（热能工程专业论文）便携式振动测试系统的研究.pdf

华北电力人学 ( 北京)硕 f 学位论文 摘要 高性能单片机尤其是d s p芯片的采用及用户技术要求的不断提高， 使得振动信 号采集系统的功能越来越完善。在比较了国内外信号采集器的发展现状后，开发研 制了一种基于定点d s p芯片 t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2的便携式振动信号测试系统。该系统 可进行四通道高速同步采样，u s b数据通讯。 配合上位测试软件，可在现场完成对 振动信号的采集、波形显示等功能。本论文详细介绍了振动信号采集系统各部分的 组成和特点。 关键词:数据采集，d s p ，信号处理，振动，故障诊断 abs t ract a p p li c a t io n o f h i g h - p e r f o r m a n c e s i n g l e c h i p , e s p e c i a l l y c h i p s w i t h d s p f u n c t i o n a n d c o n t i n u o u s e n h a n c e m e n t o f u s e r s t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t h a v e m a d e f u n c t i o n s o f d a t a a c q u i s i t i o n m o r e a n d m o r e p e r f e c t . t h e d e v e l o p m e n t o f s i n g l e c h ip s a n d d a t a c o l l e c t o r s a t h o m e a n d t h a t o f o v e r s e a s c o m p a r e d , a k i n d o f v i b r a t i o n t e s t s y s t e m , b a s e d o n d s p , i s r e s e a r c h e d . a n d t h e f u n c t i o n s d a t a a c q u i s i t i o n a n d d i s p l a y o f v i b r a t i o n s i g n a l i s v a l i d a t e d i n p r a c t i c e , h i g h - s p e e d d a t a c o l l e c t i o n a n d u s b i n t e r f a c e t e c h n o l o g y a r e t h e c h a r a c t e r i s t i c s . t h e s t r u c t u r e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f th is v i b r a t io n s ig n a l g a t h e r s y s t e m a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l i n t h i s p a p e r . z h a n g z h i ( t h e r m a l p o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . h e q i n g k e y w o r d s : d a t a a c q u i s i t i o n , d s p , s i g n a l p r o c e s s i n g , v i b r a t i o n , f a u l t s d i a g n o s i s 华北电力人学 ( 北京)硕 i s 学位论文 摘要 高性能单片机尤其是d s p 号采集系统的功能越来越完善。 芯片的采用及用户技术要求的不断提高， 使得振动信 在比较了国内外信号采集器的发展现状后， 制了一种基于定点 d s p芯片 可进行四通道高速同步采样， t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2的便携式振动信号测试系统。 开发研 该系统 u s b数据通讯。 配合上位测试软件，可在现场完成对 振动信号的采集、波形显示等功能。本论文详细介绍了振动信号采集系统各部分的 组成和特点。 