（仪器科学与技术专业论文）便携式锥齿轮传动噪声测试分析仪.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业大学或其它教 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了谢意。 签名： 主! l 弼 日期：驰坦：6 ：星 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：g 蚤 ，1 j 摘要 摘要 锥齿轮因其载荷均匀、传动效率高、能改变运动方向等诸多优点在机械传 动领域中得到广泛应用。随着齿轮工业向高速重载、高可靠性、低成本发展， 对锥齿轮的传动质量及综合性能要求也越来越高。因此，研究和开发锥齿轮传 动质量智能控制系统具有一定的学术意义和应用价值。 论文针对国内大多数厂家依赖工人经验，通过听锥齿轮传动噪声定性判断 其质量的现状，提出智能化控制锥齿轮传动质量的方案，研制了便携式锥齿轮 传动噪声测试分析系统的样机。系统构造了d s p + f p g a 的组合设计方案：以数 字信号处理器( d s p ) 作为系统控制和数据处理算法的核心，利用传声器获取噪声 信号，通过滤波放大芯片提取并放大与锥齿轮副啮合相关的噪声信号，并对信 号进行必要的时域和频域分析，将分析结果作为评价传动质量的依据；利用现 场可编程门阵列( f p g a ) 强大的逻辑和时序控制能力协调d s p 实现整个系统功 能；利用键盘和点阵式图形液晶显示器( l c d ) 实现了多级菜单的友好人机交 互界面；此外，系统还可通过串口与p c 机通信实现数据的存储。 最后本文还利用开发的便携式锥齿轮传动噪声测试分析系统样机进行了锥 齿轮副传动噪声测试分析实验。实验结果表明，本系统实现了锥齿轮副传动噪 声测试分析功能，在实际应用中有一定的推广价值。 关键词传动噪声；锥齿轮；数字信号处理器；现场可编程门阵列 ：。；：。里垒呈圣坚至二：。：。：。：。，。：。：；。：一 a b s t r a c t b e v e lg e a rh a u sb e e 芏1w i d e l yl l s e di n l o d 锄m e c h a i l i c a l 位删s s l o ns y s t e m d u ct 0i t su i l i f o ml o a d s ，t l i 出仃a i l s m i s s i o ne 伍c i e n c y m e i s s i o nd i r e c t i o n b e i i l gc h a n g e de t c b e c 哪em ed h c t i o no fm eg e a ri n d l l s 哆t o w 矾sl l i g l l s p e e d ， o v 甜o a d ，h i 曲r e l i a b i l 埘a i l dl o w c o s t ，m e r ei s 姐i i l c r e a s 协gd 锄a n d sf o rb e v e lg e a r 相n s m i s s i o nq u a l 埘 a n d c o m p r e h e n s i v ep e r f o n l l a i l c e b a s e do n1 er e a s o n m 鲫t i o n e da b o v e ，m er e s e a r c h 锄di l e v e l o p m e n to fa 1 1i n t e l l i g e l l ts y s t e m ，w l l i c h c a i l c 0 r l t r o lt h e 仃a i l s m i s s i o nq u a l 时o f b e v e lg e a r s ，h a si i n p o r t a n ta c a d e r n i ca i l dp r a c t l c a l a p p l i c a t i o ns i 班f i c a t i o n d e s i 舻o fn e l l i g e n tc o i l t r o lb e v e lg e a rq u a l 毋w a sp r o p o s e da n dap o r t a b l e b e v e lg e a rn o i s et e s t i n ga n da 1 1 a l y s i ss y s t e mp r o t o t ) ，p ew a sd e v e l o p e db a s e d o nm o s t m a n u f b c t u r e r sj u d 孚n gm em e s hq