（电气工程专业论文）基于dsp的列车滚动轴承故障检测与分析系统研究.pdf

j e 塞銮适太堂童些亟堂僮途塞旦曼! ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：i nm o d e r n i z e dp r o d u c t i o n ， f a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yf o r m e c h a n i c a le q u i p m e n t i si n c r e a s i n g l yv a l u e d ， a n dt h er o l l i n gb e a r i n gi st h em o s t f r e q u e n t l yu s e da s s e m b l yo ft h em e c h a n i c a le q u i p m e n t t h e r e f o r e ，t h ef a u l td i a g n o s i s t e c h n o l o g yf o rr o l l i n gb e a t i n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e b yw o r k i n g o nt h i ss u b je c t ，a v a r i e t yo fa b n o r m a l s t a t e so rm a l f u n c t i o nc a nb et i m e l ya n da c c u r a t e l yd i a g n o s e di n o r d e rt op r e v e n to r s h o o tt h ef a u l t sa n dc o n s e q u e n t l yi t sd e p e n d a b i l i t y ， s a f e t ya n d e f f e c t i v e n e s sc a nb e a c h i e v e d i nt h er e s e a r c ho nt h i ss u b je c t ，h a r d w a r ed e s i g ni sd o n ei nc o m b i n a t i o nw i t ht h e c o n t r o l l i n gc a p a c i t yo fs c ma n dt h ed i g i t a lp r o c e s s i n ga b i l i t yo fd s p t h es c h e m eo f d s p + s c mm a k e st h es y s t e mc a p a b l eo fp e r f o r m i n gs u c hm a j o r f u n c t i o n sa s s i g n a l a c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，s i g n a la n a l y s i s ， f a u l td i a g n o s i s ， e t c t h es y s t e mi nt h e 。t h e s i sg e n e r a l l ya d a p t st ot h ec o l l e c t i o na n da n a l y s i so f v i b r a t i o ns i g n a lf r o mt h er o l l i n gb e a r i n ga n df a u l td i a g n o s i s d a t ac o l l e c t i o nb y 1 1 i g h s p e e da de n s u r e sb o t ht h ea m o u n to fd a t ar e q u i r e db yd a t aa n a l y s i sa n dt h e a n a l y s i so ft h em a g n i t u d ed o m a i n ，t i m e - d o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i no f t h ed a t a c o l l e c t e d i ns o f t w a r ed e s i g n ，t h ei d e ao fm o d u l a rd e s i g nm a k e ss y s t e mm a i n t e n a n c e ， s y s t e mi m p r o v e m e n t ， a n di t sf u n c t i o ne x p a n s i o ne a s ya n dc o n v e n i e n t i tc a na l s o b e e x t e n d e dt oo t h e rv i b r a t i o ns i g n a lc o l l e c t