需外围硬件很 少，很容易与各种主机相连，且仅需要很少甚至不需要外加接口逻辑。引脚功 能如表3 1 所示， t a b l e3 1h p ip i n sb a n l ea n df u c a t i o n 表3 1h p l 引脚的名称及功能 h p i 引脚接至主机引脚 状 信号功能 态 h d o h d 7数据总线q !h p i 双向并行三态数据总线。 z当不传送数据( h s c 或h d s x = 1 ) 或 e m u l ，o f f o ( 切断所有输出) 时。h d 7 ( m s b ) 瑚) o ( l s b ) 均处于高阻态。 h a s 地址锁存使能 i 地址选通输入信号。如果主机的地址和数 ( a l e ) 或地址据是条多路总线，n h a s 连到主机的 选通输入信号引a l e 引脚：如果主机的地址和数据是分 脚，不用则接高开的，就将h a s 接高电平。 电平 屠【c s 地址或控制线 l 片选信号。作为h p i 的使能输入，主机在 对h f i 访问时信号h c s 要保持低电平。 h b i l 地址或控制线 i 字节输入识别信号。r b i l 为低时读写第 一个字节，为高时读写第二个字节。 h b i l 和h p i 控制寄存器( h p i c ) 中的 b o b 位配合使用。 西华大学硕士学位论文 h c n t l 0地址或控制线 i 主机控胄4 信号。选择主机所访问的是哪个 ，1 寄存器：地址寄存器h p i a ：, 数据寄存器 h p i d 、控制寄存器h p i c 。 h d s l 2读写、数据选通 l 数据选通输入。在主机访问期间控制h p l 输入信号引脚数据的传输。 h i n t主机中断输入o z主机中断输入。由控制寄存器h p i c 中的 h i n t 位控制。当c 5 4 x 复位时为高电平， e m u l ，c f f 低电平时为高阻态。 h r d y异步准备好信号0 ，z h p i 接口准备好信号输出。h r d y 为高说 引脚 明h p i 准备好数据传送( 主机可进行数 据传输) ，为低表示h p ! 接口忙( 主机 不可传输数据) ，正在进行上次传输的内 部操作。 h r 九 读写选通信号引 i 读写选通信号输入端。在主机访问期间 脚或地址线 控制数据的传输方向。高电平表示主机读 h p i ，低电平表示写h p i 。 h p m n av d di h p i 模块选择输入。信号必须和v d d 联 系起来，保证选择h p i 。如果输入为开或 接地，h p i 模块将不会被选择。 h p i 是8 位的数据总线接口，由于c 5 4 1 6 是1 6 位的，所以与主机通信的数 据都是由两个连续的字节组成，并且由h b i l 引脚指示正在传输的是第一个还 是第二个字节。主机使用h c n t l o l 指定所访问的是h p 控制寄存器h p i c 或t t p i 数据寄存器h p i d 或h p i 地址寄存器h p i a ，也可以用地址自动增加的方式访问 数据寄存器h p i d ，具体方式如表3 2 所示， 4 5 水轮机振动在线监测系统研究 t a b l e3 2h c n n0 ，1 f u l l c a t i o ns e l e c t h 小m 0h c n t l l说明 o 0主机可以读写h p i 的控制寄存器h p i c 。 01 主机可以读写h p i 的数据寄存器h p i d 。每次读后r p i a 加1 ，每次写前h p i a 加1 。 10 主机可以读写h p i 的地址寄存器h p i a 。 11 主机可以读写h p i 的数据寄存器h p i d 。对h p i 口的操作， h p i a 不受影响。 主机和d s p 可独立地对h p i 接口操作，主机和d s p 的握手可通过中断方式 完成。另外，主机还可以通过h p i 接口装载d s p 应用程序，接收d s p 运行结果 或诊断d s p 运行状态，为d s p 芯片的接口开发提供一种极为方便的途径。h p i 一8 为8 位并行口，提供c 5 4 x 与外部主机的接口，c 5 4 x 可通过片内r a m 与主机设 备交换数据。主机与h p t 一8 的通信是通过专用的地址寄存器和数据寄存器完成 的，c 5 4 x 不能直按读写，h p i 控制寄存器允许主机和c 5 4 x 进行读写，包括 配置通信协议和控制通信( 握手) 的比特。其访问的详细情况将在d s p 的软件 设计中体现出来。 3 5d s p 电源设计 d s p 的电源部分采用线性稳压集成电路1 d i c 2 9 3 0 0 和t p s 7 0 1 ，其电路的详细 设计如图3 1 6 所示。 3 6 工控机看门狗设计 计算机在运行中遇到外界的强烈干扰，死机是在所难免的，不论是商业计算 机还是工业计算机都是如此。作为在线监测系统，为了无人值守的实现，计算 西华大学硕士学位论文 f i b r e3 。1 6d s pp o w e r 图3 1 6d s p 电源 机系统必须具有强的抗干扰能力，和自身恢复能力，因此，我门在设计是不仅 要采用软件狗技术、陷阱、冗于等抗干扰措施，然儿软件抗干扰技术，