u a l i t yo f b c v e lg e a rb ym ew o r k e r se x p e n e i l c ea n d l i s t e i l i n gt 0m eb e v e lg e a rn o i s emd o m e s t i c s y s t 锄d e s i 盟c dd s p + f p g a 锄c b j t e 曲盯ei sa sf o l l o w s d s pi su s e da sm ec 0 r eo fc o n 乜- 0 1 1 i n ga n dd a t ap r o c e s s m g i nm es y s t e m 1 1 1 em i c r o p h o n ei s u s e df o rm en o i s es i 印a 1 f i l t e r i n ga n d a m p l i f i c a t i o nd 邺i sl l s e dt 0e x t r a c ta n d 觚1 p l i 母m er e l a t e db e v e lg e a r sm e s h i n g n o i s e t i m e 台e q u 趾c ya i l a l y s i s o f 缸l es i 盟a la n dm er e s u l t si sm eb a s i s f o r e v a l u a t i o no ft r 雒s m i s s i o nq u a l i 够f p g a1 0 西cc o n 仃o l i su s e dt o c o o r d i n a t ed s p 觚da c h i e v e 也ee n t ns y s t 锄缸嘶o i l s k e y b o 莉a 1 1 dl c dh 莉w a r ed e s 谫i s u s e dt 0i r n p l 锄饥th l l m 心m a c l l i i l em 抵e h 1a d d i t i o 玛t h j ss y s t 锄c a i l c 0 加础m i c a t ew i m p ca n d 咖l 锄e n ts i 盟a 1i i a ：t as t o r a g eb ys 耐a 1c o 删 n u l l i c a t l o n f i l l a l l y ，s e v e r a le x p 甜m e i l t sw e r ed o n ei nm ei n t e l l i g e n tt e s t m ga 1 1 da i l a l y s l s s y s t 锄p r o p o s e di n 仳sp a p e rt op r o v ei t sg o o dw o f k i n gp 曲m a i l c e t h e r e s u l t s s h o wn l a tm es v s t 锄如1 丘1 1 st 1 1 e 胁c t i o nd e s i 萨e di i la d v a n c ea n dc a nb ep u ti n t o p r a c t i c a lq u a l 时c 0 n 仃d 1a p p l i c a t i o n ：i i lb e v e lg e a rm 柚u 伍c t u n n gp r o c e s s k e y w o r d sm e s hn o i s e ；b e v e lg e a r ；d i 垂t a ls i 萨a 1p r 0 c e s s i n g ；f i e l dp r o 舢a b l e g a t e 枷y 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状。2 1 2 1 齿轮测量技术发展2 1 2 2 锥齿轮测量机床的发展。3 1 2 3 齿轮振动噪声研究现状4 1 3 课题研究内容及来源5 1 3 1 课题主要研究内容5 1 3 2 课题来源6 第2 章传动噪声测试分析理论及系统总体设计7 2 1 锥齿轮传动噪声产生机理7 2 2 传动噪声测量及信号处理方法7 2 2 1 噪声的测量一声压与声压级7 2 2 2 传动噪声信号分析8 2 3 系统总体方案设计9 2 3 1 噪声测试分析系统结构设计。