（机械制造及其自动化专业论文）嵌入式故障诊断仪之数据采集模块的研制.pdf

摘要 本文在对国内外数据采集和处理技术及设备的调研和分析的基础上，针对面 向火型机电设备状态监测与故障诊断智能仪器开发这一国家8 6 3 课题的要求，结 合d s p 、f p g a 以及e d a 技术提出了基于d s p 的实时数掘采集处理系统。论述了系 统架构、软硬件设计方法和具体实现过程。 论文第一章阐述了大型机电设备的故障诊断检测技术发展现状及因内外监 测诊断技术的应用情况；结合项目要求对系统涉及到的相关技术和应用作了简要 的介绍。 第二章主要研究分析了故障分析诊断及其相关技术，结合系统本身的硬件作 了分析。并分析了系统的主要技术并对硬件方案作了研究对比分析，并指明了系 统的指标。涉及到的技术和器件包括d s p ，u s b ，f p g a 。 第三章提出了系统整体结构和功能，划分了系统各任务模块，并对各模块不 同的实现方案作了对比分析，根据方案的可行性分析确定了系统各部分的实现方 案。在各模块功能和结构明确的基础上，提出来了将各独立的功能模块融合为整 体系统的方法。 第四章叙述了系统的软件实现过程，详细描述了d s p 、f p g a 的软件设计方法、 开发流程给出了各模块的流程框图和关键代码，并对各丌发环境作了介绍。 第五章首先介绍了系统硬件构成，详细描述了硬件系统构成，d s p 、f p g a 等 器件的硬件开发方法、实现流程、外围电路构成以及接口实现。对系统p c b 板设 计的原则和实际实现过程作了描述。最后介绍了系统整体调试过程。 第六章总结了论文工作的内容并对未来的研究作了展望。 关键词：数据采集，故障分析诊断，d s p ，f p g a ，高速p c b a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nl o t so fi n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so f t h ei n t e r n a la n d o v e r s e a sd a s ( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) a n dd s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ) t e c h n o l o g y ，a c c o r d i n g t o r e q u i r e m e n t o f g o v e r n m e n ts u p p o r t e d 8 6 3 p r o j e c t d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t e m b e d d e ds y s t e ma i m e dt om e c h a n i c a l & e l e c t r o n i c i n s t r u m e n t ss t a t u sm o n i t o ra n dt r o u b l ed i a g n o s e ，s o m et e c h n o l o g y ，d s pf p g a ( f i e l d p r o g r a m a b l eg a t ea r r a y ) a n de d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) ，i n t r o d u c e dt op u t f o r w a r dam e t h o do fd a p s ( d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ) a n ds y s t e m s t r u c t u r e ，m e t h o do f s o f t w a r e h a r d w a r ed e s i g na n d r e a l i z a t i o nh a v eb e e nd e s c r i b e d i nc h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n da p p l i c a t i o ns t a t u so ft r o u b l ed i a g n o s e a n ds t a t u sm o n i t o rt e c h n i q u ei sd e s c r i b e d ，a n ds o m et e c h n o l o g yi n v o l v e da l s oi s i n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，a f t e ra n a l y z i n gt h et e c h n o l o g yo ft r o u b l ed i a g n o s em a di n v o l v e d t e c h n i q u e ，d a p sh a r d w a r e ，i n c l u d i n gd s p , u s b e t c ，b er e s e a r c h e d d i f f e r e n ts y s t e m s c h e m e si sc o m p a r e da n ds y s t e mf e a t u r e sa l s ob ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r 3 ，s y s t e ms t r u c t u r ea n df i m c t i o nh a v eb e e np u tu pa n d f e a s i b l ep l a n h a sb e e na n a l y z e d t h r e ep a r t s ，w h i c hm a k eu pt h es y s t e m ，h a sb e e ni n t r o d u c e d r e s p e c t i v e l y a tl a s t ，t h ep l a n o f a s s e m b l et h e3p a r t si n t oo n es y s t e mi sd e s c r i b e d i nc h a p t e r4 ，s o f t w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n ，i n c l u d i n gd s p , f p g a ，h a v eb e e n d e s c r i b e d s o m ek e yc o d eb e e ni n t r o d u c e d ，a n dd e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c eo fd s p , f p g a b e p u t u p i n c h a p t e r5 ，a f t e r i n t r o d u c e dt h ef r a m eo fh a r d w a r e ，h a r d w a r ed e s i g na n d r e a l i z a t i o nm e t h o di s d e s c r i b e d ，i n c l u d i n gd e v e l o p m e n tp l a n ，d e v i c e sa n a l y z ea n d p e r i p h e r i e s c i r c u i t a n di n t e r f a c eb e t w e e nt w o c h i p a t l a s tp c b l a y o u t a n d e m c ( e l e c t r o n i cm a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) i sd e s c r i b e i nc h a p t e r6 ，t h ec o n t e n ti ss u m m a r i z e d ，a n dt h ei s s u ew a i t i n gf o r r e s o l v i n gi nt h e f u r t h e ri sg i v e n k e yw o r d s ： d a t a a c q u i s i t i o n ，t r o u b l ed i a g n o s e ，d s p , f p g a ，h i g hs p e e dp c b i i 独创性声明 v 。6 8 0 1 3 5 本人声明所早交的学位论文是在导师指导下进行的研究上作及取得的研究成果。据我所知， 除r 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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 丁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谢意。 学位论文作者签名签字 期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘江盘堂有关保留、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。 本人授权逝垒盘生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适用本授权书) 学1 _ i ) = 论文作者签名 签字日期 学位论文作者毕业后去向 t 作单位 通讯地址 导师签名 签字日期：年月日 电话 邮编 塑鲨丛堂塑主兰垡堡茎一堕韭 第一章绪论 1 1 引言 现代工业生产正全面、迅速地朝着集成化，智能化和网络化方向发展，与 之相应的是机电设备日益的高速化，自动化和精密化。同时，生产系统中各设备 之间的联系也越来越紧密。在生产过程中，由于工艺，环境和材料等因素的存在， 生产设备还不能完全避免出现问题，发生故障在所难免。大型机电设备往往是生 产的重大心脏设备，这些设备的故障会直接影响到生产的正常进行，造成生产的 停滞。