（信息与通信工程专业论文）基于dsp的旋转设备故障监测仪.pdf

摘要 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，现代设备的结构越来越复杂， 功能越来越完善，自动化程度也越高。但是，从另外一方面看，维护、修理费用 也在相应的上升。国内的故障监测仪市场也处于长期被国外企业占据的状态，因 此拥有自主知识产权和核心技术的高质量的故障诊断仪表有着重要的经济意义。 本课题在进行文献调研和资料研究的基础上，针对现有振动信号分析和旋转 机械故障诊断技术的研究现状，进行了方案论证，完成了以下工作： 一、监测仪的硬件平台的建立 本文的放障监测仪采用了t i 公司的t m s 3 2 0 v c 3 3 芯片作为核心处理器，建 立了一个多通道信息采集、处理并与p c 机进行实时通信的信号处理系统。经 d s p 系统处理后的数据传送到p c 机上。在模拟电路部分，采用了程控放大和抗 混叠滤波，为a d 转换提供了较为理想的输入信号。在通信部分，d s p 和主机 通过p c i 总线进行通信，3 3 mb s 的传输速率保证了实时性的需求能够得到满 足。 二、监测仪的软件开发 这部分的主要工作有d s p 系统的控制，f f t 算法的实现、数据的后期处理， 如图形绘制、数据管理、数据存储以及和办公自动化软件o f f i c e 的接口等。 三、将小波分析用于轴承初期裂纹的监测 在原有的频率分析技术的基础上，将小波分析应用到机械故障诊断中来。 传统的频谱分析是基于傅里叶分析，由于傅里叶分析只在频域内有很好的分辨 率，不能适应非平稳信号的分析。而小波分析具有很好的时一频分析特性以及对 信号的局部化分析的能力，将其应用到机械故障诊断中来，还能够很好的进行信 号的时间定位。本文讨论了将小波分析用于轴承初期裂纹的监测。 关键词：d s p ，小波分析，故障监测，t m s 3 2 0 v c 3 3 ，f f t a b s t r a c t w j t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f m o d e m m a n u f a c t u r ea n dt h ea d v a n c e m e n to f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，m o d e r nd e v i c e s a r e b e c o m i n g m o r ea n dm o r e c o m p l e x ， d e g r e eo f a u t o m a t i o n i sh i g h e r b u to nt h eo t h e rh a n d ，t h e e x p e n s e sf o rr e p a i r i n ga n d m a i n t e n a n c ea r e a s c e n d i n g t h ed o m e s t i c m a r k e to fi n s t r u m e n tf o r i n s p e c t i n g i s o c c u p i e db yf o r e i g ne n t e r p r i s e s s oi ti si m p o g a n tf o ru st oh a v ei n d e p e n d e n tp r o p e r t y r i g h ta n dk e r n e lt e c h n o l o g yo f h i g hq u a l i t ym a l f u n c t i o n d e t e c t i n gi n s t r u m e n t i nt h i s p a p e l o nt h eb a s eo f i n v e s t i g a t i o n ，t h es c h e m ei sd i s c u s s e df o re x i s t i n g v i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i sa n dm e c h a n i c a lm a l f u n c t i o nd i a g n o s i s t h ef o l l o w i n gw o r k i sc o m p l e t e d ： 1 h a r d w a r ed e s i g nf o rt h ei n s t r u m e n t i nt h i sp a p e r , t m s 3 2 0 v c 3 3i sc l m o s e na sc o r ep r o c e s s o rf o rt h em a l f u n c t i o n d e t e c t o ra n dam u l t i c h a n n e li n f o r m a t i o ng a t h e r i n ga n d p r o c e s s i n gs y s t e mi sb u i l t t h i ss y s t e mc a na l s oc o r m n u n i c a t ew j t l ) p c j 玎t h ea n a l o gc i r c u i t s , s o f t w a r e - c o n t r o l l e da m p l i f i e ra n da n t i a l i a sf i l t e ra r eu s e d 。