9 2 3 2 基于d s p 和f p g a 的组合系统方案1 0 2 3 3 系统设计指标1 1 2 3 4 硬件总体方案设计11 2 4 本章小结一1 2 第3 章传动噪声测试分析硬件系统设计1 3 3 1 系统结构组成及功能划分1 3 3 2 信号采集电路设计1 4 3 2 1 信号获取电路1 4 3 2 2 低通滤波放大电路1 6 3 2 3 模数转换电路18 3 3 人机交互接口设计2 2 3 3 1 键盘电路设计2 2 3 3 2 液晶显示模块2 3 3 4d s p 子系统设计2 5 3 5f p g a 子系统设计2 6 3 5 1f p g a 介绍2 6 北京t 业大学工学硕士学位论文 3 5 2a d 时序控制及仿真2 9 3 5 3l c d 时序控制及仿真31 3 5 4d s p 与f p g a 之间的通讯3 2 3 6 通讯部分电路设计3 2 3 7 本章小结。3 3 第4 章传动噪声测试分析系统软件设计3 4 4 1 软件开发环境简介。：3 4 4 2 系统软件总体结构3 5 4 2 1 软件设计要求3 5 4 2 2 系统软件结构3 6 4 3 初始化模块设计3 7 4 3 1d s p 时钟初始化38 4 3 2 定时器中断初始化3 8 4 3 3a d 7 6 5 6 初始化3 9 4 4 系统算法程序设计4 0 4 5 人机界面程序设计一4 2 4 5 1 键盘多级菜单子程序设计4 2 4 5 2 液晶显示模块子程序设计4 4 4 6 串口通信程序设计4 9 4 7 本章小结5 0 第5 章实验分析5 1 5 1 系统功能测试实验5 1 5 1 1a d 采集测试5 l 5 1 2 低通滤波测试5 3 5 1 3 人机界面试验5 3 5 2 传动噪声测试分析实验一5 5 5 2 1 实验方案5 5 5 2 2 实验数据分析5 7 5 3 本章小结5 9 总结6 1 参考文献。6 3 攻读硕士期间取得的研究成果6 7 致谢一6 9 第1 章绪论 第1 章绪论 本章介绍了便携式锥齿轮传动噪声测试分析系统的研究背景、意义及锥齿 轮测量技术的发展和目前国内外主流的仪器，说明了本课题的主要研究工作及 课题来源。 1 1 课题研究背景及意义 图1 1 为锥齿轮传动示意图。锥齿轮能够实现两相交轴和交错轴的传动， 已成为现代机械传动系统中传递动力和改变传动方向的重要装置【m 】。随着科技 的进步和精密测量技术的发展，对锥齿轮传动系统提出了更高的要求：锥齿轮 传动系统不仅要实现高速重载、高可靠性等功能，而且具备振动小、噪声低及 成本低的特点。因此，如何控制生产现场大批量锥齿轮传动质量已成为锥齿轮 行业的重要研究内容【3 】。 图l - l 锥齿轮传动不恿图 f 蟾1 1s c h e m 撕cd i a g r a mo f b e v e lg e a r 国内大多数生产厂家在评判锥齿轮传动质量时，常采用啮合式综合精度测 量法，即把锥齿轮作为一个传动元件，在锥齿轮滚动检查机上，加以一定的速 度和载荷，由操作人员观察接触斑点来判定锥齿轮啮合轨迹状况，同时听传动 噪声判断是否有异常噪音，并根据噪音的不同自行对锥齿轮副修形。这种靠操 作人员经验来评判锥齿轮传动质量的方法，只能进行定性分析，测量精度低， 受主观因素影响较大，已不能适应产品质量控制的要求；针对质量有问题的锥 齿轮，不能准确分析出其加工误差来源，从而导致了产品废品率增加和生产成 本的提高，此类问题在新产品的试制中更为明显【4 1 。 2 0 世纪9 0 年代以来，齿轮测量技术正朝着非接触式绝对测量技术、基于 实际测量结果的齿轮智能配对及动力学性能预报等虚拟分析技术、齿轮的网络 北京工业大学t 学硕士学位论文 化测量与在机测量等方向发展。1 9 9 9 年，重庆工学院的郭晓东、米林教授提出 了通过测试分析锥齿轮副传动产生的振动与噪声信号来评判其传动质量的新思 想【5 】。本课题正是在这种前提下，基于齿轮噪声产生机理，提出了一种基于d s p 和f p g a 的便携式锥齿轮传动噪声测试分析系统设计方案。该系统将对锥齿轮 的几何量测量转移到对锥齿轮传动的动态特性一一噪声的测量( 物理量测量) ， 通过滤除背景噪声，对锥齿轮传动噪声的测量和分析，判断工艺过程的故障， 为加工过程中修正加工参数提供参考数据。在当前我国齿轮产业大好发展的形 势下，通过该研究可以推动锥齿轮产品制造的在线测量与监控技术水平，而且 该便携式传动噪声测试分析系统功能集成、结构简单，作为滚动检查机的配套 设备，适合任一型号的滚动检查机，在我国从齿轮大国变成齿轮强国的过程中 无疑具有一定的研究价值和广阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 齿轮测量技术发展 齿轮测量技术及其仪器的发展至今已有近百年的历史。1 9 2 5 年德国z e i s s 公司在世界上首次推出了实用性机械展成式万能渐开线检查仪“t o o t hs u 施c e t e s t e r ，并投放市场。该仪器的问世，标志着齿轮精密测量的开始。根据齿轮 测量原理可将现代齿轮测量技术归纳为如下三种主要类型睁8 1 。 