i o na n da n a l y s i s k e y w o r d ： r o l l i n g b e a r i n gf a u l td i a g n o s i s d s p c l a s s n o ：t m 7 1 4 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：吴忠民导师签名：邱瑞昌 签字日期：2 0 0 7 年1 1 月2 5 日签字日期：2 0 0 7 年1 2 月1 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：吴忠民签字日期：2 0 0 7 年1 1 月 1 日 5 致谢 本论文的工作是在我的导师邱瑞昌副教授的悉心指导下完成的，邱老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来电 气工程学院的老师们对我的关心和指导。 济南铁路局青岛铁路经营集团公司周家刚同志悉心指导我完成了相关的调研 工作，在学习上和工作上都给予了我很大的关心和帮助，在此向周家刚同志表示 衷心的谢意。 在调查研究工作及撰写论文期间，我单位同事们对我给予了热情支持和帮助， 在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的妻子和家人，她们的理解和支持使我能够专心完成我的学业 和进行研究撰写完成论文。 第一章绪论 1 1 课题探讨的背景及意义 当今世界，科学技术的发展日新月异。在快速发展的同时，各学科之间相互 渗透、相互交叉、相互揉合、相互促进己成为现代科学技术发展的一大特点。在 生产实践中，科学工作者把医学诊断中的基本思想推广到机械工程应用中，形成 了一门具有强大生命力的交叉学科一一机械故障诊断学。机械设备状态故障诊断 与监测是通过掌握设备过去和现在运行中或基本不拆卸的情况下的状态量，判断 有关异常或故障的原因并预测对将来的影响，从而找出必要对策的技术。它是一 门综合性科学，涉及数学、物理、力学、化学、传感及测试技术、电子学、信号 处理、识别理论、计算机技术及人工智能、专家系统等多门基础学科，是对这些 基础理论的综合应用。 作为我国重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具，铁路在 国民经济中占有极其重要的地位。为了追求更高的经济效益，铁道交通运输需要 不断深入推进列车提速战略，而各种不利因素却制约着列车的提速。滚动轴承作 为列车走行部分的重要元件，是列车上最容易发生故障的零部件之一。目前，铁 路部门对滚动轴承采用定期解体检修的模式，造成大量无故障轴承被解体，检修 成本居高不下。这种制约关系要求新的设备维护体制的出现，视情维修或预约维 修的方式则应运而生。因此，对于滚动轴承实施有效的故障诊断与监测是铁路装 备检修的发展方向。 列车滚动轴承是铁路车辆上最容易危及行车安全的易损件。铁路列车滚动轴 承是工作在高转速重载荷下的轴承，由于工作面( 流动体与内、外圈之间) 的接 触应力反复作用，极易引起疲劳、裂纹、剥蚀、压痕以致断裂胶着、烧伤等现象。 近些年来，铁路系统车辆燃轴事故由于列车轴承所引发的车辆的交通故障，就占 了1 3 左右。因此，开展滚动轴承故障诊断与预报的研究，对避免重大事故变革 维修体制和促进经济发展等都具有重要的现实意义。 研究滚动轴承故障诊断与监测可达到如下目的： ( 1 ) 能及时、正确地对滚动轴承各种故障状态或异常状态作出诊断或监测， 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度、安全 性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平。 ( 2 ) 保证滚动轴承发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度，以便在 允许的条件下延长滚动轴承的服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。 ( 3 ) 通过故障分析、性能评估手段等，为滚动轴承的优化设计、结构修改、 合理制造等生产过程提供数据和信息。 总的说来，滚动轴承故障诊断与监测既要保证设备的安全运行，又要获取更 大的经济效益和社会效益。 1 2 滚动轴承故障诊断研究状况 1 2 1 滚动轴承故障的特点 与其他的机械零部件相比较，滚动轴承具有一个突出的特点，这就是其寿命 离散程度非常大，即便是“四同”产品，即用同样的材料、同样的加工工艺、同 样的生产设备、同样的操作工人加工出的一批轴承，其寿命也是相差悬殊。正是 因为滚动轴承的这个特点，在实际使用中，有的轴承己大大超过设计寿命却依然 完好地工作，而有的轴承远未达到设计寿命却已出现了各种故障。因此若仅呆板 地按照设计寿命对轴承进行定期维修，则势必造成如此一种情况：一方面对超过 设计寿命而完好工作的滚动轴承拆下来作为报废件处理，造成资源浪费；另一方 面对达到设计寿命而未出现故障的轴承或是到定期维修时拆下来报废，使得机器 在轴承出现故障后和拆下前这段时间里工作精度下降，或是未到维修时限就出现 了损伤加剧现象，导致整台机械发生严重故障。由此可见，对重要用途的轴承来 说定期维修不是很科学的，要随时进行工况的监测和故障的判别。