更为严重的是，如果某设备出现的故障影响到其他设备，从而带来多米诺 效应，致使整个机组出现故障，导致生产无法正常进行，不但会带来巨大的经济 损失，甚至会造成人员伤亡事故，给生产带来毁灭性的后果。因此，故障诊断技 术业已成为工程技术人员研究的重要课题之一。以往，对机电设备的检测和维护 多采用当机电设备出现故障时的事后维修制度和定期预防维修制度，即到一定周 期，不管设备有没有问题，全部停机大修。这种维修方法没有可靠性依据，长时 间的大修会给企业造成的损失巨大，仅以电厂的一个机组为例，一次大修需要3 个月，给电厂造成的损失可达千万。而在两个维修期之间的这段时间，设备出现 故障却不能被提前发现，仍然不可避免的出现一些大型事故。因此，这些手段已 经显得越来越难以适应现代化生产的要求。采用状态监测技术能够在设备使用过 程中进行必要的技术状态监测管理，并根据监测结果对设备状态进行识别和判 断。其基本做法是：对设备的整机、部件或零件的有关异常状况和故障的特征参 数，如应力、温度、磨损区、劣化度和振动等进行监测，以便对发现的劣化和故 障隐患及时采取预防维修措施。这种对症下药、有的放矢的预防性维修既减少了 以时间为基础的预防性维修所造成的“修理过剩”的损失和人为的紧张又有效地 避免了设备突发故障所造成的损失。欧美等发达国家和地区已将设备故障诊断与 状态监测技术广泛应用于航空、航天、军事、冶金、矿山、炼油、化工、石油、 汽车、发电等各行业，并取得了极大的经济效益和社会效益。国外采用故障诊断 与状态监测的企业维修费用平均降低1 5 2 0 “1 。目前，国外油田和大型企 业基本上依靠故障诊断与状态监测来实现对设备的动态管理，美国对故障诊断与 状态监测技术的投人占其生产成本的7 2 ，日本为5 6 o ，德国更是高达9 4 。实时的状态监控及故障诊断技术己成为当前故障诊断技术的重要手段，并朝 着监测一诊断一控制的方向发展。 在发达国家，作为- - 1 7 学科的故障诊断学经过3 0 多年的发展已经十分成熟， 第一章 塑塑查堂婴兰兰篁丝塞 一 丝! 三一一 同时，伴随着二十多年来计算机及半导体技术的飞速发展，故障诊断设备己进入 到智能化仪器时代。在机电设备状态监测及故障珍断的智能仪器的开发方面，美 n n n ( w h e c ) 、恩泰克( e n t e k ) 、本特立( b e n t l yn e v a d a ) 以及日本的新r 铁等公司开发的产品已得到成功应用，并获得了巨大的社会和经济效益。近年来， 随着嵌入式系统在通讯、网络、消费类电子、工业控制、汽车电子、航空航天及 r 1 1 因防等行业的成功应用，使得嵌入式软件及硬件技术获得了极大的发展。将 故障诊断技术与嵌入式技术结合起来，面向应用，开发出来的嵌入式故障诊断设 各专用性，性能上也得到很大的提升。因此，嵌入式故障诊断系统是目前工程人 员应用开发的热点和重点之一。 目前，我国在诊断理论和方法方面已部分达到当前的国际水平”，但是在 传感器，诊断仪器和计算机硬件方面离国际水平还相对落后，同时，国内的企业 和研究机构了 ：发重点多集中在嵌入式操作系统等单项的软件或硬件技术，而面向 工程应用及针对于具体行业的嵌入式故障诊断产品却少有丌发。虽然国内些企 业和科研单位相继研制开发了一些故障诊断设备仪器，并己投入到工业生产当 中，但出于上述原因，在工业生产行业使用的这些智能诊断设备距离国外同类产 品还有定的差距。 1 。2 状态监测与故障分析诊断技术和设备的发展状况 1 2 1 故障分析诊断技术发展概况 故障渗断技术是现代化生产发展的产物，故障诊断技术一开始就是伴随着工 业生产的产生而出现的，但是作为一门学科的现代故障诊断理论与技术的起源则 是在上个世纪6 0 年代末。西方工业发达国家首先在军事工业开发没备诊断技术， 随着民用工业设备的大型化、连续化、高速化、复杂化设备故障诊断技术逐渐进 入到工业生产当中。1 9 6 7 年4 月以美国国家宇航局成立了美国机械故障预防小 组( m f p g m e c h a n i c a lf a u l tp r e v e n t i o ng r o u p ) 为标志，现代故障诊断学宣告 成立“1 。该小组成立后，开展了广泛的学术研究和交流活动，在该组织的推动下， 各企业，高校及科研机构纷纷开展了故障诊断机理，可靠性分析与设计、状态监 测诊断与预报技术等方面的研究开发工作。随后，世界上其他发达国家也纷纷开 始开展故障诊断的研究。在欧洲，英国最先开展这项研究，瑞典、丹麦、挪威、 法国等国家相继效仿。在亚洲，r 本最先在上个世纪七十年代初丌始研究这项技 术。我国自改革开放后7 0 年代末，引进学习消化吸收国外先进诊断技术及设备， 第一章 浙江大学硕+ 学位论文 绪论 已有一些院校和科研单位着手研究工业回转机组事故的诊断“1 。八十年代初，相 关的科研单位丌始真正研究状态监测与故障诊断技术，上个世纪九十年代在理论 研究和工程应用方面取得重要成果，产生了巨大的经济和社会效益“1 ，目前已发 展成为保证企业安全生产、保证设备正常运行、提高产品质量和增加经济效益的 有效手段；成为改革维修方式、实现状态维修、推进设备运行全过程综合管理的 一种主要技术；成为目前我国设备工程技术中业己形成的以微电子为主的设备管 理技术等四大系列中最富信息时代特征的技术。 1 2 。2 故障分析诊断设备 作为故障诊断理论的应用及承载方式，状态监测及故障诊断设备经历了三个 阶段。