齿轮单项几何解析测量技术：认为齿轮是由一些空间曲面组合而成的具有 复杂形状的几何实体，任一曲面在三维空间中都可由点的坐标来描述，仪器测 得的曲面上点的实际坐标和理论齿轮齿面上点的坐标的偏差即为齿轮误差。测 量的齿轮单项几何偏差主要有齿廓、齿向和齿距等基本项。单项几何形状误差 测量的优点是能精确给出齿轮的质量精度等级，为齿轮加工工艺流程中机床参 数的调整提供一个量的参考，其典型代表仪器是齿轮测量中心和三坐标测量机。 齿轮啮合式综合误差测量技术：把齿轮看作一个刚性的能做回转运动的传 动元件，认为齿轮在啮合传动中由于齿轮误差的存在导致啮合线方向的改变从 而影响了其传动特性。综合误差测量是在理论安装距下，通过被测齿轮和标准 齿轮的啮合传动测量其综合误差，如传动误差的测量。综合误差测量的优点是 测量速度快，适合大批量生产的产品质量最终测量，其典型代表仪器是单面啮 合测量仪和双面啮合测量仪。 齿轮整体误差测量技术：以黄潼年为主的成都工具研究所的科研人员共同 努力创建和不断完善的一种“运动几何测量”技术。齿轮整体误差测量理论【9 。1 明 的思想是将被测齿轮作为一个刚性的传动元件与标准齿轮作啮合运动，采用滚 第1 章绪论 动点扫描测量法测量被测齿轮，得到齿轮运动的整体误差曲线，该误差曲线含 有丰富的齿轮加工误差信息，因此可以通过该曲线来反求被测对象的误差。整 体误差测量的优点是测量信息丰富、测量效率高，特别适合齿轮工艺误差来源 分析和动态性能预报，缺点是标准齿轮精度的高低决定着测量结果的精度高低。 1 2 2 锥齿轮测量机床的发展 自从美国格利森( g 1 e a s o n ) 公司的科学家威德尔哈泊( w i l d h a b e r ) 和巴斯 特尔( b a x t e r ) 等人推出准双曲面齿轮后，锥齿轮测量技术就不断地在更新和 发展。从最初的滚动检查机、单面啮合检查仪以及双面啮合检查仪，到现在的 齿轮坐标测量中心、数控锥齿轮滚动检查机及齿轮在线测量机等。到目前为止 c n c 齿轮测量中心主要代表仪器有处于国际上领先地位的德国i n g e l n b e r g 的 p n c 系列齿轮测量机、美国m m 公司的3 0 0 0 系列、日本大阪精机的c l p 系 列等。国产的齿轮测量中心典型代表有哈量的3 9 0 3 、3 9 0 6 型齿轮测量中心，该 测量中心能测量各种复杂形状的齿轮齿刀，具有测量速度、功能齐全和使用方 便等特点。数控锥齿轮滚动检查机的典型代表是瑞士o 甜i k o n 公司生产的t 5 0 、 t 6 0 以及美国g 1 e a s o n 公司的5 0 0 h c t 、6 0 0 h t t 等，此类数控锥齿轮检测机床 不仅具备锥齿轮配对检查、传动误差及单项误差测量功能，而且采用了三维结 构噪声测量分析结构，通过测量锥齿轮的啮频谐波，作为锥齿轮质量判断的辅 助测量。下面介绍此类机床的几种典型产品。 奥立康( o d i k o n ) 公司生产的t 5 0 ，t 6 0 数控锥齿轮检查机能够测量轴交角 为9 0 度各种螺旋锥齿轮及准双曲面齿轮；该滚动检查机可以通过自动光学识别 接触区图像系统测量锥齿轮副啮合接触斑点的形状、位置和大小；以及在改变 速度和载荷情况下通过加速度传感器测量三维结构噪声来评价锥齿轮副的运转 状况；除此之外可以测量分析单面啮合状况下锥齿轮副的传动误差和双面啮合 误差。 图1 2 示出g l e a s o n 凤凰5 0 0 h c t 数控锥齿轮检验机。5 0 0 h c t 【1 1j 是g 1 e a s o n 公司凤凰系列数控锥齿轮切齿机的配套产品，功能齐全、性能优越。它能够自 动调节并确定锥齿轮副最佳安装距；能够在高速重载状况下精确地测量锥齿轮 幅的切向综合误差并进行频谱分析；它能对螺旋锥齿轮、准双曲面齿轮在啮合 状态下的传动性能进行模拟检测；利用c c d 成像原理自动采集锥齿轮副的齿 面接触斑点图像并进行识别与分析；采用加速度传感器同时测量锥齿轮幅横向、 纵向和轴向三维结构噪声，并对啮频谐波进行检测判断。该滚动检查机最大缺 点就是价格昂贵、不易搬运。 北京t 业大学工学硕十学位论文 图1 2g l e 勰0 n5 0 0 h c t 数控锥齿轮检测机 f i g 1 - 2g l e a l s o n5 0 0 h c tc n cb e v e lg e a ri n s p e c t i o nm a c h i n e 图1 3 示出g 1 e a s o n 公司的6 0 0 h t t 准双曲面齿轮检验机。6 0 0 h t t 【1 2 】在螺 旋锥齿轮副和准双曲面锥齿轮副的c n c 控制滚动检验方面建立了新的世界标 准。6 0 0 h t t 准双曲面齿轮检验机是面向生产的机床，除了基本的接触斑点检 查功能外，机床还提供了基于编码器的单侧运动传动误差检验和基于加速度传 感器的结构承载噪声分析( s b n ) 两项检测能力。 