s oag o o d i n p u ts i g n a lf o ra d c i s p r o v i d e d t h ed s ps y s t e m c a r lc o m m u n i c a t ew i t hp c t h r o u g hp c ib u s ，t h u st h e r e q u i r e m e n t f o rr e a lt i m ep r o c e s s i n gi ss a t i s f i e d 2 s o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o rt h ei n s t r u m e n t i nt h i sp a r t ，t h ew o r km a i n l yi n c l u d e st h ec o n t r o lo f d s p s y s t e m ，t h e i m p l e m e n t a t i o no f f f t , d a t ap r o c e s s i n ga f t e rt h ee v e n t ，s u c h a sg r a p hd r a w i n g ，d a t a m a n a g e m e n t ，d a t as t o r a g ea n di n t e r f a c i n g t oo f f i c ea u t o m a t i o ns o f t w a r ee t c 3 a p p l i c a t i o no f w a v e l e t t r a n s f o r mf o ra x l e t r e ec r a c kd e t e c t i o n o nt h eb a s eo f o r i g i n a lt e c h n o l o g yo f f r e q u e n c ya n a l y s i s ，w a v e l e tt r a n s f o r mi s a p p l i e d t om e c h a n i c a lm a l f u n c t i o nd i a g n o s i s t r a d i t i o n a lf r e q u e n c ya n a l y s i si sb a s e d o nf o u r i e rt r a n s f o r m a sf o u r i e rt r a n s f o r mc a r lo n l yg e tg o o dr e s o l u t i o ni nf r e q u e n c y d o m a i n ，i ti sn o t f i tf o rn o n s t a t i o n m 、ys i g n a la n a l y s i s b u tw a v e l e tt r a n s f o r mc a r lg e t g o o d r e s o l u t i o ni nb o t ht i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n ，w h e ni ti sa p p l i e dt om e c h a n i c a l m a l f u n c t i o nd i a g n o s i s ，w ec r ug e tg o o do r i e n t a t i o no f t i m e i nt h i sp a p e rt h e a p p l i c a t i o no f w a v e l e t h a n s f o i t nf o ra x l e t r e ec r a c kd e t e c t i o ni sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：d s p , w a v e l e tt r a n s f o r m ，m a l f u n c t i o nd i a g n o s i s ，t m s 3 2 0 v c 3 3 ，f f t 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 及取得的研究成果。据我所知，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 获得电子科技大学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 的说明并表示谢意。 