最初，故障诊断技术主要依靠经验丰富的维修人员的感观以及比较简单的 设备和仪器来完成对象设备的故障诊断工作。随着检测技术、信号处理、模式识 别，计算机及传感器技术的发展，故障诊断技术出现了很多新的渗断方法，如振 动诊断技术、声发射技术、光谱诊断技术等”1 ，伴随其产生的新诊断设备也丰富 了故障诊断的手段，现在则进入到了智能诊断设备阶段。由于工业设备的大型化、 复杂化以及须连续运转，以往的故障诊断方式已经难以胜任自动化系统的监测及 诊断工作。随着基于知识的专家系统和人工神经网络等技术在智能化故障诊断中 的应用，以及网络技术的蓬勃发展，实时、在线的精确诊断设备已将故障诊断技 术带到了一个新的高度。 上世纪八十年代以后，国外开发研制了许多状态监测和故障诊断系统，例 如美国c s i 公司的2 1 3 0 手持式振动状态监测仪，本特利一内华达( b e n t l yn e v a d a ) 公司开发的3 5 0 0 系列状态监测系统，以及在2 0 0 3 年5 月投入使用的恩泰克公司 为武钢集团开发的x m 状态监测系统。近二十年来，国内的哈尔滨工业大学，清 转速、签相 传 数总线h p c 现场防护设施 感一竺堡! 卜 据 总 7总 采 线 接 线p c 器 叫蔓p 集 口 接 数据管理分 一 网络 口 析、专家智能 兀 系 设 ：设 诊断系统备 y 。 件 一开关f 言号l 叶缔 图1 - 1 基于p c 的数据采集系统 华大学，西北工业大学，西安交通大学以及浙江大学等单位也都陆续研制了在线 监测诊断系统。这些监测故障诊断系统根据功能和监测对象大致可分为三类：第 第一章 浙江火学硕十学位论文 绪论 ，类是手持式袖珍式监测诊断系统，这类系统主要针对于单个或少量信号的现场 巡检；第二类是基于采集站的检测系统，这些监测珍断系统除了具有高速精确的 采集器外，还带有有配套的故障分析与管理软件进行实时的信号分析。这种系统 应用面广，目前使用的监测诊断系统的多为此类：第三类是基于l a n 和i n t e r a c t 的分布式在线监测诊断系统，这类系统不仅具有完备的在线监测、诊断功能，同 时还能够利用网络优势实现资源共享，实现工业现场与控制中心的远程信息交 互。这类系统的在远程控制中心的服务器上一般备有专家系统，可以实现强大的 远程实时诊断功能。针对于不同的场合，工业现场往往会根据不同的需要选择采 用不同类型的系统。但以往的监测设备除手持式外，硬件方面大多采用基于p c 平台加上各种采集控制号的方式，如图1 1 所示。传统的商用p c 平台稳定性差、 不够坚固耐用，防尘、防震、防电磁干扰的效果不好，为固定p c 以及减少外部 干扰需要在p c 外部增加防护设备，如屏蔽外壳或固定用的机箱等。同时由于集 成度不高，显示器、鼠标、键盘都要通过线缆与主机进行连接，导致各种线缆杂 乱无章，不仅影响美观，影响工作效率，而且也容易出问题，极不适合在生产线 上使用。而大型的测控系统虽采用专用的控制平台，但需要专用的软件，成本高， 丌发周期长。例如前面提到的本特利公司研制的x m 系统开发周期长达三年半时 间。近年来，随着嵌入式系统的兴起，其体积小、集成度高、针对性强、开发周 期短、功能扩展灵活等特点使其成故障诊断设备发展的一个趋势。 1 3 面向大型机电设备状态监测与故障诊断系统结构 大型机电设备结构复杂，零部件多，监测诊断系统需要提取和处理的信号也 比较多。对于不同类型的信号处理的方法和手段也不一样，因此要满足处理各种 不同信号的要求，并能准确的完成诊断任务需要良好的软硬件环境的支持。完整 的监测诊断系统包括传感器、数据采集、信号处理和传输部分。软件方面包括操 作系统，信号处理程序，数据库软件等，一些基于专家系统的诊断系统还提供专 家知识库。从系统结构来说，有单个处理器的单片系统，也有采用上位机与下位 机组成的复杂结构。单片系统大多用于功能单一，数据量不大功能专一的设备， 如用于小型电机监测控制的系统。功能复杂，数据量大，实时性高的系统往往采 用复杂结构，将其功能分为负责采集的模块和用于信息处理、图形显示及结果存 储的主控模块机构成。采集模块往往是基于h c u 或d s p 的单片系统，主控模块大 多采用基于p c 的平台。如前面一节所述，基于p c 结构的系统虽然具有通用性好， 开发方便等优势，但是不适合用于工业现场，同时基于p c 结构的系统往往采用 w i n t e l ( w i 1 d o w s + i n t e l x 8 6 ) 结构，不但实时性得不到保证而且在成本和知识 产权方面受较多的限制。而基于嵌入式处系统的上位机具有与p c 相同的处理、 第一章 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 显示及传输的功能，i 刊时体积小，集成度较高，可以方便的采耿抗干扰措施，因 此在工业现场具有更大的优势。另外，嵌入式系统可以根据用户需求采用不同的 操作系统和处理器盯，特别是采用公开源代码的免费操作系统可以完整的拥有 自主的知识产权，成本价格优势也很明显，表卜1 为渗断系统国内外现状对比。 表1 1 国内外故障诊断系统对比 国内现在普遍做法国际上做法 数据接口并行口，u s b ，p c ip c i ，v x i ，u s b ，c a n 总线等 处理器单一依赖于微机的c p u ( x 8 6 )d s p ，a r m ，p o w e r p c ，x 8 6 等 操作系统 w i i 3 d o w s w i n d o w s ，l i n u x ，u c o s ，v x w o r k s ，e t c 1 3 。