对滚动轴承的 运行状态进行精确地诊断，不仅可以防止设备工作精度下降，减少事故发生的机 率，而且还可以最大限度地发挥轴承的工作潜力，节约开支，对国民经济建设具 有非常重要的现实意义。因此滚动轴承的状态监测和故障诊断技术一直以来都是 国内外科研工作者的研究重点之一。 精确地诊断出滚动轴承损伤的根源是件非常困难的工作。研究早期故障诊断 技术，以预防因轴承损伤而引发的停机、停产和设备损坏等重大经济损失和人员 伤亡事故。轻微损伤的轴承可以从使用情况，特别是轴承工作表面的磨损状况、 磨损轨迹等征兆来推断出其失效的真正原因。损伤严重的轴承或是因突发事故而 完全报废的轴承，最终的破损状况往往早己掩盖了初始损伤的痕迹，暴露出来的 只是轴承最终咬死和烧毁的现象以及已破损的轴承零件的残骸。正是这些原因使 得人们容易混淆轴承损伤的最主要根源，只能从轴承的工作条件( 载荷和转速) 、 润滑状况、支承的整体结构( 轴承的配置和配合) 以及损伤形式等现象作出推断， 2 并借助其他科学的分析方法来验证。因此在滚动轴承实际使用过程中，一般情况 下是没有必要去追究其损伤的真正根源，应该立足于轴承损伤状况的监测与识别。 1 2 2 列车滚动轴承故障监测与诊断现状 滚动轴承不解体故障诊断一直是轴承故障诊断与监测重点研究的课题。国外 在这方面的研究工作比我国先进许多，尤其以美国领先。目前，美国己从传统的 红外轴温探测发展到采用车载系统、声发射系统和综合检测体系进行轴承的故障 诊断。由于受到当前经济、技术和设备现状的制约，我国现阶段只是对客车滚动 轴承采用安装轴温报警器的方法进行在线运行检测，而对处在运行状态轴承的故 障诊断目前还不能在线进行。铁路部门规定以每运行一年( 不论运行多少里程) 的周期对轴承进行检修的方法来保证轴承的工作质量。在实际检修过程中，主要 依靠人工经验来判断轴承是否存在故障。随着微机技术的高速发展，融合现代传 感技术、信号分析与处理技术及微机处理技术为一体的机械设备故障诊断技术引 起国内外研究者的重视。国内普遍采用共振解调技术诊断轴承故障，但现有的解 调分析方法存在某些局限性。采用解调分析技术研制的诊断系统对部分故障诊断 有一定的准确性，但由于系统稳定性较差、机构复杂、维护不方便，致使不能很 好地推广应用。 现代化的滚动轴承状态故障诊断与监测是通过轴承的劣化损伤以及性能状态 参数，来判断和预测其可靠性和使用性，对异常情况的部位、原因和危险程度进 行识别和诊断，从而决定维修时间、维修方式的综合性技术。这种技术不是单纯 的故障监测或检测，也不是单纯的点检仪表化，而是在正确、迅速和有效地采集 信号的基础上，利用自动识别和辅助的人工判断科学地处理数据的综合性技术。 滚动轴承在运转过程中必然会伴随有振动和噪声现象发生，同时还会出现温度升 高、表面材料剥落等现象。因此，根据分析信号性质的不同，滚动轴承的监测和 诊断技术又分为温度分析法、油样分析法和振动分析法。温度分析法是通过测量 轴承座或箱体处的温度来判别其工作状态是否正常的方法。温度分析法操作简单， 主要是利用轴承上的温度对轴承的磨损程度较为敏感的原理进行判断。但是当轴 承出现早期点蚀与剥落、轻微磨损等故障时，温度监测基本上是失去效用。只有 当轴承故障累积到一定的损伤程度后，温度监测法才能够有效地监测到。因此， 温度分析法具有很大的应用局限性。油样分析法是通过从滚动轴承所使用的润滑 油中提取油样，收集和分析其中金属颗粒的大小和形状来判断轴承工作状态的方 法，其代表性的分析方法就是铁谱诊断技术。抽样分析法具有操作简单、效果好 的特点，可做轴承磨损机理性的研究，能够发现早期的疲劳损伤，但是油样分析 法的也有很大的缺陷，它只适用于油润滑的轴承，对于脂润滑轴承检测很困难。 另外这种方法还易受到来自其它零部件损伤、脱落顺粒的干扰，严重影响其分析 结果的准确性。振动分析法是通过安装在轴承座和箱体上的振动传感器来监测轴 承的振动信号并对其进行分析和处理的方法。振动分析法适合于各种类型各种工 况的轴承，可有效诊断出轴承的早期故障。信号测试方便、分析简单、直观，诊 断结果可信度高。因此，在工业生产和科学研究中，振动分析法得到了极为广泛 的重视。目前国内外开发生产的各种滚动轴承监测诊断仪器和系统中，绝大多数 都是根据振动原理研制的。有关轴承监测和诊断方面的文献8 0 以上也都是讨论 的振动分析法。此外，还有一些其他的诊断方法，如油膜电阻诊断法、光纤诊断 法和声发射诊断法等，它们适用的局限性较大，只能针对特殊工况条件下的滚动 轴承进行有效地监测和诊断。 1 2 3 滚动轴承诊断技术的发展 滚动轴承状态监测和故障诊断技术起源于2 0 世纪3 0 年代，现已进入实用化 和商业化的发展阶段。从监测方法发展情况来看，滚动轴承诊断技术经历了五个 不同的发展阶段： 第一阶段是借助听音棒等简易仪器仪表作为早期检测手段，监测轴承的工作 状态和损伤情况。人工经验在诊断中占有主导地位，诊断的准确性和可信度都比 较差。 第二阶段是采用频谱分析仪器来诊断轴承故障。1 9 6 5 年快速f o u r i e r 变换技 术的出现，使得频谱分析技术得到长足发展。各种通用的频谱分析仪纷纷出现， 将滚动轴承元件有损伤时产生的振动信号的特征频率与频谱分析仪得到的结果相 对照，就可以获知此轴承是否存在有故障。