图1 3g 1 e 嬲o n6 0 0 h t t 螺旋锥齿轮检测机 f i 9 1 - 3g l e 蠲o n6 0 0 h t ts p i r a lb e v e lg e a rt e s t i n gm a c h i n e 以上介绍的锥齿轮滚动检查机功能齐备，代表了目前锥齿轮综合误差测量 机床的发展水平，但由于技术封锁和价格昂贵等原因，国内只有极少的生产厂 家购买使用。 1 2 3 齿轮振动噪声研究现状 1 8 6 3 年m o r i e y 发表了关于在齿轮轮体和轮缘之间插入橡皮圈以防止振动 和噪声的论文后，齿轮的振动噪声问题才开始作为研究课题被大家所关注。齿 轮的振动噪声被正式列为研究内容是在二战后，以美国为首的工业发达国家制 第1 章绪论 定了研究齿轮振动噪声的庞大计划。1 9 5 9 年n i e i l l 锄和u n t e r b e r g e r 两人首次 以庞大的实验为基础，在大范围内取得了实验性振动噪声数据，使得齿轮振动 噪声研究有了突破性进展。随着当时工业的发展，人们对齿轮传动装置有了进 一步的认识并对振动噪声的大小提出了更高的要求，至此许多工业发达国家加 强了对齿轮振动噪声的研究工作。近年来，齿轮振动噪声的研究更为活跃，特 别是计算机技术的迅速发展和精密量仪的推崇出新，以往难以解决的齿轮振动 噪声问题，借助于计算机用数值分析解法也能得到满足工程需要的近似解，它 使齿轮振动噪声的研究工作迈向了新的阶段【l3 1 。 虽然齿轮的振动噪声研究已有1 5 0 多年的历史，且齿轮啮合传动所引起的 噪声和振动信号中含有丰富的啮合状态信息，但由于环境噪声的复杂性以及结 构的混响效应，给噪声测量中有用信息的提取带来了一定的困难，致使用齿轮 传动噪声评定其质量的方法一直处于辅助性测量的位置。在实际的锥齿轮振动 噪声研究中很多研究人员采用检测振动的方法间接评价锥齿轮传动噪声。典型 的如数控锥齿轮滚动检查机5 0 0 h c t 和准双曲面齿轮检验机6 0 0 h t t ，以及国 内重庆大学、中南大学等一些科研机构均是采用测量振动的方法代替噪声测量。 1 3 课题研究内容及来源 1 3 1 课题主要研究内容 本课题的内容是研制一台便携式锥齿轮传动噪声测试分析仪，主要分为以 下几个方面： ( 1 ) 研究锥齿轮传动噪声产生机理，确定传动噪声测试分析系统的工作原 理，并在此基础上提出了系统总体设计方案。 ( 2 ) 研究了怎样使用d s p 与f p g a 及外部合适的电路来实现传动噪声测试 分析功能，并进行了硬件电路的设计：传声器输出信号的调理电路设计；最小 系统外围电路设计；f p g a 时序控制电路设计；人机交互电路的设计；电源电 路设计；与上位机通讯电路设计等。 ( 3 ) 选用t i 公司的集成度高、性能强的数字信号处理器芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，并对该芯片进行了较深入的研究，在此基础上构建硬件子系 统和软件平台，并对各功能模块进行了调试； ( 4 ) 测试分析系统软件编写。使用c c s 开发平台编写系统软件：系统软件 要完成信号的采集和预处理、系统功能的算法实现、人机交互界面的多级菜单 实现和各种液晶显示界面、对测试分析结果的显示和评判、数据通讯等工作。 ( 5 ) 实验。实验有两个目的：一是检验系统能否完成预期的测试分析功能， 北京t 业大学工学硕上学位论文 二是做锥齿轮传动噪声测试分析实验，通过大量的数据分析寻找测试分析结果 和锥齿轮各个参数间的对应关系，并将测量结果反馈到锥齿轮的设计和加工中， 以达到更精确的控制锥齿轮的传动质量。 1 3 2 课题来源 论文课题来源于北京市教委项目“锥齿轮传动噪声测试分析系统研究”。 第2 章传动噪声测试分析理论及系统整体设计 第2 章传动噪声测试分析理论及系统总体设计 本章首先介绍了传动噪声测试分析系统设计的理论基础，包括锥齿轮传动 噪声产生机理、传动噪声测试原理和信号采集与处理理论；其次介绍了噪声测 试分析系统的结构组成与特点，进而提出本课题研究的便携式锥齿轮传动噪声 测试分析系统的设计思路，最后给出系统的设计指标并介绍了系统硬件总体设 计方案。 2 1 锥齿轮传动噪声产生机理 锥齿轮传动噪声是由啮合过程中锥齿轮振动引起的。锥齿轮在理想啮合状 态下，由于同时进入和退出啮合的轮齿对数变化，以及锥齿轮运动轨迹在齿面 的位置的变化，使啮合的锥齿轮齿面间产生冲击，从而造成了锥齿轮在啮合中 的振动和噪声的产生：其次锥齿轮在加工过程中不可避免地存在着制造误差、 设计误差、安装误差以及在高速重载作用下轮齿的弹性变形，这些误差和变形 导致齿轮啮合时的实际啮合点偏离了其理论啮合点，从而改变了锥齿轮副的瞬 时传动比，导致锥齿轮在啮合运转过程中时而加速时而减速，造成轮齿间的相 互碰撞冲击并最终产生振动和噪声。