1 系统功能及结构 监测诊断系统的任务主要有两类：一是完成数据采集，包括采集传感器的 输出信号和传感器数据的预处理；二是完成故障诊断任务。对于后者，采用先进 的a r m 结构，可以满足系统的速度、体积、功耗等要求；对于前者，采用高速 的d s p 微处理器，借助其高速数据处理的多级缓冲和流水线机制，完成高速数 图1 1 2 系统结构 据采集和数据预处理。这样就组成了一种分布式监测处理集系统，即上、下位机 两级微机结构。在此系统中，数据采集模块负责完成数据采集、信号处理的任务， 而嵌入式模块实现数据存储，图形显示，以及数据远程传输的功能。两个模块的 工作流程是，采集模块实现数据采集和简单处理，然后传送到主控模块，由主控 第一章 5 塑些堂堕主堂堡丝塞一丝坠 模块对处理后的数据进行分析和诊断，将数据通过以太网传送到远程数据中心的 服务器巾。数据采集模块与嵌入式模块之间的数据逯讯通过u s b 接口实现。这 样的结构将直接面向设备的采集处理任务和上层的诊断工作细分到不同的模块 中，充分利用了两个模块的优势，一方面提高了系统的工作效率，另一方面提高 了系统的可靠性。采用这种结构更大的优势在于可以方便的进行系统升级，同时， 如果系统针对特殊设备监测诊断时可以方便的增强或修改部分功能，系统结构如 图l 一2 所示。 1 3 。2 嵌入式系统 1 3 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是通常定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件可裁 减，硬件可定制，通常是对功能、可靠性、成本、功耗要求严格的专用计算机系 统。嵌入式技术为开发者提供了大量的工具和函数库，减少了二次开发的工 作量；另外，将嵌入式技术和因特网技术结合起来，通过底层通讯协议使使整个 网络实现无缝连接，可以实现远程监控及数据交换”。目前，嵌入式系统的应 用遍及各行业及领域，有数据说明嵌入式系统带来的工业年产值已超过1 万亿美 元。，嵌入式系统的成功应用说明了嵌入式系统针对性强、专业性强以及在硬 件方面功耗低、体积小、携带方便等特点较一般的计算机系统在专用设备方面更 有优势。 自嵌入式出现以来的近三十年，嵌入式系统发展经过了四个阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，这类系统具有一些 如监测、伺服、显示设备的简单功能。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志，这一阶段的特点是操作系统内核精 简，效率高，模块化及可扩展。 第四阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个f 在迅速发展的阶 段，目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以 及i n t e r n e t 技术与信息家电工业控制技术结合，日益密切，嵌入式设备与 i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的未来。 简而言之，嵌入式系统是嵌入计算机技术的系统。嵌入式系统作为专用计 算机系统与通用计算机相比，有许多典型特征“： 第一章 6 浙江人学硕士学位论文 绪论 ( 1 ) 嵌入式系统是面向具体应用的，是在特定领域内完成特定功能的专用计 算机系统。系统可能用于一种工业仪器，也可能用于汽车上的一种电子装置：而 通用计算机是为服务于人的办公、计算、游戏等需要而设计的、考虑了人们的多 种需求：嵌入式系统通常只运行存储在r o m 或闪存( f l a s h ) 中的可执行映像， 而通用计算机可以加载、运行磁盘上的各种软件，因而嵌入式系统一般来说体积 比通用计算机小。 ( 2 ) 嵌入式系统中硬件配置是根据系统性能指标来选择的，除了附加调试接 口外，没有多余的硬件资源。因此，相对于通用计算机来说，嵌入式系统功能相 对专一，没有其他的附加功能。 ( 3 ) 在设备资源少、控制简单的嵌入式系统中，如某些单片机系统、可执行 映像可能只是支持中断的监控程序，这时的监控程序必须担当管理系统软硬件资 源的职责；当系统资源多、功能复杂时，可执行映像可以按操作系统和应用程序 丽部分来组织，操作系统管理资源、为应用程序提供系统调用，从而应用程序的 实现就可以大为简化，这样既提高了系统的可靠性，又缩短了软件的开发周期： 而通用计算机都无一例外地安装了操作系统，为用户提供操作平台： ( 4 ) 嵌人式系统一般是实时系统，因为在嵌入式应用中大多是属于过程控 制，这些领域要求的实时性很强，比如汽车的刹车防抱死装置等。实时系统中的 嵌入式操作系统必须是嵌入式实时操作系统： ( 5 ) 嵌入式系统是高可靠的独立运行系统。嵌入式系统一般不与人交互、独 立运行，所以系统稳定性要好、并有自动纠错能力、在军事、航空航天等关键领 域尤其强调高可靠性。 ( 6 ) 嵌入式系统软硬件结合紧密。