但是由于当时设备价格昂贵、分析精 度低、抗干扰性能差等诸多因素，使得轴承的监测和诊断并未走向实用化。 第三阶段是使用冲击脉冲技术诊断轴承故障。2 0 世纪6 0 年代，瑞典s p m 仪器 公司开发了一系列称为冲击脉冲计( ( s h o c kp u l s em e t e r ) 的仪器来监测轴承的 工况，如轴承分析仪( b e a r i n ga n a l y z e rb e a 一5 2 ) 、轴承自动分析系统( b e a r i n g a u t o a n a l y s i ss y s t e m b a s 系列产品) 等，这些设备具有操作灵活方便的特点，现 仍在广泛使用。 第四阶段是利用共振解调技术诊断轴承故障。1 9 7 4 年h a r t i n g 发明了共振解 调分析系统，共振解调技术采用谐振和带通滤波技术，借助包络频谱分析方法极 大地提高了分析结果的精度，特别是对轴承早期故障的诊断有了一个明显的改善。 与s p m 技术相比较，共振解调技术不仅监测到冲击信号引起的高频谐振的幅值， 4 还进行了幅值包络信号的频谱分析，可诊断出轴承是否存在故障、故障发生的部 位以及损伤的大致严重程度。包络解调技术也是一种应用广泛的信号分析与处理 方法，可通过硬件和软件两种方案来实现。硬件包络解调需要有包络解调器，成 本较高，但效果非常好。软件包络解调主要是通过希尔伯特变换( h i l b e r t t r a n s f o r m ) 来实现，成本较低，但分析效果不如硬件包络解调理想。 第五阶段是以微机为中心的滚动轴承智能诊断系统。将现有的滚动轴承状态 监测技术与非线性信号与信息处理技术相结合，建立拥有大量知识的滚动轴承故 障特征信息库，实现轴承工况的智能分类和诊断，达到实时智能监控的目的。 1 3 课题研究的主要内容 第一章主要详细地阐述了论文选题的背景及意义、滚动轴承故障的特点，滚 动轴承状态监测和故障诊断技术的发展，滚动轴承故障诊断研究状况和论文研究 的主要内容。 第二章主要论述了系统硬件设计，系统硬件设计采用了双c p u 的主从处理器 的方法，充分利用了d s p 的快速运算功能和单片机较强的控制功能，提高了系统 的运算速度，利用m c u 的强大的控制功能进行控制，d s p 和m c u 采用h p i 接口 进行通信，具体介绍了系统硬件组成框图、d s p 和8 7 5 1 h 的接口电路、t m s 3 2 0 c 3 2 和a d 5 7 4 的接口电路、8 7 5 1 h 处理键盘输入和l e d 数码管显示的硬件框图、温度 传感器d s l 8 2 0 的原理和接口电路以及d s p 扩展外部存储器原理和电路等。 第三章主要介绍了系统软件的实现。从d s p 主程序流程和中断子程序流程、 8 7 5 1 h 主程序流程和中断子程序路程、d s p 处理算法中的f f t 和功率谱分析三个 方面进行了阐述，具体介绍了系统软件主程序、d s p 中断子程序、d s p 引导装载 子程序、中断采样子程序、单片机控制程序、温度监测子程序，键盘和l e d 数码 管显示子程序，同时给出了它们的算法流程；最后阐述了数据处理( f f t 和功率 谱分析) 方面的原理。 第四章主要总结了论文撰写过程中的主要工作和对下一步工作的展望。 第二章故障检测与分析硬件系统 2 1 滚动轴承故障诊断的基本环节 滚动轴承故障诊断的目的是保证轴承在一定的工作环境( 承受一定的载荷下 运转) 和一定的工作期间( 一定的工作寿命) 内有效可靠地运行，以保证整个系 统的工作精度。滚动轴承故障诊断就是通过对轴承工作状态信号的观测、分析和 处理来识别轴承的状态。一般来说，滚动轴承故障诊断过程包含信号采集、特征 提取、状态识别、故障分析和决策干预等五个基本环节【1 4 】。 1 信号采集：根据轴承的工作环境和性质，选择并测取能够反映轴承工作状 态的信号。目前已有多种方法，如按信号测取方式不同，可将故障诊断分为振动、 声学、温度、铁谱分析、压力、电参数、表面形貌、污染物和光学振动等。 2 特征提取：主要利用数学工具，如f f t 、z 变换、小波变换、相关函数及功 率谱等信号处理技术，熵谱分析等数学工具进行信号的分析与处理，从而提取能 够反映轴承工作状态的特征信息。 3 状态识别：根据提取的特征信息，通过一定的故障识别方法识别轴承的状 态，简单地判断轴承的工作状态是否正常。目前主要有数学分析、控制论、系统 辩识、人工智能和模式识别多种方法。 4 故障分析：当轴承出现故障时，详细分析故障的类型、部位、性质、产生 原因及发展趋势等； 5 决策干预：根据轴承状态及发展趋势，作出调整、控制或维修等决策，对 轴承的使用进行干预。 轴承故障诊断过程如下： 2 2 系统设计要点 设备的监测与诊断系统，是- f - j 正在形成和高速发展的边缘学科，其诊断功 能的发展速度和诊断方法的更新速度均高得惊人。因此在进行设计时，无论在硬 件配置和软件设计方面，都应充分考虑系统的适应性、灵活性和可扩性，以便根 据需要，不断扩充或更新系统。为此，在系统的硬件和软件设计时应考虑： ( a ) 选用的处理结构，必须具备必要的、进一步的开发与扩展功能； ( b ) 硬件配置采用拼装式积木结构，这样可根据需要随时更换和增加必要的 部分； ( c ) 软件结构设计上采用模块化的设计方法，模块间的联系应尽可能少，模 块可根据需要进行删除和增加。 