这些内在因素是锥齿轮副啮合传动噪声产 生的主要原因。同时由于电机输出频率的不稳定、锥齿轮轴的支承刚度不足、 外载荷的变动，也能激发锥齿轮副振动，产生噪声【l 8 1 。 通过对锥齿轮传动噪声产生原因的分析，能看出锥齿轮的设计误差、制造 误差、安装误差以及弹性变形是导致锥齿轮产生振动噪声的主要原因。由于锥 齿轮副作周期性的旋转运动，其传动噪声信号具有一定的规律性，可以通过频 谱分析法来确定产生噪声的内在因素，并反馈到锥齿轮设计、加工和安装环节 以便于采取有效措施来降低锥齿轮副的振动和噪声。 2 2 传动噪声测量及信号处理方法 2 2 1 噪声的测量一声压与声压级 当声波在声场中传播时，声场中任意一点的压强叠加在静态大气压强的波 动分量称为瞬时声压，它是时间的函数，记为刖，单位是帕( p a ，n m 2 ) 。噪 声的测量是用有效声压表示【1 9 1 ，即为声场中该点的瞬时声压的均方根值，简称 为声压，用p 表示： 北京工业大学t 学硕士学位论文 旷晒t ( 2 - 3 ) 式中严斗均时间。 声压虽是人们最普遍采用的描述声波性质的物理量，但由于其描述声音强 弱变化的数量级能达到1 0 6 量级，使用起来很不方便，人们便用声压的对数形 式标定声音的强弱，除此之外，人耳接收到声音的强弱并不是正比于声压值， 而是近似接近于声压的对数值，声压的对数值即为声压级，用。表示，单位是 分贝( d b ) ： 三，= 2 0 l g p 蜀( 2 - 4 ) 式中尸矿一参考声压其值为2 x 1 o 。5 p 。； 卜被测声压的有效值，单位为p 。 本文采用电容传声器将被测声压转换成相应的电压u ( d 。其和噪声声压级间 的关系式为： “( ，) = s 。气) ( 2 - 5 ) 式中s 一一为电容传声器的声压灵敏度，本文中的传声器灵敏度为 5 0 m v p a 。 将公式( 2 - 3 ) 和( 2 5 ) 代人公式( 2 4 ) ，整理后得： 。= 2 0 培“+ c ( 2 - 6 ) 式中“= ；r “2 ( f ) 4 ，为u ( t ) 的有效值；c = 一2 。l g 昂一2 0 l g s = 1 2 0 d b 。 2 2 2 传动噪声信号分析 噪声是由不同频率不同强度的声波组成的复合声，不同的声音含有的频率 成分及各个频率上的能量分布是不同的。噪声信号分析即是为了求得一个时域 信号是由哪些不同频率、幅度和相位的谐波组成。噪声信号分析通常采用频谱 分析方法，频谱分析能完整地表示了信号的频率组成，从而揭示了信号的特征 信息【2 0 】，这种频率成分与噪声强度对应的关系为声的频谱。 实际中常用的声频谱有：宽频带连续谱、窄频带连续谱和不连续线状谱， 及连续谱中含有能量较高的纯音频率( 线状) 的复合频谱，这些频谱反映了噪 声能量在各频率分量上的分布特性 2 l 】。由于本文中系统测试分析的对象是频率 范围为5 0 h z 5 0 0 0 h z 的锥齿轮传动噪声，属于频带较窄的低频信号，而且分析 第2 章传动噪声测试分析理论及系统整体设计 结果需要每一个频率上声能量的详细分布，所以采用f f t 频谱分析算法实现信 号的测试分析。下面将简略介绍f f t 频谱分析算法。 傅里叶变换将时域信号石变换为频域信号砌，并从频域角度展示了信号 的特征。时域信号x 缈的傅里叶变换为： x ( 厂) = 【x ( f ) e x p ( 一_ ，2 万彳q 办 ( 2 - 7 ) 式中瑚为变换后的信号频域形式，石为信号的时域形式，为频率。信 号x 经数据采集后，变成离散化数据m 桫，去为采样时间间隔，如在时间丁 内采集n 个数据，则有x 俐伽桫，n o ，1 ，2 ，( n 1 ) ，简记为x 例。对离散数据， 积分运算转化为求和，其结果将是离散频率磊= 七4 厂的序列，于是有限连续傅里 叶变换式可改写成离散形式： x ( 尼厂) = 艺x ( 挖) e x p ( 一歹2 万等) ( 2 - 8 ) n = 0 v 常用的离散傅里叶变换式的离散形式： 砸) ：学：芝砌) e x p ( 啦万等) ( 2 9 ) j h = 0 o 式中翮代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时 域信号波形更直观，丰富的信息。f f t 是离散傅里叶变换的快速算法，它使离 散傅里叶变换的运算速度提高了两个数量级。f f t 具体算法在数字信号处理方 面的书籍中均有详细介绍，且在各类专业软件中有现成的模块可用，因此不再 赘述。 实现f f t 算法的方式有三种，即软件实现、硬件实现以及软硬件结合的 d s p 实现。本文的f f t 算法是在硬软件结合的d s p 内用c 语言实现的，此种 软硬件结合的信号处理方式不仅速度快，而且通用性好。 