在嵌入式系统软硬件体系结构内部、各层 次、模块之间的锅台度比通用计算机强、这是嵌入式系统要求高效的结果，而通 用计算机出于可扩展等要求更强调系统的模块化、层次化和标准化。 ( 7 ) 嵌入式系统与外界的接口设备都是针对具体应用的设备，往往具有特殊 性不同应用领域之间差别很大，不同系列的c p u 在体积、外中断源、支持的总 线结构等方面不同，嵌入式系统可以按需选择某种c p u ，比如a r m ，p o w e r p c ，d s ? 等。而在通用计算机中外设与主机的接口都已标准化，c p u 外中断源和主机总 线结构没太多变化。因而，与各档次通用计算机相比，嵌人嵌入式系统开发采用 独特的宿主机目标机模式、在这个环境下调试好目标机的硬件和软件，才能使目 标机( 最终的嵌入式系统) 脱离开发环境，独立运行。 1 3 2 2 嵌入式系统软硬件现状 嵌入式系统由硬件处理器和软件操作系统两部分构成，嵌入式处理器目前 第一章 浙# j ：大学硕f ：学位论文 绪论 主要有a r m 系列、p o w e rp c 、s c 4 0 0 、3 8 6 e x 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a m l 8 6 8 8 等， 其中a r m 处理器是应用最广泛的硬件处理器之一。a r m 是一家英国的芯片设 r 1 1 计公司，该公司既不生产也不销售芯片，只出售芯片技术授权1 。采用a r m 核的嵌入式处理器是一种高性能、低功耗的r i s c 芯片，广泛应用于无线产品、 p d a 、g p s 、网络、消费电子产品及智能卡，基于a r m 技术的处理器已经占掘 了3 2 位r i s c 芯片7 5 的市场份额。嵌入式处理器生产的三大巨头是i n t e l 、 m o t o r o l a 、t i ，在最近几年中，i n t e l 与t i 在高端应用上下了大力气，而m o t o r o l a 相对紧守低端市场，i n t e l 公司的s t r o n g a r m 和x s c a l e 系列芯片就是基于a r m 技术的嵌入式处理器。目前a r m 处理器已在互联网、消费电子、汽车电子中得 到，1 泛应用。例如现在s 级的梅塞德斯轿车，每辆车内平均安装有6 5 个微处理 器。b m w7 系列轿车，则平均安装有6 3 个微处理器，车前的大灯和车后的尾灯 都是用微处理器控制的。智能化的侧视镜，与光学传输系统相连接，可以指向车 的下面。驾车人在倒车时，可以从车内看清车下的情况。车内的音响，与传感器 和控制器相连，可以根据具体情况自动调节音响的音量，使得输出电平适量地超 出车内环境噪音的电平【”。 嵌入式操作系统( e m b e d d e do s ) 在嵌入式系统中是一个承上启下的结构， 作为嵌入式系统的指挥部，嵌入式操作系统统管系统的所有硬件资源，同时为嵌 入式应用软件提供软接口( 体现为一系列的a p i ) 。一般的，由于应用环境限制 的缘故，嵌入式操作系统对实时性要求比较高，系统容量不大( 系统存储空间有 限) 。国外有大量的嵌入式实时操作系统( r t o s ) ，常见的有w i n c e 、l i n u x 、u c o s 、v x w o r k s 等，国内同样也开发了不少产品：北京凯思吴鹏的h o p e n 、中科 院计算所的e e o s 、西安易捷的e j e o s 、广州博利思的嵌入式“c l i n u x 、p e n c i l 、 浙大的i - i b o s 等。上述介绍的r t o s 中， q x w o r k s 是美国风河公司( w i n d r i v e r s y s t e m s ) 的产品，浚产品在美国市场份额为第一，美国宇航局火星探测器中使 用的嵌入式r t o s 就是v x w o r k s ，但价格比较高。微软公司的w i n c e ，嵌入但 不够实时，属于软实时操作系统，主要用于p d a 产品，目前p d a 市场中的操作 系统基本上都使用该产品。而l i n u x 系统和uc o s 由于其源代码公丌，无需任何 费，开发移植方便，占用内存较少等优点受到了众多用户和开发者的欢迎，因此 这两种免费操作系统应用最为广泛。 1 3 3 数据采集处理子系统 第一章 塑些叁! ! ! 堡堂垡笙奎一堕坠 故障诊断系统的采集处理方法较多，根据不同的需要以及现场的工作情况系 统会采用基于不同处理器的方案，图1 3 6 1 为基于n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 图1 3 基于l a b v i e w 的信号采集处理系统 公司虚拟仪器l a b v i e w 的信号采集处理系统，该系统用于工业现场的信号的采 集，主要优点是低成本，易于扩展，另外n i 公司提供的可视化工具使系统编写 界面更方便直观。 图1 - 4 1 7 1 为基于d s p 和f p g a 的信号采集处理系统，该系统主要用于高速 图1 - 4 基于f p g a 和d s p 的高速信号采集处理系统 信号采集和处理，因此所用的均为适应高速信号处理器件。例如这个系统利用 f p g a 的硬件处理的高速优点，实现高速信号的采集，同时利用d s p 的强大信 号处理功能实现高速信号的处理工作。 