一般情况下，故障监测诊断系统应具有下列基本功能【l5 】： ( a ) 实时在线采集功能，实时采样是进行实时分析、自动监测及自动诊断的 基础； ( b ) 数据分析处理功能； ( c ) 自动进行状态判别和故障诊断功能，即系统可自动区分故障的有无、故 障的类型、位置、程度、原因及发展趋势等； ( d ) 人机对话功能，即操作人员能利用键盘实现人机对话，提供各种信息， 进行各种分析等。也可向计算机提供更多的信息，帮助计算机进行更好的诊断， 不断增加系统的功能； ( e ) 进行定期巡检、连续监测的能力； ( f ) 分时诊断功能，即可对多个对象进行分时诊断，这些对象的诊断方案可 以互不相同，系统可以根据情况自动选择； ( g ) 多样化的结果图形显示、光标定位、打印输出等，为使用者分析、观察 提供方便。 2 3 系统总体设计 数字信号处理可以根据监测的对象及控制要求，采取不同的方法来实现。一 般情况下有下述5 种方法【16 。j ： ( 1 ) 在通用计算机上用软件( f o r t r a n ，c 语言、c + + 等) 对d s p 算法进行模 拟实现。 ( 2 ) 在通用计算机上加专用d s p 芯片来实现数字信号处理，专用性强。 ( 3 ) 用单片机( 如m c s 5 1 ，9 6 等系列) 来实现。这种方法可以用于一些不 太复杂的数字信号处理，如数字控制，适合实现简单的d s p 算法。 ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片来实现。与通用单片机相比，d s p 芯片具有更 加适合于数字信号处理的软件资源和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法。 2 ( 5 ) 在要求数字信号处理速度极高的特殊场合，用通用的d s p 芯片难以实现， 因此采用专门的d s p 芯片来实现，如专用于f f t 、数字滤波、卷积、相关等算法 的d s p 芯片，这种芯片将相应的算法固化在芯片中，无须进行编程，专用性强。 振动控制系统是一个典型的实时信号处理系统，需要对较复杂的信号进行处 理。但考虑到单片机的控制功能强，其总线位数少，运行速度相对慢一些；而d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的运算能力强，总线宽度宽，控制功能相对要弱一些。 为了提高系统的信号处理速度，便于对系统的硬件和软件的进一步开发，在第4 种方案的基础上，结合单片机的控制能力，设计了d s p + m c u 的方案。 轴承故障诊断系统由软件系统和硬件系统组成，具有信号采集、数据处理、 信号分析、故障诊断等主要功能。硬件系统配置如图2 2 所示，实现的是一个基于 定点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 2 的滚动轴承振动故障诊断系统。从硬件上看，主要分 成三部分：信号采集模块、控制模块和信号处理模块。 r 一。ir 。1 图2 - 1 故障诊断过程方框图 滚动轴承的振动信号都属于高频信号，因此应用加速度传感器进行信号的拾 取。但由于加速度传感器所测得的信号较弱，必须经过电荷放大器、抗混滤波等 系列电路处理后才能进入a d 转换电路f 1 8 _ 1 9 】。处理后的振动信号和经单片机采集 到的温度数据均送到d s p 处理器进行处理分析，作出故障预报和诊断。对已形成 的或正在形成的故障进行分析处理，判断出故障产生的部位及原因，并及时采取 有效的措施。单片机负责执行显示和d s p 子系统的控制功能，包括d s p 的命令解 释、数据传输控制、数据的输入输出等控制功能，使d s p 可以执行高速、实时的 d s p 算法。存贮器包括程序储存器和数据储存器，用于储存用户程序( e p r o m ) 和实时数据( r a m ) 。 本系统主要适用于对滚动轴承振动信号的采集、处理和故障诊断，并通过轴 承温度信号实现对轴承工作状态的监测。采用高速a d 进行数据的采集，保证了 数据分析所需的数据量，能实现对采集数据的幅值域、时域和频域分析。软件采 用模块化设计思想，使系统的维护、改进和功能扩展十分方便，还可进一步推广 到其它振动信号的采集和分析。 2 4 信号采集模块 d s p 系统的核心部分是d s p 芯片。但是d s p 芯片能处理的信号必须是数字的， 而实际系统中的信号绝大多数是模拟信号，这就需要通过前向和后向通道将d s p 芯片和实际系统联系起来。d s p 的前向通道就是将实际系统中的物理信号转化为 数字信号的通道。这一通道包括传感器、信号调理模块、a d 信号转换和多路转 换开关等。传感器将滚动轴承的振动信号转化为电信号。信号调理模块主要是将 传感器输出的电压或电流信号进行必要的放大、滤波和运算得到用户需要，而且 满足a i d 转换芯片要求的信号。再由a d 转换得到适合c p u 处理的0 ，1 数字信 号。由于滚动轴承的振动信号都属于高频信号，因此应用加速度传感器进行信号 的拾取。但由于加速度传感器所测得的信号较弱，必须经过电荷放大器、程控放 大、抗混滤波等系列电路处理后才能进入a d 转换器中。 2 4 1 传感器的选用与布置 系统中采用了y d 一1 2 压电式加速度传感器。