关键词:数据采集，d s p ，信号处理，振动，故障诊断 abs t ract a p p lic a t io n o f h i g h - p e r f o r m a n c e s i n g l e c h i p , e s p e c i a l l y c h i p s w i t h d s p f u n c t i o n a n d c o n t i n u o u s e n h a n c e m e n t o f u s e r s t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t h a v e m a d e f u n c t i o n s o f d a t a a c q u i s i t i o n m o r e a n d m o r e p e r f e c t . t h e d e v e l o p m e n t o f s i n g l e c h i p s a n d d a t a c o l l e c t o r s a t h o m e a n d t h a t o f o v e r s e a s c o m p a r e d , a k i n d o f v i b r a t i o n t e s t s y s t e m , b a s e d o n d s p , i s r e s e a r c h e d . a n d t h e f u n c t i o n s d a t a a c q u i s i t i o n a n d d i s p l a y o f v i b r a t i o n s i g n a l i s v a l i d a t e d i n p r a c t i c e , h i g h - s p e e d d a t a c o l l e c t i o n a n d u s b i n t e r f a c e t e c h n o l o g y a r e t h e c h a r a c t e r i s t i c s . t h e s t r u c t u r e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f th is v i b r a t io n s ig n a l g a t h e r s y s t e m a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l i n t h i s p a p e r . z h a n g z h i ( t h e r m a l p o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . h e q i n g k e y w o r d s : d a t a a c q u i s i t i o n , d s p , s i g n a l p r o c e s s i n g , v i b r a t i o n , f a u l t s d i a g n o s i s y7 1 3 2 0 2 倒匕口口 尸af 月 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 便携式振动测试系统的研究 ， 是本 人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 据本人所知，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己 经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力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 任何贡献均已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 :效 日 期 :洲女 . 7 s 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文: 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为 目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同 意学校可以 用不同方式在不同媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的 学位论文在解密后遵守此规定) 作 者 签 名 : 拟 v导师签名过茸 奉 日期:w- s . i i犷日期:口妙犷 各 、 丁 华北电力大学 ( 北京)硕_ j 一 学位论文 第一章 引言 1 . 1状态监测与故障诊断的研究意义和发展 设备的不断完善化，复杂化和自 动化，一方面大大促进了生产的发展，主要表 现在提高了生产效率和改善了工人劳动条件，同时也节约了能源和精简了人员:另 一方面也潜伏着很大的危机，即一旦发生故障，不仅会造成经济上的巨大损失，而 且还会引起社会上的严重灾害。随着生产的飞速发展和设备数量的迅速增长，这一 危机造成的后果越来越严重，影响越来越突出，国内外就曾发生过多起因设备故障 而导致的爆炸、断裂、倒塌、泄漏等恶性事故，这些严重的灾难性事故不但造成了 巨大的经济损失，而且导致了很大的人员伤亡和环境污染，在社会上引起了强烈的 反响。如 1 9 7 2 年日 本关西电力公司南海电厂，3 号机组6 0 0 m w汽轮发电机组因振 动引起严重的断轴毁机事件。1 9 8 5年我国大同电厂和 1 9 8 8年我国秦岭电厂的 2 0 0 mw 汽轮发电 机组的严重断轴毁机事件，都造成了巨 大的经济损失。因此保证 设备的安全稳定运行，消除事故，是十分迫切的问题。