二， 签名：盈塑日期：2 瓣6 肜日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名盟导师签名： 日期：z 卯岁年6 月6 日 电子科技大学硕士研究所论文 1 1 本课题研究的意义 第一章绪论 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，现代设备的结构越来越复杂， 功能越来越完善，自动化程度也越高。但是，从另外一方面看，维护、修理费用 也在相应的上升。由于许许多多无法避免的因素的影响，会导致设备出现各种故 障，以致降低或失去其预定的功能，甚至造成严重的甚至是灾难性的事故。国内 外曾经发生过空难、海难、爆炸、断裂、倒塌、泄漏等事故，这些事故造成了巨 大的经济损失以及人员伤亡，产生了严重的社会影响。例如，1 9 8 5 年我国大同 电厂和1 9 8 8 年秦岭电厂发生的2 0 0 m w 汽轮发电机组的严重断轴毁机事件，对 国家造成了巨大的经济损失和人员伤亡。国外的类似事件也是报道频频，例如 1 9 7 9 年美国三里岛核电站泄漏事件、1 9 8 6 年美国“挑战者”号航天飞机失事、 】9 8 6 年前苏联的切尔诺贝利核电站爆炸事件、1 9 8 9 年英国波音飞机发动机着火 坠落事件等等。因此通过研制可靠的设备故障诊断仪表来保证设备的安全运行， 消除事故，是十分迫切，同时也是非常有实际意义的工作。 而从另一方面看，国内的故障监测仪市场也处于长期被国外企业占据的状 态。这些外国企业主要包括瑞典的s p m 公司，丹麦的b & k 公司，美国的本特 利公司以及德国的申克公司等。国内的诊断技术研发则相对起步较晚，但已经受 到了党和国家领导人的重视。目前已经在建筑、冶金、电力、化工和精密机械等 方面得到了广泛的展开，并且已经取得了众多的研究成果。但是国内设备故障诊 断仪表的市场仍然还是主要由国外的企业占据着主流。因此拥有自主知识产权和 核心技术的高质量的故障诊断仪表也有着重要的经济意义。 1 2 旋转机械设备故障诊断技术的发展历史 对于旋转机械设备故障的诊断，实际上白有工业生产以来就已经存在。早期 的时候，人们依据对设备的触摸，对声音的、振动状态的感受，凭借工匠的经验， 就可以判断某些故障的存在，并提出修复的措施。而故障诊断作为- - l j 学利，则 是本世纪6 0 年代以后才发展起来的。 最早开展故障诊断技术的是美国。1 9 6 1 开始的阿波罗计划后出现了一系列的 电子科技大学硕士研究所论文 设备故障，促使1 9 6 7 年在美国宇航局( n a s a ) 的倡导下，由美国海军研究室 主持成立了美国机械故障预防小组，积极从事故障诊断技术的研究和开发。1 9 7 1 年该小组划归于美国国家标准局，成为了个官方领导的组织，从事故障机理研 究，故障的监测、诊断及预测技术研究。 在6 0 年代末，7 0 年代初，英国机械保健中心开始了诊断技术的研究。1 9 8 2 年曼切斯特大学成立了一系列公司，担任政府的顾问，从事诊断仪器、监测装置 的研究。 日本的诊断技术最初用于民用工业，如钢铁、化工、铁路等部门。他们密切 注视世界动向，积极引进和消化最新的技术。努力发展自己的诊断仪器。在英国 于】9 7 0 年提出设备综合工程学后，日本设备工程师协会紧接着在】9 7 1 年开始发 展自己的全员生产维修，并每年都要派遣“设备综合工程学调查团”了解诊断技 术的开发研究工作。在东京大学、东京工业大学、早稻田大学等高等学校开展了 基础性理论研究。而在企业中则开展了应用水平较高的实用项目。比如三菱重工 在旋转机械故障诊断方面开展了系统的工作，其研制的“机械保健系统”在汽轮 机发电机组故障监测和诊断方面起到了有效的作用。 在我国，1 9 8 7 年国务院正式颁布了全民所有制工业交通企业设备管理条 例，规定了“企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备 状态监测为基础的设备维修方法”，其后，我国的故障诊断技术的研究和应用在 全国普遍展开。在北京、天津和沈阳先后建立了机械设备诊断技术研究中心。在 国内的一些重点大学，如西安交通大学东北大学和北京科技大学等成立了故障诊 断研究室，并已培养出了这方面的高级专门人才。全国各行业都很重视在关键设 备上装备故障诊断系统，特别是智能化的故障诊断专家系统，其中突出的有电力 系统，石化系统，冶金系统以及核动力电站、航空部门等。工作比较集中的是大 型旋转机械故障诊断系统，至今，我们已经有了众多具有自主知识产权的机械故 障诊断系统。在应用方面，1 9 8 3 年冶金部将宝钢和太钢作为开展机械诊断技术 研究的试点单位；石化系统从2 0 世纪7 0 年代组织无损检测到8 0 年代开展设备 状态监测，已投资6 0 0 万元以上；水电行业以大机组为重点，开展机械设备故障 诊断的研究。此外，机械工业在现场简易诊断方面，航空工业在研制诊断仪器方 面，核工业部门在进行反应堆故障诊断和寿命预测方面以及交通部门在实施汽车 不解体监测方面都取得了卓有成效的进展。 