2 3 系统总体方案设计 2 3 1 噪声测试分析系统结构设计 噪声测试分析系统的任务是测量噪声的声压级，且能分析出信号的频谱分 布以及随机意义上的统计结果。噪声测试分析系统根据其硬件结构组成不同分 为三种模式【冽：模拟式噪声测试分析系统【2 3 1 、虚拟式噪声测试分析系统 2 4 1 、嵌 入式系统的噪声分析系统。 模拟式噪声测试分析系统由模拟元器件组成，具有信号处理速度快的特点， 但随着模拟元器件的老化及其特征参数受温度变化影响，使得系统开始老化且 北京工业大学1 二学硕士学位论文 无法正常工作，而且系统采用的硬接线方式，一经投用，几乎没有维护升级的 可能性。因此模拟式噪声测试分析系统很难满足现代电子系统设计的可维护、 能升级的要求；虚拟仪器是将一套完整的仪器硬件平台抽象为各个功能模块并 通过软件的方式实现，很大程度上提高各功能模块乃至整个系统的开发效率， 系统也具有高度的灵活性和开放性，虽然虚拟仪器具有集成度高、更新快、扩 展性好、操作简便等优点，但由于其需要依托p c 机实现功能，不适合本文中 便携式锥齿轮传动噪声测试分析系统设计： 图2 1 是嵌入式噪声测试分析系统的结构图。通过比较可以看出，嵌入式 便携式系统一般以可编程的微处理器为系统核心，通过软件开发平台将预先编 好的系统控制程序和信号处理算法程序下载到系统存储器中，在硬件平台下， 通过软件的执行来完成预期的功能。由于测试分析系统的主要功能由软件来实 现，从而使得系统很容易通过软件更新的方式实现系统的升级。 图2 1 数字式噪声测试分析系统 f i 9 2 - 1d i g i t a ln o i s em e 嬲u r 锄e n t 锄d 趾a 1 ) ，s i ss y s t i 鼬 本文在综合上述三种模式的优缺点后，考虑到自身设计的要求，选择嵌入 式噪声测试分析系统结构，且可编程的微处理器选择实时信号处理能力强的 d s p 芯片。 2 3 2 基于d s p 和f p g a 的组合系统方案 d s p 的哈佛结构、专用的硬件乘法器、多级流水线操作为为高性能噪声测 试分析系统完成复杂的信号处理算法提供了有力的支持【2 5 - 2 6 】。本文选用d s p 作 为系统主控芯片主要是用于处理所采集到的大量的数据以及实现f f t 算法。 d s p 是专用的数字信号处理器，在数字信号处理方面具有很强的优势，但在整 个系统的逻辑控制和时序控制上不能满足高速、实时性好的系统要求，此时需 要外部快速器件的配合，这些器件往往由实时性好、时序控制能力强的可编程 器件实现。f p g a 全部控制逻辑由硬件完成，速度快、效率高，其最大的优点 不足和束缚吲。d s p 和f p g a 因其优势不同、侧重点不同，在实际设计中均有 各自的应用领域，单独采用d s p 或者f p g a 作为本文锥齿轮传动噪声测试分析 系统的核心部分都不是最佳的选择。如果采用d s p 与f p g a 的组合设计，充分 利用d s p 的高速数据处理能力与f p g a 的组合逻辑设计和时序控制能力相结 合，则可以互补二者之间的不足，充分发挥二者的优势【2 8 2 9 1 。 采用d s p + f p g a 组合设计其特点是结构灵活，开发周期短、有较强的通用 性，且系统易于维护和扩展，而且d s p + f p g a 的组合结构，使整个复杂的处理 系统体积变小、便于便携式仪器的设计与实现。本文出于对系统功能、灵活性、 可扩展性及成本等方面的考虑，根据d s p 和f p g a 的自身特点，提出d s p + f p g a 的组合噪声测试分析系统方案。为了更合理的分配利用系统资源，考虑系统的 可维护性和扩展性，系统利用d s p 实现系统应用方面的程序，而系统时序控制 的任务就放在f p g a 上。 2 3 3 系统设计指标 本系统在设计之初，重点考虑锥齿轮传动噪声信号的特点以及系统整体功 耗、性能和可扩展性等方面，总结了以下几点指标要求，如下： 1 工作电压：+ 2 4 v 、1 5 v 、+ 5 v 、+ 3 3 v 和+ 1 5 v ，低功耗； 2 具有多个相互独立的采集通道，采样率不低于2 0 k h z ，且采样率由齿轮 相关参数控制； 3 具有滤除5 0 0 0 h z 以上的信号频率功能，5 0 0 0 h z 以内信号没有衰减； 4 声压级测量精度：9 4 d b o 3 d b 及1 1 4 d b o 5 d b ( 以2 1 0 5 p a 为参考) ； 5 具有人机交互接口，以实现齿轮参数输入和测试分析结果的实时显示； 6 具有r s 2 3 2 接口，以实现和上位机的实时通讯。 2 3 4 硬件总体方案设计 在本文实时噪声信号处理系统设计中，出于对系统功能、灵活性等方面的 考虑，提出了利用d s p 和f p g a 设计便携式锥齿轮传动噪声测试分析仪，即 d s p 作为噪声处理算法和系统控制的处理器，f p g a 完成系统时序控制功能。 