因为该传感器具有工作频带宽、 体积小、重量轻、寿命长、安装方便、不易损坏等优点。这种传感器的设计与生 产在国际上己趋于标准化，可以方便地与d h f 系列电荷放大器、阻抗变换器( 电 压跟随器) 或国内外同类产品配套使用f 2 0 】。其具体的性能参数如下： 电荷灵敏度：8 1 2 p c m s 一； 最大灵敏度：3 ； 谐振频率：2 6 k h z ，峰值1 2m v m s 2 ； 电容：1 4 5 l p f ； 电缆电容：1 4 0 p f ； 加速度范围： 上限频率：2 8 k h z ； 加速度非线性： 横向灵敏度：5 ； 4 绝缘电阻：1 0 5 m 欧姆； 使用温度范围：一4 0 一+ 8 0 c ； 质量：0 2 4 5 k g 。 传感器安装在轴承座上，与轴承外圆柱面垂直接触( 误差o 5 m m ) ，用电缆 线将电荷放大器和传感器连接，在接近振动区域处，用树脂将其固定，以避免由 于轴承的振动所引发的干扰信号造成对有用信号的扭曲。 2 4 2 电荷放大器 由于压电式传感器的输出阻抗非常高，而输出的信号却很小，因此必须用特 殊的前置放大器进行阻抗变换及放大。目前，常用的放大器主要由两种，一种是 电压放大器，另一种是电荷放大器。由于电压放大器的电缆分布电容对测量结果 影响较大，电缆的长度对放大器的灵敏度也有较大的影响。在实际使用中应根据 电缆的长度来重新校正放大器的灵敏度，从而限制了电压放大器的使用范围。而 采用电荷放大器，一方面电荷放大器对电缆分布电容不敏感，可以根据需要使用 电缆线的长短；另一方面，加速度计的低频效应不是采用放大器的r c 时间常数来 计算，而仅取决于放大器的低频效应，因此可用于低频或超低频的振动测量【2 1 1 。 本系统中采用d h f 7 型电荷放大器。该放大器集成度高、性能稳定，电缆长 度对被测信号影响较小，长电缆对被测信号无明显的衰减作用。其具体的性能参 数如下： 电荷灵敏度：1 0 m v - 1 0 0 m v c ( 也可根据用户的要求确定) ； 工作频率：0 3 h z 一5 0 k h z ( 3 ，也可根据用户的要求扩展频带) ； 精度：2 ( 1 6 0 h z ) ； 最大输入电荷：1 0 0 p c ( 电荷灵敏为1 0 m v p c ，使用4 - 1 5 v 电源) ； 最大输出电压： 1 0 v ( p p 值) ； 最大输出电流：5 m a ； 交流噪声：2 m v ； 直流零漂：5 m v ： 工作电源：续外接直流电压( 5 v 1 5 v ) ； 外型尺寸：8 0 6 0 3 0 m m 。 2 4 3 抗混滤波电路 抗混通滤波器的性能指标： 带内噪声应足够低，以保证转换器的动态范围，通常滤波器的带内噪声应低 于- - 6 5 d b ； 滤波器的带内波动限制在0 3 d b 以内； 对a d 转换器原有的幅频特性不造成影响。 振动信号具有一定的频率带宽，分为工作频带内、工频带外两个部分。工作 频带以内部分的频率分量是有效的，工作频带以外的频率属干扰信号。按照采样 定理，控制系统的采样频率通常大于设置的最高工作频率的两倍。当带外出现频 率成份时采样仍然会出现频率混淆。带外频率成份仍将会混淆到带内并叠加在带 内频率成份上，使信号的频谱出现正误差。此时控制系统会把由频率混叠产生的 这种正误差误认为是工作频带内谱线超差而进行修正，从而使驱动谱减小，使实 际的振动试验出现欠振动。在实际情况下，滚动轴承特征频率和基频及这些频率 合成的高次谐波频率一般在几h z 到1 0 k h z 之、间，系统中采用的采样频率为 2 0 k h z ，基本能满足实际需要。 本系统采用了m a x i m 公司的m a x 2 9 7 作为抗混低通滤波器【2 2 1 ，它是8 阶开 关电容式低通椭圆滤波器，采用输入时钟频率控制输出转角频率的方式来实现对 模拟信号和数字信号的滤波。可广泛地应用于小信号数据采集系统滤波、抗混迭 滤波、模数变换后查滤波及声音数据信号滤波等场合。它的截止频率设定范围为 0 1h z 5 0 k h z ，开关频率与截止频率的比率为5 0 ：l ，开关频率由8 7 5 1 h 的内部 定时器控制，因此通过软件可以很方便地对截止频率进行修改。 2 4 4a d 转换电路 a d 转换的作用就是将传感器检测到的反映滚动轴承工作状态的模拟振动信 号转换为计算机可以识别的数字信号。 a d 5 7 4 a 是美国模拟数字公司( a n a l o g ) 推出的单片高速1 2 位逐次比较型a d 转换器，内部集成有转换时钟，参考电压源和三态输出锁存器，可直接和微机接 口，而且无需外接时钟。具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自 动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的a d 转 换器。a d 5 7 4 a 主要功能特性如下： 分辨率：1 2 位； 非线性误差：小于1 2 l b s 或1 l b s ； 转换速率：2 5 p , s ； 模拟电压输入范围：0 一1 0 v 和o 2 0 v ，o 一5 v 和0 一1 0 v 两档四种； 电源电压： 1 5 v 和5 v ； 6 数据输出格式：1 2 位8 位； 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式。 