这一客观形势促使了状态监 测与故障诊断这门新的技术与学科的诞生和兴起， 这一新的技术与学科的根本宗旨 就是运用当代一切科技的新成就去发现设备的隐患， 以 期对设备事故 防患于未然( 1 1 状态 监 测与 故 障 诊断 2 1 ( c o n d it i o n m o n i t o r i n g a n d f a u l t s d i a g n o s i s ) 从字 面 上 解 释，应包含两方面的内容:一是对设备的运行状态进行监测;二是在发现异常后对 设备的故障进行分析、诊断，显然这两者是不可分割的。“ 设备故障诊断概念”形 成于近 2 0年，特别是 “ 英国机械健康监测组织与状态监测协会 ( u .k .mh m g二是在发现异常后对 设备的故障进行分析、诊断，显然这两者是不可分割的。“ 设备故障诊断概念”形 成于近 2 0年，特别是 “ 英国机械健康监测组织与状态监测协会 ( u .k .mh m g 二是以 通用p c 为基础，增加测试功能、数字接口和控制接口，充分利用计算机图形显示、数据处 理、外设接口、和软件等功能，通常仪器用户界面就是计算机界面如wi n d o w : 等。 其中，第一种设计思想被智能化仪器所采用。即测试仪器的智能化设计发展方向: 第二种设计思想是近年来的最新发展，即仪器的虚拟化发展方向 ( 3 1 ( 1 ) 仪器的智能 化发展 计算机技术和微电子器件在测量技术中的应用非常广泛，在此基础上发展起来 的智能仪器无论是在测量的准确性、灵敏度、可靠性、自 动化程度、运用功能方面 或在解决测量技术问题的深度和广度方面都有了巨大的发展，以一种崭新的面貌展 示在人们面前。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能向 测 量技术的移植或应用，智能仪器将会有更大的发展，测量仪器的智能化己经是现代 华北电力 大学 ( 北京) i i 七 学位论文 英国机械保健中心 ( u k me c h a n i c a l h e a l t h mo n i t o r c e n t e r )开始的，在宣传、培似 q . 咨 询、资料交流及诊断技术的开发方面取得了很好的成效。设备诊断技术在欧洲其 他一些国家也有很大发展， 它们各自具有特色或占据世界领先地位。如瑞典的s p m 轴承检测技术，挪威的船舶诊断等。与此同时还出现了一些专业性的诊断仪器和监 测系统制造厂商，如丹麦的 b 二是以 通用p c 为基础，增加测试功能、数字接口和控制接口，充分利用计算机图形显示、数据处 理、外设接口、和软件等功能，通常仪器用户界面就是计算机界面如wi n d o w : 等。 其中，第一种设计思想被智能化仪器所采用。即测试仪器的智能化设计发展方向: 第二种设计思想是近年来的最新发展，即仪器的虚拟化发展方向 ( 3 1 ( 1 ) 仪器的智能 化发展 计算机技术和微电子器件在测量技术中的应用非常广泛，在此基础上发展起来 的智能仪器无论是在测量的准确性、灵敏度、可靠性、自 动化程度、运用功能方面 或在解决测量技术问题的深度和广度方面都有了巨大的发展，以一种崭新的面貌展 示在人们面前。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能向 测 量技术的移植或应用，智能仪器将会有更大的发展，测量仪器的智能化己经是现代 华北电力大学 ( 北京)硕 十学位论文 仪器仪表发展的主要方向之一。 c p u为仪器的核心，它通过总线及接口电路与输入通道、 输出通道、仪器面板 及仪器内存相连。 e p r o m及r a m组成的仪器内存保存仪器所用的监控程序、 应用 程序及数据区。中断申请可以使仪器能够灵活反应外部事件。仪器的输入信号要经 过输入通道即预处理部分才能进入仪器c p u部分， 输入通道包括输入放大器， 滤波 器，采样保持器，a / d转换器等部分，这部分是决定仪器测量精度的关键部位。对 于仪器的模拟输出部分，则需通过输出通道，包括d / a转换器， 采样保持器， 滤波 器等部分。仪器的数字输出可以通过显示器或者打印机、磁盘等输出。外部通讯接 口则是本仪器与外部系统设备的联系通道。 智能仪器以及计算机系统本身的发展使得其硬件结构及软件内涵越来越复杂， 其智能作用很大程度上取决于测量软件的设计。而几十年来智能仪器虽然有了巨大 发展，但总的来看，设计者还是比较习惯于从硬件的角度来进行工作，目前电子元 器件不断迅速更新及计算机技术迅猛发展，现阶段测试任务的日 益繁琐，使得仪器 对硬件资源的要求越来越高，在这种情形下，这种设计趋势仍然会继续下去，但从 智能仪器的内涵，从软件的角度来看，软件的作用远没有发挥出来，有很多的领域 等待着开发。智能仪器最终必然会和人工智能联系，真正创造出全新的仪器。 ( 2 ) 仪器发 展的 虚 拟化方向 仪器技术与计算机技术深层次的结合便创造了虚拟仪器的概念， 虚拟仪器使计 算机资源，仪器硬件与用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的应用软件有机的 结合。简而言之，v i ( 虚拟)系统使由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。用户 可以通过友好的图形界面操作计算机， 如同操作功能相同的单台传统仪器一样。 v i 以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件对 数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。