自2 0 世纪6 0 年代至今，国内外在机械故障诊断领域的研究和应用取得了极 大的进展，具体体现在： 1 数据采集器和信号分析处理高校的软、硬件的开发应用，使得多机组、 电子科技大学硕士研究所论文 大规模的信号采集与及时处理成为可能，进而方便的实现机器与机组的在线监测 与实时诊断。 2 振动诊断技术从初期简单的时域波形和振动谱分析发展到了时间序列分 析、倒频谱分析、共振调解技术、全息谱分析、小波分析等多种新方法，有效提 高了机械故障的诊断水平。 3 在振动诊断方法日益成熟并获得巨大效益的同时，铁谱技术、声诊断、 热象诊断、涡流诊断等技术也在逐步应用与实践，从而拓广了机械放障诊断技术 的应用范围。 4 对故障模式的统计识别和模糊识别理论与方法、灰色聚类分析、故障诊 断神经网络尤其是诊断专家系统做了大量的技术开发，并已经在工程中得到逐步 应用。 1 3 旋转机械设备故障的振动诊断方法介绍 1 3 1 概述 从振动信号中提取反映振动状态的信息和参数是科学研究和工程实际应用 中经常采用的方法之一。这是由于在运转的设备中，许多结构物承受各种动载 荷将引起振动，从而对结构的寿命、可靠性有重要影响；另外，振动是最重要 的信息来源，是机械设备状态信息的载体，它蕴含了丰富的机械设备异常或故 障信息，振动特征是机械设备运行状态特征的本质反映。任何机器在运转时工 作状态发生了变化，必然会从振动信号中反映出来。对旋转机械来说，目前在 国内外应用最普遍的方法是利用振动信号对机械故障进行判别。从测试手段来 看，利用振动信号进行测试也最方便、实用，要利用振动信号对故障进行判别， 首先应从振动信号中提取有用的特征信息，即利用信号处理技术对振动信号进 行处理。目前应用最广泛的处理方法是进行频谱分析，从振动信号中的频率成 分和分布情况来判断故障。振动分析理论比较成熟，振动测试设备比较完善， 是机械故障诊断的理论基础和技术基础。自2 0 世纪6 0 年代末至今，机械故障 诊断技术己获得迅猛发展，新理论、新技术和新方法的不断出现并目趋完善， 使机械振动的研究受到国内外学者和工程技术人员的关注，逐渐发展成为一个 分支学科。通过振动测试对机械设备或结构的运行状态和故障的可能提出预 测、估计、判断，并为设备的更换和修复乃至生产过程提供决策依据。因此本 课题的研究具有重大的科学意义和实际意义。 电子科技大学硕士研究所论文 1 3 2 旋转机械设备振动信号的测量方法 设备振动信号的测量要依靠传感器，目前在这一领域广泛使用的传感器有： 1 涡流式位移传感器 工作原理：高频电流传到传感器的线圈后将产生高频磁力线，此时如果有一 个金属片接近该磁场，则该金属片的表面将产生电涡流，涡流强弱随金属片到线 圈的距离变化而变化，这同时会引起传感器线圈阻抗的变化，从而改变传感器的 输出电压。 2 磁电式速度传感器 工作原理：当导体切割磁力线的时候，会产生一个于运动速度成正比的电动 势，磁电式速度传感器就是根据这个原理来工作的。 3 压电式加速度传感器 工作原理：当一个外力作用在石英晶体上时，就会产生一个和外界力成正 比的电荷，这就是“压电效应”。当把振动力加到晶体上时，就可以得到于加速 度成正比的电压输出。 1 ，3 3 时域分析方法 该方法主要是通过观察振动信号的波形特征来获取诊断信息。这是最简单和 最直接的方法，特别是当信号中含有简谐信号、周期信号或短脉冲信号时更为有 效。直接观察时域波形可以看出周期、谐波、脉冲，利用波形分析可以直接识别 共振现象和拍频现象。但这种方法对比较典型的信号、特别明显的信号以及有丰 富工程经验的人员才比较适用。 作为故障诊断特征量的一些示性指标有： 1 峰值x = m a x l x ( t ) l 17 2 平均幅值牙，= 亭j1 x ( t ) l a t 3 均方根幅值x 。= 1 3 4 频域分析方法 据似触 对旋转机械的振动信号进行频谱分析和绘制三维频谱图是诊断振动故障的 重要手段。每一种振动故障在频率上及频率与转速的关系( 表现为倍频) 上都有 特点，这穆为振动故障的频率特征。在故障的分析与预测中，正是利用这些频率 4 电子科技大学硕士研究所论文 特征来判断故障的可能原因的。 旋转机械设备常见的振动故障及其对应的频率特征如下： 1 由质量不平衡引起的强迫振动，其振动频率等于l x 。( x 代表转速) 。 2 由转子的不均匀升温而产生的热弯曲变形，相当于给转子附加不平衡 由此导致的强迫振动频率为1 x 。 3 由机组的轴线不对中引起的强迫振动，其频率为1 x 及2 x 。 4 刚度不对称的水平转子，由于重力引起的强迫振动频率为2 x 。 5 发电机定子由于磁拉力不均匀而引起的强迫振动，其频率为3 x 。 6 由于油膜轴承的不稳定而导致的自激振荡，其频率为1 2 x 。 1 3 5 其它分析方法 一波特图法 波特图是描绘基频振动的幅值a 及相位妒随时间或转速变化的曲线，包括时 间波特图和转速波特图两种。 例如，以“( f ) ：a c o s ( q ，一妒) ：爿c 。s f 垫n t - q ，1 表示基频振动分量。则以a l 刀 及妒为纵坐标，1 3 或t 为横坐标，即可绘制转速波特图或时间波特图。 由波特图可以容易的确定临界转速值，并可以由曲线上的半功率带宽粗略估 计该临界转速下的阻尼比。 