a d 5 7 4 a 为2 8 引脚双列直插式封装，这2 8 个引脚的管脚功能分别为： 表2 1a d 5 7 4 a 引脚说明表 编号符号 引脚说明 编号符号引脚说明 1 v l电源输入端 1 5d c 数字地端 21 2 8 数据模式选择端 1 6d b o 数据线 3 c s 片选端 1 7d b l数据线 4 a 0字节地址短周期控制端1 8d b 2 数据线 5r c 读转换数据控制端 1 9d b 3 数据线 6c e 使能端 2 0d b 4数据线 7 v c c正电源输入端 2 1 d b 5 数据线 8r e fo u t内部基准电源电压输出端2 2d b 6数据线 9a c 模拟地端 2 3d b 7 数据线 1 0r e fn 内部基准电源电压输入端 2 4d b 8数据线 1 1 v e e负电源输入端 2 5d b 9数据线 1 2b i p o f f 补偿调零线 2 6d b l o数据线 1 3 1 0 v 1 0 v 量程模拟电压输入端 2 7d b l l数据线 1 4 2 0 v i n2 0 v 量程模拟电压输入端 2 8 s t s工作状态 指示信号 端 a d 5 7 4 a 的工作状态受c e 、1 2 8 、c s 、r c 和a 0 的控制。在c e = i ，c s = 0 同时满足时a d 5 7 4 a 才会开始工作。在a d 5 7 4 处于工作状态时，当r c = 0 时， a d 转换；当刚c = 1 时进行数据读出。1 2 8 和a 0 端用来控制启动转换的方式和 数据输出格式。a 0 = o 时，启动的是按完整1 2 位数据方式进行的。当a 0 = i 时，按 8 位a d 转换方式进行。当刚c = 1 ，也即当a d 5 7 4 a 处于数据状态时，a 0 和1 2 9 控制数据输出状态的格式。当1 2 8 = l 时，数据以1 2 位并行输出，当1 2 8 = 0 时， 数据以8 位分两次输出。而当a 0 = 0 时，输出转换数据的高8 位，a 0 = i 时输出a d 转换数据的低4 位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。其操作功能 如表2 2 所示。 表2 - 2a d 5 7 4 a 操作功能表 c ec sr c1 2 8 a 0 工作状态 oxxxx 禁止 7 x1xxx 禁止 10 ox o启动1 2 位转换 1oox1启动8 位转换 1o1接+ 5 vx1 2 位并行输出有效 1 ol 接0 v o高8 位并行输出有效 10接0 v1低4 位并行输出有效 图2 - 3a d 5 7 4 a 接口电路 图2 3 是t m s 3 2 0 c 3 2 与a d 5 7 4 a 的接口电路。电路中使用了三态锁存器 7 4 l s 3 7 3 ，逻辑控制信号由( c s 、r c 和a 0 ，s t a t u s ) 由t m s 3 2 0 c 3 2 的并行数 据口d 0 一d 7 发出，并由三态锁存器7 4 l s 3 7 3 锁存到输出端q 4 _ 们7 上，用于控 制a d 5 7 4 a 的工作过程。a d 转换器的数据输出也通过数据总线连至t m s 3 2 0 c 3 2 ， 由于只使用了8 位数据口，1 2 位数据分两次读迸t m s 3 2 0 c 3 2 ，初始化时c 要 为低电平，表示进行的是1 2 位的a d 转换。当t m s 3 2 0 c 3 2 有i n t o 中断来时， 表示a d 5 7 4 转换结束，t m s 3 2 0 c 3 2 进入中断子程序读入采样值，先将1 2 位a d 数据的高8 位读进t m s 3 2 0 c 3 2 ，然后再将低4 位读进t m s 3 2 0 c 3 2 。这里不管 a d 5 7 4 a 是处在启动、转换和输出结果，使能端c e 都必须为1 ，因此将t m s 3 2 0 c 3 2 的写控制线和读控制线通过与非f - j7 4 l s 0 0 与a d 5 7 4 a 的使能端c e 相连。 2 4 5 温度传感器 d s l 8 2 0 是美国d a l l a s 半导体公司推出的第一片支持“一线总线 接口的温度 传感器。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点， 可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理。d s l 8 2 0 特点如下： 硬件接口简单，性能稳定，单线接口，仅需一根口线与m c u 连接无需外 围元件； 由总线提供电源； 测温范围为5 5 7 5 ； 精度为0 5 ； 9 位温度读数； d 变换时间为2 0 0 m s ； 用户自设定温度报替上下限，其值是非易失性的； 报警搜索命令可识别那片d s l 8 2 0 超温度限。 d s l 8 2 0 采用3 脚p r 3 5 封装，其外表看起来像三极管。另外还有8 脚s o i l 封装形式，只用3 ，4 和5 脚，其余为空脚或不需连接引脚。其引脚说明如下：g n d 为地；o 为数据输入输出端( 即单线总线) ，该脚为漏极开路输出，常态下呈高 电平；v d d 是外部+ + 5 v 电源端，不用时应接地。 