与传统非数字化仪器相比，虚拟仪器 具有许多优点和优势。首先 v i 具有极大的灵活性，给定计算机的运算能力和必要 的仪器硬件后，构造和使用 v i 的关键在于应用软件，应用软件为用户构造、使用 v i 提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口 和用户接口。所以在一定程度上 v i 是硬件的软件化， 只要改变软件内 容， 就可以改变v i 的功能和应用场合， 例如: 虚拟信号分析仪，可以用于桥梁振动测试，用于频谱分析等。因为它们的数据采集 功能基本相同，应用不同的软件可以完成不同的功能。其次是 v i的模块化，从虚 拟仪器的体系结构上，将其分为不同的模块，例如:数据采集与控制模块，数据分 析模块等，这样用户就可以选用不同的功能模块，为自己研究开发的项目 设计、构 造高性能的测试系统。第三，v i 的前面板设计形象、 方便，随着计算机软件的日益 强大，软件库可以 提供丰富的按钮、旋钮、箭头等控件图标，设计更加形象的 v i 前面板变得越来越容易。先进的计算机技术，使 v i 前面板比传统仪器面板更加形 象、合理。 华北电力大学 ( 北京)硕 七学位论文 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出。软件才是整个仪器 的关键。它由 用户自己设计和定义，可满足用户的特殊要求。由于软件是关键， 可 以很方便地改变软件来适应不同的要求，进而改变、增强仪器系统的功能和规模， 使得功能更加灵活、强大，且易于与网络、外设及其它应用连接;还可以很快地跟 上计算机的发展，升级、重建自己的仪器，进而节省研发费用。所以有 “ 软件就是 仪器”之说。 虚拟仪器技术的提出和发展， 标志着二十一世纪自 动测试与电子测量仪器技术发展 的一个重要方向， 虚拟仪器虽然诞生只有十几年的历史， 但它的发展速度是惊人的。 计 算机技术的发展为v i 的发展奠定了物质基础，软件又赋予其极大的灵活性和高度的自 动化。计算机与仪器的结合，具有无穷的发展潜力， v i 技术有很大的发展前途，为测 试人员提供更加良 好的测试环境。 1 .3振动测试与故障诊断技术 机械振动是一种常见的物理现象，如桥梁、机床的振动，钟摆的摆动，飞机机 翼的颤动， 汽车运行时发动机和车体的振动等。 振动的存在会影响机器的正常运转， 使机床的加工精度、精密仪器的灵敏度下降，严重的还会引发机器或建筑结构的毁 坏;此外，还会引发噪音、污染环境，这是不利的一面。另一方面，人们利用机械 振动现象的特征，设计制造了众多的机械设备和仪器仪表，如振动筛选机、振动研 磨机、振动输送机、振动打桩机、钟表计时仪器等等。随着机械设备向着大型、高 速高效和自 动化诸方面发展，需要分析处理的振动问题愈来愈重要4 。因此，需要 对振动信号进行采集、分析。 测量信号和动态数据的处理与分析，是设备故障诊断的前提和基础。它们代表 了系统的状态和特征，利用振动信号对故障进行诊断，是设备故障诊断方法中最有 效，也是最常用的方法。机械设备和结构系统在运行过程中的振动及其特征信息是 反映系统状态及其变化规律的主要信号，通过各种动态测试仪器拾取、记录和分析 动态信号，是进行系统状态监测和故障诊断的主要途径。 机械设备故障诊断仪器和系统的开发是为该项技术 ( 设备故障诊断技术)的发 展服务， 注重于信号的采集和处理方法的研究，并逐步开始以 微机为架构，开发出 不同类型的以 频谱分析为主的振动信号分析系统。随着机械行业对信号处理技术的 认识和掌握，以及微型计算机、 单片机、 单板机的普及， 开始出现以微机、 单板机、 单片机为结构的适用于现场测试使用的监测和分析系统。 数据采集器就是面向现场的手持式振动采集分析仪器。随着设备高度密集型产 业的规模不断扩大， 以及自 动化、 智能化仪器的广泛推广， 数据采集器在设备检测、 故障诊断中应用越来越广泛，性能也不断提高，其在工业生产中发挥的作用也越来 华北电力大学 ( 北京)硕 七学位论文 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出。软件才是整个仪器 的关键。它由 用户自己设计和定义，可满足用户的特殊要求。由于软件是关键， 可 以很方便地改变软件来适应不同的要求，进而改变、增强仪器系统的功能和规模， 使得功能更加灵活、强大，且易于与网络、外设及其它应用连接;还可以很快地跟 上计算机的发展，升级、重建自己的仪器，进而节省研发费用。所以有 “ 软件就是 仪器”之说。 虚拟仪器技术的提出和发展， 标志着二十一世纪自 动测试与电子测量仪器技术发展 的一个重要方向， 虚拟仪器虽然诞生只有十几年的历史， 但它的发展速度是惊人的。 计 算机技术的发展为v i 的发展奠定了物质基础，软件又赋予其极大的灵活性和高度的自 动化。计算机与仪器的结合，具有无穷的发展潜力， v i 技术有很大的发展前途，为测 试人员提供更加良 好的测试环境。 1 .3振动测试与故障诊断技术 机械振动是一种常见的物理现象，如桥梁、机床的振动，钟摆的摆动，飞机机 翼的颤动， 汽车运行时发动机和车体的振动等。 振动的存在会影响机器的正常运转， 使机床的加工精度、精密仪器的灵敏度下降，严重的还会引发机器或建筑结构的毁 坏;此外，还会引发噪音、污染环境，这是不利的一面。