二极坐标图法 极坐标图又称为奈奎斯特图，最早由h a r r y n y q u i s t 在研究闭环系统的稳定性 时提出的。在旋转机械振动测试中，极坐标图是以各转速下基频幅值为向量的模， 以相位妒为向量的幅角，在极坐标平面上绘制的曲线。所以，极坐标图实际上就 是基频振动的复数振幅随转速变化的向量图。极坐标图在动平衡时常被用来确定 转子上不平衡质量分布的方位角。 1 4 发展趋势 从近年来发表的文章和著作来看，该领域的发展趋势有： 1 4 1 向小型化、便携式、多功能发展 随着微电子技术的发展，处理器的速度在不断的提高，存储器的容量在不断 电子科技大学硕士研究所论文 的增大，而体积和功耗却在不断的减小。这为设备的小型化奠定了基础，小型的 诊断仪器携带方便，功能强大，更能适合行业的需求。 1 4 2 基于新理论的新方法研究 由于机械转动过程中产生的信息的复杂性和多样性，机械故障诊断理论与技 术涉及到许多传统学科，如热力学、光学、声学、化学、数理统计等。另外也会 涉及到许多现代科学及其分枝，如计算机及软件、信号分析与处理、信息论、控 制论、图论、模糊数学、人工智能等。近年来，各国学者对于机械诊断技术密切 相关的其他领域中的新成果保持了高度的敏感，先后引进了大量的理论与方法来 丰富机械故障诊断科学。特别是对于非平稳信号和微弱特征信号处理所表现出的 独特优点，小波变换理论与方法已日益引起国内外学者的研究兴趣。并且可以预 见，在今后的一段时下间里，还会有一些新的相关的学科中的理论和方法会被引 用到机械故障诊断中来。 l ，4 3 专家系统的研究与开发 设备故障诊断专家系统的出现是设备故障诊断领域最显著的成就之一。因为 一般情况下，人们关于设备故障诊断与维修的科学知识往往落后与专家的实践和 经验知识，从而为专家系统提供了广阔的应用前景。自1 9 8 1 年第一个非医疗专 家系d a r t 在斯坦福大学问世以来，各类诊断与维护专家系统如雨后春笋般的 出现。 至今，专家系统已经度过了其在研究所的“孵化期”，逐渐在工程中得到了 较为广泛的应用。然而，阻碍故障诊断专家系统进一步发展的困难还有很多，这 引起了众多学者的深入研究。 1 4 4 人工网络的研究 近年来，设备故障诊断的人工神经网络的研究一直非常活跃。尽管人们己经 获得了一些较为成熟的诊断理论和技术，并且已经在工程中得以广泛的应用。然 而，这些理论与技术对工程实际中大量存在的多故障、多过程、突发性故障以及 在大规模工程系统进行监测诊断方面表现出了一定的局限性，从而使机械故障诊 断陷入了某些困难。由于神经网络在处理上述问题时具有独特的优势，即对于多 故障、多过程的大规模系统，可以应用大规模并行处理网络进行诊断；对于突发 性故障或其它异常现象，可以利用神经网络的联想、推测及记忆功能进行诊断， 电子科技大学硕士研究所论文 从而使故障诊断走出当前的困境成为可能。 1 4 5 网络化 随着计算机网络化的飞速发展，人们共享资源和远程交换数据成为可能。利 用光纤、微波、无线通信及计算机网络等通信方式，将机械故障诊断系统与数字 信号系统结合起来组成网络，从而实现对多台机组的有效管理，减少监测设各的 投资，提高体统的利用率 1 4 6 其它发展趋势 随着知识经济的到来，世界经济的全球化和一体化，人类对环境的要求越来 越高。这对机械设备的状态监测和故障诊断技术的要求也越来越高，不仅要满足 实现诊断性能的要求，还要满足有利于保护环境、节约能源、使用简单、性能可 靠。 总之，在故障诊断这一学科中，有许多方面值得深入的探讨和研究，并且随 着我国国民经济和科学技术的不断发展与进步，目前所遇到的困难将有可能得到 克服，我国的设备状态监铡和故障诊断技术将会不断的得到完善。 1 5 本论文完成的主要工作 本论文完成主要工作主要包括以下方面： 一、监测仪的硬件平台的建立 本文的故障监测仪采用了n 公司的t m s 3 2 0 v c 3 3 芯片作为核心处理器，建 立了一个多通道信息采集、处理并与p c 机进行实时通信的信号处理系统。经 d s p 系统处理后的数据传送到p c 机上。数据的后期处理，如图形绘制、数据管 理、数据存储咀及和办公自动化软件o f f i c e 的接口等，均在p c 机上完成。在模 拟电路部分，采用了程控放大和抗混叠滤波，为a i d 转换提供了较为理想的输 入信号。在通信部分，d s p 和c p u 通过p c i 总线进行通信。 二、监测仪的软件开发，主要工作有以下方面： 1 系统上电以后的系统初始化。 2 a i d 采样控制、程控放大器增益控制。 3 实现f f t 运算。 4 对c y 7 c 0 9 4 4 9 的编程，以实现和p c 机的通信。 电子科技大学硕士研究所论文 5 由用户建立服务记录，并初始化相关参数，标志一次监测开始过程。 6 从d s p 系统接收经过处理后的数据。 7 绘制各种图形供工作人员进行现场监测。 8 与o f f i c e 接口，工作人员可以将需要的图形和数据导入到w o r d 文件 或e x c e l 文件中。 9 数据的管理，包括存储、导入、导出、共享以及事后分析。 三、本文最后讨论了将小波分析用于转动轴承初期裂纹的监测。 