表2 - 3d s l 8 2 0 引脚功能 8 脚s o i c p r 3 5 符号说明 51g n d 地 42 d q单线数据输入输出引脚 3 3v d d正电源，一般为+ 5 v d s l 8 2 0 主要包括寄生电源、温度传感器、6 4 位激光r o m 单线接口、存放中 间数据的高速暂存器( 内含便笺式r a m ) ，用于存储用户设定的温度上下限值的 t h 和t l 解发器存储与控制逻辑、8 位循环冗余校验码( c r c ) 发生器等七部分。 d s l 8 2 0 的内部框图如图2 4 所示【2 3 1 ： r i o 叫夸孪嚣宅燕毒j 逻驽 1 i 、d 王 s 4 恕嚣e 譬 一芑互孳虿爨f 5z 内部v d d 晕叠皇 h i 葛戛笔夏嚣：xl ；= 单线蓥0 等 上1 毒曼 h l 亳戛笔曼墨ii o 工j 王v d 2 h l馨：互鼋膏嚣l 、 l 忍 曩：发生爨 4d s 8 2 0 内部结构框图 8 2 0 的温度测量原理如下【2 5 】： 8 2 0 测量温度时使用特有的温度测量技术，其测量电路框图如图2 5 所示。 内数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通 过路，而当到达某一设置高温时，振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设 置值为-55，如果计数器到达0之前，门电路未关闭，则温度寄存器的值 将，这表示当前温度高于一55。同时，计数器复位在当前温度值上，电路 对器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍然 未，则重复以上过程。温度表示值为9 b i t ，高位为符号位。 2信息处理模块 21主理器图5 d s 8 2 0 测温原理框图 1路设计 整字分析部分的硬件系统由主计算机8 7 5 1 h 和数字信号处理器1 t m s 3 2 0 c 3 2 两个处理器构成一个主从式双c p u 处理系统。核心处理器是 t m s 3 2 0 c 3 2 ，负责将整个信号处理系统协调有序地运行起来同时完成用户的自定 义算法；8 7 5 1 h 作为系统主机，完成系统的人机接口( 键盘、显示) 和对t m s 3 2 0 c 3 2 的控制功斛2 4 础】。图2 - 6 是8 7 5 1 h 主处理器与t m s 3 2 0 c 3 2 之间的接口电路示意图。 h d 卜硼w 一 n j d 。n 7 蝌l 帆啪 硼翻翟c 豫 臼，l h 瑚 搿l n m h p 蚤玎呦 图2 - 68 7 5 1 h 与t m s 3 2 0 c 3 2 的接口 8 7 5 1 h 的p o 口用作1 6 个按键输入和l e d 数码管的输出，p 2 0 接至 t m s 3 2 0 c 3 2 的h p i n t 中断，p 2 1 用于t m s 3 2 0 c 3 2 的复位，p 2 2 是接口芯片 7 4 h c 3 7 4 的输出使能线，p 2 3 和p 2 4 。为两个发光二极管的控制线，p 2 。5 为速率 选择线。8 7 5 1 h 的p i 口用于与t m s 3 2 0 c 3 2 之间的8 位双向数据交换。 8 7 51 h 与t m s 3 2 0 c 2 间通信过程如下： 8 7 5 1 h 向d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 2 发送数据时，首先将数据输出至p 1 口，然后 在p 2 0 引脚上产生一个低电平脉冲向t m s 3 2 0 c 3 2 发h p i n t 中断，t m s 3 2 0 c 3 2 响应h p i n t 中断并在中断服务程序中读取8 位数据。t m s 3 2 0 c 3 2 发送数据至 8 7 5 1 h 时，先将8 位数据锁存至接口芯片7 4 h c 3 7 4 中，然后在x f 线上产生一个 低电平脉冲向8 7 5 1 h 发i n t o 中断，8 7 5 1 h 在其中断服务程序中通p 2 2 线读取锁 存在7 4 h c 3 7 4 中的8 位数据。其中，t m s 3 2 0 c 3 2 向8 7 51 h 发送数据通过7 4 h c 3 7 4 锁存器实现，而8 7 5 1 h 向t m s 3 2 0 c 3 2 发送数据则通过7 4 h c 2 4 4 缓冲器实现。8 7 5 1 h 的i n t o 中断线接至t m s 3 2 0 c 3 2 的x f 引脚，m p u r d 是t m s 3 2 0 c 3 2 将从 7 4 h c 3 7 4 锁存器读写的数据的使能线，x f 和m p u r d 由相应的译码器( 7 4 l 1 3 8 ) 译码所得，并且映射在t m s 3 2 0 c 3 2 的u o 空间。 2 t m s 3 2 0 c 3 2 简介 t m s 3 2 0 c 3 2 与t i 公司的t m s 3 2 0 3 0 同属第三代定点d s p 产品，但在性能和 速度上有很大改进，在8 9 年( 或8 8 年) 推出的较长一段时间内应用很广。它是 采用哈佛结构的一种数字