通过采集噪声信号，经过滤波、模数转换、频谱分析综合判断锥齿轮传动质量； 利用现场可编程门阵列( f p g a ) 的逻辑控制协调d s p 实现整个系统功能；利用 键盘和l c d 的硬件设计实现人机接口；通过串口模块与p c 机通信实现信号数 据存储。系统硬件总体结构框图如图2 2 所示。 北京工业大学工学硕十学位论文 图2 - 2 系统硬件总体结构框图 f i 9 2 - 2s y s t 锄h a “1 w a r eb l o c kd i a g r a mo fm co v e m l ls 仇l c t i 矾 系统中选用t i 公司超低功耗d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 和a l t e r a 公司 低功耗f p g a 芯片e p l c 3 t 1 4 4 c 8 为开发主芯片，开发环境分别为c c s 2 0 和 q u a n l l si i 。传声器选用杭州爱华公司电容式传声器a 、凇1 4 4 2 3 ，并选择配套的 前置放大器1 4 6 0 4 进行阻抗变化。考虑到噪声信号采集需要多个通道，本文中 选择美国a d i 公司的6 通道1 6 位模数转换器a d 7 6 5 6 。液晶显示作为实时终端 输出，选择内置t 6 9 6 3 c 控制器的点阵图形液晶显示器j m 2 4 0 1 2 8 ，屏显大小 是2 4 0 1 2 8 ，能显示1 6 行每行3 0 个8 8 的汉字或字符、图形等。 2 4 本章小结 本章简略介绍了锥齿轮传动噪声产生机理和传动噪声信号的测量及处理方 法，详细介绍了系统总体方案设计。根据噪声测试分析系统分析装置的不同详 细介绍了传统的模拟式噪声测试分析系统、虚拟式噪声测试分析系统及嵌入式 便携式噪声分析系统的结构组成及优缺点，并在此基础上提出本文的设计方案： 由d s p + f p g a 构建便携式的锥齿轮传动噪声测试分析系统，最后根据系统设计 目标，绘制出系统硬件总体结构图，并介绍了一些主要芯片的选型。 第3 章传动噪声测试分析硬件系统设计 第3 章传动噪声测试分析硬件系统设计 本章首先给出了系统的总体结构框图，介绍了系统的功能划分，详细分析 了在此基础上的主要部分外围电路设计。略做介绍d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 最小 系统的构建，介绍了f p g ae p l c 3 t 1 4 4 c 8 的基本设计及其对a d 7 6 5 6 和j m l c d 2 4 0 x 1 2 8 的时序控制。 3 1 系统结构组成及功能划分 系统的总体方案框图如图3 1 所示。系统中包括两个核心模块：实现整个 系统噪声测试分析功能的d s p 最小系统模块和控制系统时序的f p g a 最小系统 模块。如图3 1 所示，d s p 控制系统的采集、滤波、模数转换、算法处理、键 盘状态读取及液晶终端显示，f p g a 控制a d 芯片和l c d 模块的时序并协同 d s p 实现a d 芯片采集功能和液晶输出显示。 l 电源r i 一 复位电路 时钟电路 j t a g d s p t s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a s r 棚 7 c 1 0 2 1 f p g a e p l c 3 t 1 4 4 1 5 明 0 】 巨放，bj f m a x 2 7 4 龌放心斤 h a x 2 7 4 广 裙赢 a w a l4 6 0 4 i 传声器 i 厂1 孵司i r i a 卧1 4 4 2 3 lla 卧1 4 4 2 3l o o o o 。_ l - - _ _ l l _ l i - _ _ - l j 图3 1 系统总体方案框图 f i 9 3 - 1b l o c kd i a g 眦no fs y s t e 芏n - 1 3 咖一一一一回一一一一一 篡丢 北京t 业大学工学硕上学位论文 根据系统总体结构框图，系统的功能模块划分如下： 1 信号采集模块。信号采集模块的作用就是通过传感器获取外界信号( 如 物理条件或化学组成等) ，将其转换为模拟电信号并将模拟信号数字化，以便于 计算机进行处理。可以说，数据采集是微处理器计算机获取外部世界信息的“眼 睛。本文中信号采集模块主要是利用传声器实时的将锥齿轮传动噪声信号( 机 械能) 转换为电信号( 电能) ，并通过低通滤波器滤除高频信号，放大微弱的有 用信号，最终将获得的大量信号数据经过f p g a 送至d s p 做进一步的分析与处 理。 2 信号分析与处理模块。