另一方面，人们利用机械 振动现象的特征，设计制造了众多的机械设备和仪器仪表，如振动筛选机、振动研 磨机、振动输送机、振动打桩机、钟表计时仪器等等。随着机械设备向着大型、高 速高效和自 动化诸方面发展，需要分析处理的振动问题愈来愈重要4 。因此，需要 对振动信号进行采集、分析。 测量信号和动态数据的处理与分析，是设备故障诊断的前提和基础。它们代表 了系统的状态和特征，利用振动信号对故障进行诊断，是设备故障诊断方法中最有 效，也是最常用的方法。机械设备和结构系统在运行过程中的振动及其特征信息是 反映系统状态及其变化规律的主要信号，通过各种动态测试仪器拾取、记录和分析 动态信号，是进行系统状态监测和故障诊断的主要途径。 机械设备故障诊断仪器和系统的开发是为该项技术 ( 设备故障诊断技术)的发 展服务， 注重于信号的采集和处理方法的研究，并逐步开始以 微机为架构，开发出 不同类型的以 频谱分析为主的振动信号分析系统。随着机械行业对信号处理技术的 认识和掌握，以及微型计算机、 单片机、 单板机的普及， 开始出现以微机、 单板机、 单片机为结构的适用于现场测试使用的监测和分析系统。 数据采集器就是面向现场的手持式振动采集分析仪器。随着设备高度密集型产 业的规模不断扩大， 以及自 动化、 智能化仪器的广泛推广， 数据采集器在设备检测、 故障诊断中应用越来越广泛，性能也不断提高，其在工业生产中发挥的作用也越来 华北电力人学 ( 北京) 硕 i 学位论文 越得到企业的承认。 伴随着检测诊断技术的不断发展，传统意义上的振动测试仪表己无法更好地满 足工业现场的需要，通常所谈到的振动测试分析，往往是一套采用交流供电的复杂 测试系统，由传感器、电荷放大器、采集分析仪等一系列复杂设备组成，其繁杂的 操作程序，非专业人员很难掌握，即使是专业人员操作也经常由于主观或客观的偶 然因素造成测试结果的不准确。另外，工业现场的客观条件，也会对测试仪表的安 装使用造成很大的影响，特别是在一些有防爆要求的场合，一般的测试仪表已远远 不能满足测试的需要。因此，多年以来对振动的采集处理及设备的诊断工作都集中 在各高等院校，研究机构等部门。设备诊断理论和信号分析技术远远没有真正走进 工厂的大门，也远不能适应企业大工业化生产的需要。数据分析仪正是适应了实际 生产的需要而产生的面向企业实际的高科技产品。 随着科技的进步，特别是微电子技术的迅猛发展，嵌入式单片机的采用使采集 分析、存储为一体的数据采集器/ 分析仪的出现为可能。数据采集器/ 分析仪是一种 电池供电的袖珍仪器，体积小、重量轻、可方便的用于工业现场的振动信号的采集 和分析，存储所需的数据，需要时可将所存的数据传送给计算机进行更详细的处理 与分析。例如，建立维修数据库等。配合相应的故障诊断专家系统，可完成对设备 的自动精密的故障诊断。 数据采集器/ 分析仪的出现极大地推动了设备故障诊断技术 的应用， 产生了巨大的经济效益和社会效益。 手持袖珍式振动数据采集器/ 分析仪的 应用已 经成为当今最常用的工业设备状态监测与故障诊断方式 。 1 .4振动信号采集/ 分析器的发展 振动信号数据采集器15 1 最早由国外厂家推出，并于八十年代后期开始进入我国 市场，经过二十多年的不断发展，己形成多品种、多档次的信号采集产品系列。最 初的信号采集器以八位单片机为核心，随着微电子技术的不断发展，新型单片机的 相继问世，准十六位、十六位、三十二位单片机也为数据采集器生产厂家所采用。 近期， 采用具有d s p 功能芯片的数据采集器己 投入市场。 伴随着高性能单片机的 采 用及用户技术要求的不断提高，数据采集器的功能也越来越完善。 数据采集/ 分析器功能的发展主要体现在以下几个方面: 首先，采样通道由单通道发展到双通道、多通道，采样频率，分辨率，精度逐 步提高，为分析功能的加强提供了前提条件; 第二，分析功能已由简单的振动分析发展到较完善的信号分析系统，时域分析 频谱分析、 传函分析、 相关分析等分析手段为故障诊断提供了丰富的数据， 三维谱、 轴心轨迹、 起停车曲线等直接面对旋转机械故障诊断的分析功能的引入更使振动信 华北电力人学 ( 北京) 硕 i 学位论文 越得到企业的承认。 伴随着检测诊断技术的不断发展，传统意义上的振动测试仪表己无法更好地满 足工业现场的需要，通常所谈到的振动测试分析，往往是一套采用交流供电的复杂 测试系统，由传感器、电荷放大器、采集分析仪等一系列复杂设备组成，其繁杂的 操作程序，非专业人员很难掌握，即使是专业人员操作也经常由于主观或客观的偶 然因素造成测试结果的不准确。另外，工业现场的客观条件，也会对测试仪表的安 装使用造成很大的影响，特别是在一些有防爆要求的场合，一般的测试仪表已远远 不能满足测试的需要。因此，多年以来对振动的采集处理及设备的诊断工作都集中 在各高等院校，研究机构等部门。设备诊断理论和信号分析技术远远没有真正走进 工厂的大门，也远不能适应企业大工业化生产的需要。数据分析仪正是适应了实际 生产的需要而产生的面向企业实际的高科技产品。 随着科技的进步，特别是微电子技术的迅猛发展，嵌入式单片机的采用使采集 分析、存储为一体的数据采集器/ 分析仪的出现为可能。数据采集器/ 分析仪是一种 电池供电的袖珍仪器，体积小、重量轻、可方便的用于工业现场的振动信号的采集 和分析，存储所需的数据，需要时可将所存的数据传送给计算机进行更详细的处理 与分析。例如，建立维修数据库等。配合相应的故障诊断专家系统，可完成对设备 的自动精密的故障诊断。 数据采集器/ 分析仪的出现极大地推动了设备故障诊断技术 的应用， 产生了巨大的经济效益和社会效益。 