电子科技大学硕士研究所论文 2 1 技术指标 第二章监测仪的方案设计 2 1 1 信号分析的频率范围及分辨率 根据实际现场的需求，本监测仪信号分析的基频频率范围为1 0 i o o h z ，待 分析信号的最高频率一般考虑到四倍频，考虑一定的裕量后，信号分析范围定为 l o 5 0 0 h z 。 频率分辨率：在基频为兀时的频率分辨间隔小于2 f o 。 2 1 2 振幅测量范围和准确度 位移传感器：0 9 9 9 um p p ，响应振动位移的峰峰值； 速度速度传感器：0 1 0 0 0 咖s ，响应振动速度的有效值 2 1 3 相位测量范围和准确度 相位测量范围和准确度要求如下： 范围：0 3 6 0 。；准确度：3 。 2 1 4 转速测量范围和准确度 转速测量范围和准确度的要求如下 5 6 0 0 0 r p m i r p m ； 6 0 0 0 3 0 0 0 0 r p m 0 0 2 。 2 1 5 2 1 2 作环境条件 温度：o 5 0 湿度：8 5 。 电子科技大学硕士研究所论文 2 2 系统总体方案 为了采集的数据的实时性，本系统采用d s p 作为信号处理器，其结构框图如 图2 1 所示： 图2 1 数据采集系统信号处理方案 本系统采集数据量大，运算比较复杂，为了能达到实时性的要求，本文采 用高速的d s p 微处理器，来自传感器的信号，经过程控放大，低通滤波后，供给 1 4 位的a d 转换器，采样后的数据送往d s p 处理器进行处理，处理之后通过 p c i 总线将数据送到p c 机。 本系统的d s p 为核心处理器选用的是t i 公司的t m s 3 2 0 v c 3 3 ，a d 转换芯片 为i v i a x l 2 5 的，低通滤波器采样的是m a x 2 9 l ，包含如下功能： 1 具有p c i 总线接口，可直接与p c 机通讯。 2 可采集1 6 通道数据，并要能保证无相位差采集。 3 具有3 2 位的数据线和2 4 位的地址线以及其它功能的扩展总线，可用于 本系统的程控放大器控制及其它控制。 4 a d 转换为1 4 位，输入电压范围：一5 v + 5 v 。 5 每路最高采样率为7 6 k s p s 。 6 滤波器的截止频率可以根据输入信号动态调整。 2 3 系统供电方案 本系统采用的数字处理模块的工作电源可直接由p c 机提供，而模拟信号处 理模块的电源应由外部独立供给。具体方案如表2 1 所示： 电子科技大学硕士研究所论文 电压代号适用r j 象单b 电# i适用组数 信。计总电i 振动信号低通滤波器1 72 2 l m a 鉴十b 脉 中自女发电路一1 0 n a 程控放大器开关一2 2 m a 振动信号低通谴 汝器1 3 n n2 2 l n l a 光电鉴十目器电源 鉴相脉 中自m 发电路 10 r r a i o m a 2 7 3 m a 坚 目脉冲整形电路j o n n 程控放大器开关 ：2 n 1 a 程控放大器 一3 j m a 电涡流传感器间隙 电压低通滤波器 程控放大器3 2 n a 电涡流侍癌；器间# 柬 电压低通漶、镀器 v e e 电涡讲e 俸凰t 器电源 一3 4 0 m a一3 4 0 f n a 表2 i 系统供电方案 11 一一 里三型蔓奎兰堡主堡窒堕堡窒 第三章故障诊断仪的硬件平台的设计 3 1 模拟信号处理模块 3 1 1 程控放大器 3 1 1 1 电路简介 程控放大器的增益由d s p 的o 口控制，其原理图如图3 1 所示 图3 1 稳控放大器原理图 来自d s p 的控制数据经锁存后，控制信号加到4 0 5 2 的控制端，4 0 5 2 是一个 四选的多路选择器，其真值表3 1 如下所示： baxy系统放大倍数 0ox oy o1 o1x 1y 14 l 1ox 2y 21 6 l 11x 3y 36 4 电子科技大学硕士研究所论文 表3 14 0 5 2 的真值表 由于不同的通路有不同的负载，从而可以进行放大器的增益调节。本系统实 现的增益调节有四档，放大倍数分别为1 、4 、1 6 、6 4 。 3 】1 2 a d 6 2 0 的使用 1 基本性能 a d 6 2 0 是一个体积很小的8 脚塑封的( d i p ) 器件。由于它的超1 3 先进工艺，使 其最大工作电流为1 3 m a ，输入失调电压为5 “v ，输入失调漂移最大为1pv ，共模抑制比9 3 d b ，增益范围l 1 0 0 0 ，而且噪声低。使用简单方便，只需 一个外接电阻来设定增益范围。 2 a d 6 2 0 的工作原理： a d 6 2 0 的基本原理为三运放放大嚣如图3 2 所示 t 图3 - - 2a d 6 2 0 的工作原理图 该放大器的特点为，差动输入，单端输出电压增益可由一个电阻来确定， 且增益连续可调。a 1 a 2 组成了同相高输入阻抗的差动输入，差动输出，并承担 了全部的增益放大任务。由于电路结构对称，增益改变时，输入阻抗不变。且反 馈电阻i u = r 2 ，放大器a 1 a 2 的共模增益、失调、漂移等误差均得到了相互补 偿后级a 3 的增益为1 ，具有较高的共模抑制比和抗干扰能力。 3 放大器的增益计算 图5 中，改变外接电阻就可以改变电路的增益。