本系统信号采集处理模块要实现的功能为及时、充分、准确地采集多路状态 信号，对采集来的信号进行实时处理，具有数据传输功能，按系统的要求传送数 据到嵌入式模块中。现在常用的采集方式是在p c 机或工控机内安装数据采集卡， 例如a d 卡及r s 4 2 2 卡、r s 一4 8 5 卡。另一种方式是采用基于m c u 或m p u 的数据采集模块，利用p c i 总线将数据传输到服务器或p c 机中。另外，随着网 第一章 9 浙江大学硕十学位论文 绪论 络技术的发展，采集系统可以通过工业以太网技术将数据传输到远程的服务器 中。以上几种方式中，采集仁不仅安装麻烦，易受机箱内环境的影响，而且由于 受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备，而采用以太 网技术则需要增加以太网控制器，而且也存在着安装麻烦的问题。而通用串行总 线( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ，简称u s b ) 的出现以其速度较快、可靠性好、支持即插 即_ i = j 及扩展性好等优点给数据传输带来了极大的方便，很好地解决了以上这些冲 突。本系统数据采集模块基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ) 和u s b 总线技术， 再加上a d 采样芯片，s d r a m 、f l a s h 等d s p 外围器件构成。d s p 芯片是专 用于数字信号处理的器件，在硬件上采用了专门针对于数据运算操作的设计，如 硬件乘法器，桶型移位器等1 ，以及由专门的功能单元完成特定数学计算，流 水线结构等，因此d s p 具有良好的信号处理功能，同时d s p 的内部总线采用哈 佛结构，分离了数据流和指令流，提高了运算效率和控制功能。而u s b 总线技 术具有高速，支持即插即用功能，不易受到干扰等优势。因此将d s p 处理器和 u s b 总线构成本模块的主要结构，能够充分利用硬件优势，实现方便数据的处 理，提供实时的采集、处理等控制功能，更能方便地实现数据传输。本系统主要 的控制和处理工作都由d s p 处理器完成。d s p 处理器要完成的任务为控制a d 采样，信号处理，以及实现与u s b 的数据通讯任务，同时还要接受上位机传送 的控制信号，并做相应动作。因此针对于任务较多，处理量大的特点，本系统需 要d s p 处理器有较强的运算以及对几个任务进行协调管理的能力，因此对于d s p 的要求较高。系统的实时性要求较高，同时需处理的快变信号精度为1 2 位，因 此精度高、速度快是选择d s p 的原则。d s p 可分为定点和浮点两大类，进行算 术操作操作时，定点d s p 芯片使用的是小数点位置固定的有符号数或无符号数。 而浮点d s p 进行算术操作时，使用的时带有指数的小数，小数点的位置随着具 r 1 1 体数据的不同进行浮动1 。定点d s p 虽然速度较快但精度较低，而且要考虑有 限字长效应，而浮点d s p 精度较高而且其速度也有大幅提升，并且其价格下降 也比较快，所以浮点d s p 成为主要考虑对象。t i ( t e x a si n s t r u m e n t s 德州仪器) 公司是目前d s p 的最大的生产商，占有目前最大的市场份额，其生产的d s p 市 场占有率近5 0 ，t i 公司生产的d s p 已成为应用最广泛的d s p 。其他的制造商 还包括模拟器件( a n a l o gd e v i c e s ) 公司和摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 公司，但 这两公司的d s p 市场占有率不如t i 公司，因此技术支持和升级换代不如t i 公 司的d s p 方便。本系统根据上述原则方案拟选用n 公司高性能的浮点d s p 芯片 作为采集处理系统的主处理器。数据采集处理模块直接面向监测对象，信号的采 集功能是模块的基本核心功能。大型机电设备种类很多，不同的设备采集要求不 同，信号种类和信号量多少也有区别。本模块专门针对机电设备，因此模块应具 第一章 1 0 浙江人学硕+ 学位论文 绪论 有一定的通用性，应能满足多种设备数据采集的要求，并对采集信号的种类和数 量应有一定的要求。 1 4 本论文的主要工作 嵌入式在线监测与故障诊断系统面向的刘象是大型机电设备，如透平压缩 机、鼓风机等大型设备，目的是提供一个针对这些大型设备安全、可靠的实时状 态监测与故障诊断智能仪器。本论文工作主要针对数据采集处理模块，该模块是 嵌入式系统的前端，所采集的信号是系统的数据来源，同时也是系统判断对象运 行状态的依据，所以本信号采集模块研发目标是提供一个稳定、实时、准确的数 据来源。同时，根据系统要求数据采集模块能满足不同功能硬件配套的功能，本 模块还应作为一个有通用接口和完备信号处理功能的信号采集设备。 对于本系统采集的信号，根据其特性分为快变信号、慢变信号和开关量信号， 这三种信号可以反映绝大多数设备的运行特征。本模块采集的信号按如下指标： 1 ) 快变信号：通道晟高采样频率为1 8 k h z ，以满足现场最高速度6 0 0 0 r p m 每转 采6 4 点的要求。每通道单端模拟量输入，输入电压范围o 5 v ，o 2 0 m a 两 种。 2 ) 慢变信号：单端模拟量输入，信号输入电压范围o 5 v ，o 2 0 m a 两种。 