手持袖珍式振动数据采集器/ 分析仪的 应用已 经成为当今最常用的工业设备状态监测与故障诊断方式 。 1 .4振动信号采集/ 分析器的发展 振动信号数据采集器15 1 最早由国外厂家推出，并于八十年代后期开始进入我国 市场，经过二十多年的不断发展，己形成多品种、多档次的信号采集产品系列。最 初的信号采集器以八位单片机为核心，随着微电子技术的不断发展，新型单片机的 相继问世，准十六位、十六位、三十二位单片机也为数据采集器生产厂家所采用。 近期， 采用具有d s p 功能芯片的数据采集器己 投入市场。 伴随着高性能单片机的 采 用及用户技术要求的不断提高，数据采集器的功能也越来越完善。 数据采集/ 分析器功能的发展主要体现在以下几个方面: 首先，采样通道由单通道发展到双通道、多通道，采样频率，分辨率，精度逐 步提高，为分析功能的加强提供了前提条件; 第二，分析功能已由简单的振动分析发展到较完善的信号分析系统，时域分析 频谱分析、 传函分析、 相关分析等分析手段为故障诊断提供了丰富的数据， 三维谱、 轴心轨迹、 起停车曲线等直接面对旋转机械故障诊断的分析功能的引入更使振动信 华北电力大学 f 北京)硕 扫i 位论文 号采集分析仪进入一个新领域: 第三， 频率分辨率越来越高， 细化功能越来越强， 信号分析的结果越来越精确， 从而更准确地判断出故障的原因; 第四，以d s p 为核心的振动信号采集分析仪集高速数据采集、 传输、 存储、实 时处理于一体自动完成时域、频域等的测试， 进行相关分析、 波形分析、模态分析、 谱估计 以及其他指定的数学模型的分析与估计。它精度高、可靠性好、用户界面 友好，极大地改善了分析仪的处理能力，有着广阔的应用前景。 可以说，振动信号数据采集器的发展已进入一个新阶段。当前，市场上的国外 信号采集器产品主要有美国e n t e k公司的d i - 2 2 0 0 . d p 1 5 0 0 及丹麦 b ( 3 ) 分辨率低，细化功能差。这主要受采样频率、分析点数等的限制，同时 影响了数据采集器的分析精度: c 4 ) 显示功能弱，使用不方便。目 前国内较好的数据采集器显示系统多采用 了点阵的图形液晶， 但点阵较低， 图形粗糙， 许多数据采集器采用数字或字符显示， 无法满足频谱分析的要求。 基于以上原因，各科研单位及信号采集器生产厂家正积极开发新一代的振动信 号数据采集/ 分析器，如采用高性能的嵌入式 1 8 8 / 1 8 6 . 2 8 6芯片，带有数字信号处 理功能的芯片等。 华北电力大学 ( 北京)硕 十 学位论文 1 . 5本文的研究目 的和主要研究内容 随着计算机接口技术的发展和计算机外设的扩展， u s b接口技术迅猛发展。目 前，信号采集分析系统也由i s a , p c i 接口方式向着u s b接口方向发展。特别是， 随着 u s b 2 . 0 协议的出现， 使得 u s b总线速度达到4 8 0 mb l s 。 而且u s b口理论上可 以同时挂接1 2 7 个外设， 可以预测未来的计算机外设可以完全统一到u s b 总线上来。 即使是嵌入式系统目前也大多数支持u s b协议。 由于国产数据采集器的低价格及较稳定的质量，一定程度上满足了部分用户的 需要。随着技术水平的进步，对数据采集器技术性能要求也越来越高。高性能，低 价格的信号采集器已经成为用户的迫切需要。根据数据采集器的现状，以及国内市 场的实际需要，本论文的任务就是研制一种具有高速采集处理功能和多种分析功能 的高性能便携式四通道同步数据采集系统。 本论文针对 d s p的高速处理性能和 u s b口的高速、热插拔性设计了基于d s p 的u s b口信号采集分析系统。该系统主要由信号预处理、a d转换、 u s b接口模块 等组成，通过u s b接口可以实现信号处理模块和上位p c机相通讯。 该系统能在现场对振动信号进行采集，存储，显示和分析。针对这一任务，我 们参考技术情况和智能仪器的设计要求，提出了以下具体要求: ( 1 )必须设计紧凑，精确的硬件系统。c p u使用 d s p芯片，具有体积小， 速度快，低功耗的特点。应有良 好的定点运算能力，大寻址空间，应有 1 m以上的 直接寻址能力，合适的1 / 0口空间; ( 2 ) 适合的开发系统。 包括开发系统的性能， 可靠性， 供应商的技术支持能 力以及可接受的价格; ( 3)多通道同步采样，采样精度高，a / d采样频率高; ( 4)高速、稳定的通讯方式; ( 5 )上位机测试软件部分具有信号波形显示功能。 华北电力火学 ( 北京) 硕注 一 学位论文 第二章 通用串行总线u s b 在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外部设备。每个接口都需要占用计 算机的系统资源 ( 如中断，i / o地址，d ma通道等) 。无论是串口还是并口 都是点 对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需要添加一 个i s a / e i s a或p c i 卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。而u s b 总线的出现恰恰克服了这些缺点，为以计算机为核心数据传输带来了新的发展。 u s b总线是i n t e l , d e c , m i c r o s o f t , i b m等公司联合提出的一种新的串 行总线标准， 主要用于p c机与外围设备的互联。 