根据电路理论，有输入输出关 系： v a = v i n ih m + 蕊) ，黼 一v i 一穗l ，瞄 酶= v i tt r z 十祧) ，黼 一v i t 砬，蕊) 渊t = v a t 轴，妇) + 栖口t r 哇+ 粕) ) t 瓶+ 翩) ，弛 由胁= 。始，确v a 一蜘= f ：撕月新+ d ； 由胎：r 4 = 船：黼，有a 3 的增益为1 ； 得：a 3 输出= ( v i n + 一7 和城v 孙力； 13 电子科技大学硕士研究所论文 故a d 6 2 0 的增益：g = 等+ = 警十 。一 观删 求得此时应匹配的电阻为：”。o 了 式中a d 6 2 0 内部设定的电阻r 1 、r 2 修正的标准阻值为2 4 7 k 。r g 为外部增益 调正，可在放大器的脚1 和脚8 之间跨接此高精度电阻来满足所需要的放大倍数， 增益误差可0 0 1 。 3 1 2 抗混叠滤波 3 1 2 1 概述 在使用a d 转换板进行测量时，由于测量现场的电磁干扰，传感器本身以及 放大电路等的影响，经传感器转换和放大后的电信号，往往含有多种频率成份的 噪音信号。严重情况下，这种信号会淹没待提取的输入信号，造成系统无法获取 被测信号，因此必须采取滤波措施，将杂散信号抑制掉，使系统的信噪比提高， 达到良好的测量结果。因此在使用a d 输入的同时，一般要使用滤波器。通常的 滤波器构造是由r c 组成，其截止频率取决于所采用的元器件阻值和容值，其精 确度较低。这种滤波器一旦构造，不可灵活的进行调节。因此对另外的信号滤波 需要重新设置，造成测量中的工作量增大。而在数据采集过程中若仅采用数字滤 波，在测量频带之外，若有更强大的信号时，该信号也会输入到a d 转换器中， 引起a d 转换器的有效位数不能得到充分利用，从而引起系统精度的降低。因此， 根据测试频带对模拟滤波器设置截止频率，使有效信号单独进入a d 转换，充分 利用a d 转换器的有效位数，从而提高测量精度很有必要。 3 1 2 2 滤波器的确定 由于在仪表测量时要求在整个通频带内增益尽量的稳定，故最适合采用的是 巴特沃思滤波器( 在通频带内，它的增益非常稳定，波动很小) ，下面讨论滤波器 阶数的确定。 滤波器的阶数影响的是由通带到阻带的衰减速度以及通带内的平坦程度。当 然，我们希望由通带到阻带的希望衰减速度越快越好，通频内的频率特性越平坦 越好。 由于巴特沃思滤波器本身的一大优势就在于通带内的平坦性，所以在截止频 率确定的情况下( 设此时的频率为f c ) ，更关心的是在采样频率2 f c 处信号的衰 减程度。 表3 2 列出了n = 2 ，4 ，8 时的衰减值( 归一化) ： 电子科技大学硕士研究所硷文 i n2 f c 处衰减值 i 20 2 4 2 5 l40 0 6 2 3 | 8 0 0 0 3 表3 2 不同n 值下信号在2 f c 处的衰减值 可见，当取n = 8 时，可以达到本系统设计的要求( 1 ) 。 本系统采用的八阶巴特沃斯型低通滤波器器件是m a x 2 9 1 ，该低通滤波器主要 特点是： 1 截止频率可由外时钟脉冲f o p 方便的设置，这样我们可以根据实际需要自 由的进行设置，输入时钟频率可按公式c l k = 1 0 0 xf c 获得。 2 通带内特性曲线平坦。 3 通带内相频特性线性性很好。 截止频率为l k 时的频率特性如图3 3 所示： i 、 f d 。 。、 、 ，、 h口1 m 08 1 2 k 18 k2 k i h p i l t f r e 。u e m c y ( h z ) 、 i f oc 、 l l 、l i 、m 1 l ，i l i i lr 0d 8 1 , 2 k 1 嚏曲 l h n e 8 u e w z ) 图3 3m a x 2 9 1 截止频率为1 k 时的频率特性图 3 1 2 3 滤波器截止频率调整的原理 m a x 2 9 1 的截止频率是由输入时钟信号来决定的，其工作原理是采用了开关 电容，使得其可以等效为一个可变电阻，阻值由输入时钟的频率确定。这样通过 输入时钟来调节可变电阻得阻值，进而实现了调节滤波器的截止频率。 图3 - 4 由输入时钟控制的可变电阻实现的原理 。厂 厂 。 厂1 厂 l l l嗣a-4点e|isl 电子科技大学硕士研究所论文 图3 - 5 用于开关控制的两路反相时钟 如图3 4 所示，一个接地电容c 1 和用作开关的源、漏极可互换的增强型 m o s 三极管t 1 、t 2 可等效为一个可变的输入电阻月。，其阻止由输入时钟频率 调整。推导如下： t 1 、t 2 分别用不重叠的两路反相时钟脉冲来驱动( 见图3 5 ) 。假定时钟频 率无= 1 t c 远高于信号频率，那么，在i 为高电平时，t l 导通而t 2 截止。此时 c 、与输入信号v 】相连，即有： 9 = c l v i 其中q 为电容吸收的电荷量。而在正为高电平时，t 1 截止，t 2 导通。于是，c l 转接到运放的输入端。此时，c l 放电，将c l 原来所充电荷q c l 传输到c 2 上。 由此可见，在每一时钟周期疋内，c 1 从信号源中提取的电荷供给了积分电容c 2 。 因此，在节点1 、2 之问流过的平均电流为 扣孚 如果疋足够短，可以近似认为这个过程是连续的，因而由上式可以在两节点 间定义一个等效电路r 。