3 ) 一路键相脉冲信号：脉冲信号最高频率为1 0 e h z 。此信号作为快变信号采样 的触发脉冲，也是设备旋转速度的计算标准。 4 ) 开关量信号：开关量信号采集。 为实现系统目标，信号采集处理模块要实现的功能为及时、充分、准确地采 集多路状态信号，对采集来的信号进行实时处理，具有数据存储能力，按系统的 要求传送数据到上位机。作为系统的信号源，本模块最重要的任务是为上位机提 供可靠，充分的数据，并且，对于快变信号( 如振动信号) ，系统要提供适用的 信号处理算法以便实时处理。作为一个相对独立的模块，本信号采集处理模块自 身也是一个功能完备的系统，作为一个独立的系统，本模块也应和其他系统一样 要具备方便增加采样通道，容易移植入其他系统的功能，即具备扩展、通用的功 能。本信号采集及处理系统完成后，不仅应能适用于本嵌入式系统或者其他嵌入 式系统，而且应能在做少量修改的情况下单独作为针对其他对象的信号处理系 统。在于提供一个应用于工业的实用的解决方案，并作为一个实现项目要求功能 产品的原型，并为以后大规模生产和产品的升级打下基础。 本论文的具体内容如下： 1 ) 以d s p 为主控制器，实现快变、慢变、鉴相和丌关信号的采集工作； 2 ) 制定数据包传输格式，实现两模块之问的数据通讯； 第一章 浙江大学硕1 j 学位论文绪论 3 ) 设计数据采集模块的硬件电路，编制d s p 及f p g a 软件程序 4 ) 本模块的p c b 版布线及调试工作。 5 ) 对未来工作的展望 第一章1 2 堑婆盔堂堡堂焦迨塞 垫堕坌堑堡堕丝塑堇塑耋盐 第二章故障分析诊断及其相关技术 本章主要介绍故障诊断的相关技术现状以及系统实现的关键芯片介绍，并介 绍了基于d s p 的信号处理系统的方案和主要结构以及系硬件实现方法。 2 1 故障分析诊断技术 所谓机电设备故障诊断技术，其含义是：“定量地掌握设备状态( 指：设 备所受的应力，故障和劣化，强度和性能等) ；预测设备的可靠性和性能； 如果存在异常，则对其原因、部位、危险程度等进行识别和评价，决定其修i f 方 法。， 从系统的观点来看，故障包括两层含义：是机械系统偏离正常功能，它 的形成原因主要是机电系统的工作条件不正常而产生的，通过参数调节，或零部 件修复又可回复正常；二是功能失效，是指系统连续偏离正常功能，且其程度不 断加剧，使机电设备基本功能不能保证，则称之为失效1 。 机电设备是一个动态随机过程，其故障有下述两个特点： 1 ) 设备运行过程是动态过程，其本质是随机过程。此处“随机”一词包含两层 含义：( 1 ) 是在不同时刻的观测数据是不可重复的。说现在时刻机器的工作状 态和过去某时刻没有变化只能理解为其观测值在统计意义上没有显著差别； ( 2 ) 是表征机器工况状态的特征值不是不变的，而是在一定范围内变化。即使 同型号的设备出于装配、安装及工作条件上的差异，也往往导致机器的工况 状态及故障模式改变。因此，研究工况状态必须遵循随机过程的基本原理。 2 ) 从系统特征来看，除了设备的连续性、离散性、间歇性、缓变性、突发性、 随机性、趋势性和模糊性等一些特性外，机电设备都是由成百上千个零部件 装配而成，零部件问相互耦合，这就决定了机电设备故障的多层次性，一种 故障可能由多层次故障原因所构成。 故障与现象之间没有简单的对应关系，所以故障诊断方法也因设备不同而 各异，现有的故障诊断法分为三方面1 ： 1 ) 按诊断环境分：离线人工分析、诊断和在线计算机辅助监视诊断 a ) 离线分析、诊断是故障诊断中的一种类型或一种工作模式，对设备运行 状态是定期地进行一次监测与诊断。离线监测与诊断系统的工作方式通 常是先在实验室或计算机房通过计算机对数据采集器进行巡检路径组态 第二章 浙江人学硕士学位论文 故障分析诊断及其相关技术 设置，然后单独将数据采集器带到现场进行数据采集、存贮。待数据采 集完毕后，再将数据采集器带回实验室与计算机联机，然后将数据采集 器中的数据上载到计算机并存入数据库中进行集中管理和分析、处理。 b ) 在线监测工作模式与离线方式不同，不是单独将数据采集器带到现场， 采集后拿到分析中心进行分析，而是直接将采集设备与分析、诊断计算 机联网，采集、分析、显示在线完成。这种系统要求对出现的故障作出 快速、敏捷的判断，防止事故扩大，因而对时间要求较严，实时性要求 比较高。 2 ) 按检测手段分； a ) 振动检测诊断法：以机器振动作为信息源，在机器运行过程中，通过振 动参数的变化特征判别机器的运行状态； b ) 噪声检测诊断法：以机器运行中的噪声作为信息源，在机器运行过程中， 通过噪声参数的变化特征判别机器的运行状态，但易受环境噪声影响； c ) 温度检测诊断法：以可观测的温度作为信息源，在机器运行中，通过温 度参数的变化特征判别机器的运行状态； d ) 压力检测诊断法：以机械系统中的气体、液体的压力作为信息源、在机 器运行过程中，通过压力参数的变化特征判别机器的运行状态； e ) 声发射检测诊断法：金属零件在磨损、变形、破裂过程中产生弹性波， 以此弹性波为信息源、在机器运行过程中。分析弹性波的频率变化特征 判别机器的运行装态： f ) 润滑油或冷却液中金属含量分析诊断法：通过润滑油或冷却液中余属含 量的变化、判别机器的运行状态； g ) 金相分析诊断法：某些运动的零件，通过对其表面层金属显微组织，残 余应力，裂纹及物理性质进行检查