u s b总线具有低成本、 使用简单、 支持即插即用、易于扩展的特点，已被广泛地用在 p c机及嵌入式系统上。目前， u s b 端口已 成为了 微机主板的标准端口;而在不久的将来，所有的微机外设， 包括 键盘、鼠标、 显示器、 打印机、 数字相机、 扫描仪和游戏柄等等，都将通过u s b与 主机相连。 2 . 1 u s b 总线的特点 2 . 1 . 1 u s b总线的优点 ( 1 )使用简单 所有u s b系统的接口一致， 连线简单。 系统可对设备进行自动检测和配置， 支 持热插拔。新添加设备系统不需要重新启动。 ( 2)应用范围广 u s b系统数据报文附加信息少， 带宽利用率高， 可同时支持同步传输和异步传 输两种传输方式。一个u s b系统最多可以支持 1 2 7 个物理设备。 u s b设备的带宽 可从几k 如 : 到i l m b p s ， 在u s b 2 .0 版本， 最高 可 达几百m b p s 。 一个u s b系统可 同时支持不同速率的设备，如低速的键盘、鼠 标，全速的 i s d n 、语音，高速的磁 盘、图像等 ( 仅u s b 2 .0 版本支持高速设备) 。 ( 3) 较强的纠错能力 u s b系统可实时地管理设备插拔。 在 u s b协议中包含了传输错误管理、 错误 恢复等功能，同时根据不同的传输类型来处理传输错误。 ( 4)总线供电 u s b总线可为连接在其上的设备提供5 v电压/ i 0 0 m a电流的供电， 最大可提供 5 0 0 m a的电 流。 u s b设备也可采用自 供电 方式。 ( 5)低成本 华北电力火学 ( 北京) 硕注 一 学位论文 第二章 通用串行总线u s b 在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外部设备。每个接口都需要占用计 算机的系统资源 ( 如中断，i / o地址，d ma通道等) 。无论是串口还是并口 都是点 对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需要添加一 个i s a / e i s a或p c i 卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。而u s b 总线的出现恰恰克服了这些缺点，为以计算机为核心数据传输带来了新的发展。 u s b总线是i n t e l , d e c , m i c r o s o f t , i b m等公司联合提出的一种新的串 行总线标准， 主要用于p c机与外围设备的互联。 u s b总线具有低成本、 使用简单、 支持即插即用、易于扩展的特点，已被广泛地用在 p c机及嵌入式系统上。目前， u s b 端口已 成为了 微机主板的标准端口;而在不久的将来，所有的微机外设， 包括 键盘、鼠标、 显示器、 打印机、 数字相机、 扫描仪和游戏柄等等，都将通过u s b与 主机相连。 2 . 1 u s b 总线的特点 2 . 1 . 1 u s b总线的优点 ( 1 )使用简单 所有u s b系统的接口一致， 连线简单。 系统可对设备进行自动检测和配置， 支 持热插拔。新添加设备系统不需要重新启动。 ( 2)应用范围广 u s b系统数据报文附加信息少， 带宽利用率高， 可同时支持同步传输和异步传 输两种传输方式。一个u s b系统最多可以支持 1 2 7 个物理设备。 u s b设备的带宽 可从几k 如 : 到i l m b p s ， 在u s b 2 .0 版本， 最高 可 达几百m b p s 。 一个u s b系统可 同时支持不同速率的设备，如低速的键盘、鼠 标，全速的 i s d n 、语音，高速的磁 盘、图像等 ( 仅u s b 2 .0 版本支持高速设备) 。 ( 3) 较强的纠错能力 u s b系统可实时地管理设备插拔。 在 u s b协议中包含了传输错误管理、 错误 恢复等功能，同时根据不同的传输类型来处理传输错误。 ( 4)总线供电 u s b总线可为连接在其上的设备提供5 v电压/ i 0 0 m a电流的供电， 最大可提供 5 0 0 m a的电 流。 u s b设备也可采用自 供电 方式。 ( 5)低成本 华北电 力大 学 北京) 硕 一 学位论文 u s b接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。u s b系统接口/ 电缆也比 较 简单，成本比串口/ 并口 低。 ( 6)一种真正的即插即用设计 支持 u s b的产品只要将连接线接到电脑的u s b插横槽，电脑内部就会自 动分 配地址，不需用户参照系统的硬件设定进行设置。它为 p c机的即插即用提供了极 大的发展空间。 2 . 1 . 2 u s b总线的缺点 u s b技术还不是很成熟， 特别是高速设备。市场上现有的u s b设备价格都比 较昂贵， 但随着u s b技术的日 益成熟， 设备的不断增加和广泛应用， 其价格将会有 所降低 . 另一个问题出在u s b 的电源上，尽管u s b 技术本身可以提供5 0 0 m a 的电力，但 一旦碰到高耗电的设备，就会导致供电不足。解决这个问题的办法仍然是使用多级 h u b . 2 . 2 u s b 2 . 