，即： r e 0 - j w 将i 。，= c l v ，t 代入得，r 。= t c ，= 1 c l f 。由此变实现了由输入时钟频 率来控制的可调电阻。 m a x 2 9 1 中的相关参数如表3 3 所示： 表3 3m a x 2 9 1 中的相关参数 3 1 2 4 滤波器的截止频率的确定 本系统的滤波器截止频率是随输入信号的频率的改变而自动调整的n 由鉴相 脉冲可以得到信号的基频，而待分析信号的频率范围是基频的5 倍，将该点设为 截止频率。由此可得输入脉冲频率的计算公式： f c = 1 0 0 x w x 式中w 一5 ，x 为基频。 3 2 数字信号处理模块 电子科技大学硕士研究所论文 3 2 1 概述 数字信号处理模块的构成如图3 6 所示 ”一二竺f 耄。- - 一一三一。冈一j | f 1 一、世生一j m 一图橱：圳三篡雾 图3 6 数字信号处理模块的构成 该模块以v c 3 3 为核心，外扩了1 m 3 2 b i t 的s r a m 储存器和2 5 6 3 2 b i t 的f l a s h ，同时增加了看门狗电路、a d 电路。通过锁存器，v c 3 3 可以对传感器 的选型、程控放大器的增益进行控制。 3 2 2d s p 芯片的选择 3 2 2 1d s p 芯片选择时要考虑的因素 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选择了d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。总的来说，d s p 应用系统 根据实际的应用场合，应用目的的因素而各不相同，对d s p 芯片的选择也是不 同的。一般来说，选择d s p 芯片要考虑的因素有以下几点： 1 数据格式 d s p 运算的实现有定点还是浮点两种方式。定点运算其数据用整数或固 定范围的小数来表示数据。而有的d s p 处理器用的是浮点的格式，即用尾数 和指数来表示数据。浮点运算与定点运算相比，灵活性和数据的动态范匿i 都 很大，因此编程也比较容易。但是浮点处理器的电路更复杂，成本也较高a 2 数据宽度 通用浮点处理器的数据宽度是3 2 位的，而定点d s p 的数据宽度是1 6 3 2 位的都有。系统设计的准则应该是考虑在满足系统要求的前提一f ，数据宽 度尽量的小。 电子科技大学硕士研究所论文 3 速度 这是处理器的一个关键指标，处理数据的速度必须要能够满足系统的应 用需求，否则系统无法正常工作。 4 片上资源 包括片内存储器的大小，处理器的寻址空间的大小，d m a 、串口支持等。 5 开发环境 选择了d s p 芯片后，存在的下一个问题是是否有友好的开发环境，包括 编译器、连接器，仿真器、代码库等，便于工作人员进行开发。 6 功耗与电源管理 这在使用电池的便携式系统设计时的必须考虑的主要问题之一。 7 开发成本 在产品研制中，降低成本，提高产品的市场竞争力也是系统设计的一大 要素，设计者应该选择满足应用需求的最廉价的d s p 。 3 2 2 2t i 公司的t m s 3 2 0 v c 3 3 介绍 t m s 3 2 0 v c 3 3 是美国德州仪器( t i ) 公司生产的一款3 2 位的浮点处理器， 采用的是0 1 8 微米的c m o s 技术，属于t i 公司的c 3 x 系列。 该芯片的主要参数如下： 指令周期：1 3 n s 每秒执行的指令数：7 5 m 片上存储器：3 4 k 3 2 b i t 功耗： 2 0 0 m w 字长：3 2 位 地址线：2 4 位 支持浮点运算 该处理器内部的总线结构和特殊的数字信号处理指令集的使其执行速度可 以达到每秒进行1 5 0 兆次浮点操作。v c 3 3 通过硬件结构来实现效率的优化，而 不像其它的处理器是通过软件或者微码来实现效率的优化。通过这种硬件加强功 能的方法，可以实现以往的芯片难以达到高性能。 其功能结构框如图3 7 所示： 皇王型蔓奎堂堡主竺窒堕笙塞 圈3 - - 7t m s 3 2 0 c 3 3 功能结构框图 3 2 2 3 选择t m s 3 2 0 v c 3 3 的理由 选择该芯片的理由如下： 1 该芯片支持浮点操作，避免了溢出带来的不便，方便程序开发，有利与提高 开发进度。 2 3 2 位的字长可以满足系统精度的要求。 3 指令周期1 3 n s ，可以满足系统对运算速度的需求。 4 片内含3 4 k 的r a m ，有d m a 控制器和独立的d m a 数据、地址总线，以及 定时器，满足系统对片上资源的要求。 5 和t i 同类的高端产品，如6 0 0 0 系列相比，价格较低，而且芯片的工作能力 能够达到产品设计需要，这样有利于降低生产成本，提高产品市场竞争力。 6 t i 公司提供了大量详细的技术资料以及开发环境的支持，可以了解相关的技 术细节，给系统设计和软件开发以必要的参考，加快开发进度。 3 2 3 系统复位资源的使用 v c 3 3 p s 系统中共有四种复位信号产生，分别如下： 1 ) 上电复位脉冲； 2 ) p c i 的软件复位； 3 ) 电源故障，即当+ 5 v 主电源电压跌至+ 4 5 v 时，产生复位脉冲：