0 概述 2 0 0 0 年以后生产的p c主机几乎都有了u s b插口，最新的p c机还有u s b集 线器 ( h u b ) 和4 - 6 个u s b插口。但这些还是不能满足高速外设对系统的要求。 于 是推出了u s b 2 . 0 标准，其速度比u s b i . 0 / 1 . 1 快4 0 倍，可达4 8 0 m b / s 。使u s b推 广到硬盘、电缆调制解调器、信息家电网络产品和其他的快速外设成为可能。一些 公司己 经开发出支持u s b 2 .0 的 产品，其中， c y p r e s s 半导体公司是u s b控制器的 带头者。 该公司己开发出了称为e z / i j s b f x 2 的单芯片u s b 2 . 0 。 但从整个系统的角 度来考虑，总体来讲，设计一套u s b 2 . 0 系统主要有以下两种方法: ( 1 )多芯片方法 多芯片和a s i c( 专用集成电路) 方法: 使用多芯片方法需要购买u s b 2 . 0 收发 器和串行接口引擎 ( s i e ) ，并把收发器 ( 作为一种外设)与单片机相连接。这时， 单片机要处理许多u s b协议。 当然， 用具有芯片系统的a s i c并在它上面集成全部 必需的部件， 这样能获得更高的集成度， 但是， 这样需要面对应用和如何使用u s b 2 .0 两方面的工作。这意味着设计者需要做更大的努力，并且产品上市时间长。此方法 的好处是最终部件的价格低，因此对大批量生产是有价值的。 ( 2 )单芯片方法 e z / u s b f x 2 的单芯片内有u s b 2 . 0 物理层( p h y ) 电路和基于该公司的e z / u s b f x结构的8 0 5 1 单片机。单片机e z / u s b f x 2 开发u s b 2 . 0 外设具有一定的优势， 华北电 力大 学 北京) 硕 一 学位论文 u s b接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。u s b系统接口/ 电缆也比 较 简单，成本比串口/ 并口 低。 ( 6)一种真正的即插即用设计 支持 u s b的产品只要将连接线接到电脑的u s b插横槽，电脑内部就会自 动分 配地址，不需用户参照系统的硬件设定进行设置。它为 p c机的即插即用提供了极 大的发展空间。 2 . 1 . 2 u s b总线的缺点 u s b技术还不是很成熟， 特别是高速设备。市场上现有的u s b设备价格都比 较昂贵， 但随着u s b技术的日 益成熟， 设备的不断增加和广泛应用， 其价格将会有 所降低 . 另一个问题出在u s b 的电源上，尽管u s b 技术本身可以提供5 0 0 m a 的电力，但 一旦碰到高耗电的设备，就会导致供电不足。解决这个问题的办法仍然是使用多级 h u b . 2 . 2 u s b 2 . 0 概述 2 0 0 0 年以后生产的p c主机几乎都有了u s b插口，最新的p c机还有u s b集 线器 ( h u b ) 和4 - 6 个u s b插口。但这些还是不能满足高速外设对系统的要求。 于 是推出了u s b 2 . 0 标准，其速度比u s b i . 0 / 1 . 1 快4 0 倍，可达4 8 0 m b / s 。使u s b推 广到硬盘、电缆调制解调器、信息家电网络产品和其他的快速外设成为可能。一些 公司己 经开发出支持u s b 2 .0 的 产品，其中， c y p r e s s 半导体公司是u s b控制器的 带头者。 该公司己开发出了称为e z / i j s b f x 2 的单芯片u s b 2 . 0 。 但从整个系统的角 度来考虑，总体来讲，设计一套u s b 2 . 0 系统主要有以下两种方法: ( 1 )多芯片方法 多芯片和a s i c( 专用集成电路) 方法: 使用多芯片方法需要购买u s b 2 . 0 收发 器和串行接口引擎 ( s i e ) ，并把收发器 ( 作为一种外设)与单片机相连接。这时， 单片机要处理许多u s b协议。 当然， 用具有芯片系统的a s i c并在它上面集成全部 必需的部件， 这样能获得更高的集成度， 但是， 这样需要面对应用和如何使用u s b 2 .0 两方面的工作。这意味着设计者需要做更大的努力，并且产品上市时间长。此方法 的好处是最终部件的价格低，因此对大批量生产是有价值的。 ( 2 )单芯片方法 e z / u s b f x 2 的单芯片内有u s b 2 . 0 物理层( p h y ) 电路和基于该公司的e z / u s b f x结构的8 0 5 1 单片机。单片机e z / u s b f x 2 开发u s b 2 . 0 外设具有一定的优势， 华北电 力大 学 北京) 硕 一 学位论文 u s b接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。u s b系统接口/ 电缆也比 较 简单，成本比串口/ 并口 低。 ( 6)一种真正的即插即用设计 支持 u s b的产品只要将连接线接到电脑的u s b插横槽，电脑内部就会自 动分 配地址，不需用户参照系统的硬件设定进行设置。它为 p c机的即插即用提供了极 大的发展空间。 2 . 1 . 2 u s b总线的缺点 u s b技术还不是很成熟， 特别是高速设备。市场上现有的u s b设备价格都比 较昂贵， 但随着u s b技术的日 益成熟， 设备的不断增加和广泛应用， 其价格将会有 所降低 .