（机械电子工程专业论文）基于armdsp的准在线故障诊断系统软件系统关键技术的研究.pdfVIP

摘要 摘要 在对设备进行状态监测时，对采集到的数据进行实时的数据分析处理和故 障诊断在现代企业的设备管理和维护中显得尤为重要。通常企业都是通过在线 系统对大型重大设备进行监测，连续不断的进行数据的采集、处理和故障类型 的分析。但是由于在线系统体积庞大，价格昂贵，且设计相对固定，难以对不 同类型的设备使用。而离线的故障诊断设备虽然方便灵活，但功能较弱，不能 够对采集数据进行实时的分析。为此，研究和开发了基于o m a p 5 9 1 2 的准在线 故障诊断系统，充分借鉴在线诊断系统和离线诊断系统的优点，利用a r m + d s p 双核的特长，使系统既方便、灵活，又具有强大的数据处理功能。 系统采用o m a p 5 9 1 2 作为硬件平台，以开源、可移植的嵌入式l i n u x 作为 操作系统，构建了独特、良好的软硬件体系结构。本文在系统硬件平台上对系 统的主要应用软件模块进行了研究和开发，论文的主要工作包括： 1 建立了系统开发的软件环境。根据o m a p 5 9 1 2 芯片的特点以及系统的外设， 建立了系统的交叉编译环境、对系统硬件引导程序b o o t l o a d e r 的修改和移 植，对嵌入式l i n u x 系统、文件系统进行了与硬件平台对应的修改和移植。 2 设计了系统的显示模块，通过m i n i g u i 设计系统的人机交换界面，使系统 具有高性能、高可靠性和稳定性好的图谱显示。 3 设计系统的存储模块。采用嵌入式数据库技术将s q l i t e 数据库应用于准在 线故障诊断系统当中，管理系统参数，并存储采集到的诊断信号及对信号 进行处理。 4 研究基于d s pg a t e w a y 的双核通信，通过双核通信完成对a r m 端和d s p 端不同功能程序的调度，以实现对系统资源的最佳利用。通过c c s 开发 d s p 端的故障诊断程序，完成对采集数据的频谱、相位谱、倒频谱等分析 方法的d s p 程序实现。 关键词：故障诊断；o m a p 5 9 1 2 , 准在线；s q l i t e , m i n i g u i ；d s p g a t e w a y a b s t r a c t a b s t r a c t w h e ni tc o m e st oe q u i p m e n t sc o n d i t i o nm o n i t o r i n g , t h er e a l - t i m ed a t aa n a l y s i s a n dp r o c e s s i n ga n df a u l td i a g n o s i so nt h ec o l l e c t e dd a t ab e c o m ep a r t i c u l a r l y i m p o r t a n ti nt h em o d e r ne n t e r p r i s em a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c eo fe q u i p m e n t s u s u a l l y ，t h eo n l i n ed i a g n o s i ss y s t e mi su s e di nt h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go fm a j o r e q u i p m e n t s ，c o l l e c ta n dp r o c e s st h ed a t ac o n t i n u o u s l y 、a n a l y z et h ef a u l tt y p e s b u t t h eo n l i n ed i a g n o s i ss y s t e mi s u s u a l l yt o ob i g , t o oe x p e n s i v e ，a n dt h ed e s i g ni s r e l a t i v e l yf i x e d ，s oi ti sd i f f i c u l tf o rd i f f e r e n tt y p e so fe q u i p m e n t s t h eo f f - l i n ef a u l t d i a g n o s t i ce q u i p m e n ti sc o n v e n i e n ta n df l e x i b l e , b u tt h ef u n c t i o ni sw e a k ，n o ta b l et o c o l l e c td a t ai nr e a l t i m ea n a l y s i s t ot h i se n d ，t h eo m a p 5 912 - b a s e dq u a s i - o n l i n e f a u l t d i a g n o s i ss y s t e mw a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d ，w h i c hc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so fo n l i n ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m sa n do f f l i n ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m s ，u s e t h ee x p e r t i s eo ft h ed u a l c o r ea r m + d s et h es y s t e mi sc o n v e n i e n t ，f l e x i b l e ，a n d p o w e r f u lo nd a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o n t h es y s t e mi sb a s e do nt h ea d v a n c e do m a p 5 912h a r d w a r ep l a t f o r m ，a n di t u s e so p e ns o u r c e d 、p o r t a b l ee m b e d d e dl i n u x 嬲t h eo p e r a t i n gs y s t e m ，f o r m i n ga u n i q u e 、e x c e l l e n th a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o n s o f l “c c a r em o d u l e so ft h es y s t e mw e r er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db a s e do nt h e h a r d w a r ep l a t f o r m t h ep a p e r sm a i nf u n c t i o n si n c l u d e ： 1 e s t a b l i s h e dt h es o f t w a r ee n v i r o n m e n to ft h es y s t e md e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo m a p 5 912c h i pa n ds y s t e mp e d p h e r a l s ，e s t a b l i s h e dt h e c r o s s - c o m p i l e re n v i r o n m e n to ft h es y s t e m c h a n g e da n dt r a n s p l a n t e dt h e h a r d w a r eb o o tp r o g r a mb o o t l o a d e rf o res y s t e m ，t h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e m a n dt h ef i l es y s t e mc o r r e s p o n d i n gw i t ht h eh a r d w a r ep l a t f o r mw e r ea l s o c h a n g e da n dt r a n s p l a n t e df o rt h es y s t e m 2 t h ep a p e rd e s i g n e dt h ed i s p l a ym o d u l eo ft h es y s t e m ，t h eg r a p h i c a li n t e r f a c e d e s i g n e db ym i n i g u im a k e st h es y s t e m sh i l g l lp e r f o r m a n c e ，h i 曲r e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fag o o dm a pd i s p l a y i i a b s t r a c t 3 d e s i g n e dt h es y s t e m sm e m o r ym o d u l e s t h ee m b e d d e dd a t a b a s es q l i t e d a t a b a s ew a sa p p l i e dt ot h i sq u a s i o n l i n ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mt os t o r et h e c o l l e c t e dd i a g n o s t i cs i g n a la n dt h es i g n a lp r o c e s s i n g 4 r e s e a r c h e dt h ed u a l c o r ec o m m u n i c a t i o nb a s e do nd s p g a t e w a y , a n dt h r o u g h t h ed u a l - c o r ec o m m u n i c a t i o n ，t h ed i f f e r e n tf u n c t i o np r o c e d u r e so ft h ea r ms i d e a n dd s ps i d ew a ss c h e d u l e dt oa c h i e v et h eo p t i m a lu s eo ft h es y s t e mr e s o u r c e s d e s i g n e dt h ed s ps i d ef a u l td i a g n o s i sp r o c e d u r eo fd a t aa n a l y s i ss u c ha st h e s p e c t r u m ，p h a s es p e c t r u m ，c e p s t r u m ，a n ds oo nb yu s i n gt h ec c s t 0 0 1 k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ；o m a p 5 9 1 2 ；q u a s i o n l i n e ；s q l i t e ；m i n i g u i ：d s p g a t e w a y i i i 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着科学技术的进步和现代工业水平的提高，各种机械设备日趋向着大型 化、高速化、重载化和复杂化方向发展，自动化程度越来越高。大型的旋转机 械，如汽轮机组、鼓风机组、及压缩机组等，均属于大型复杂设备，同时也是 石油、化工、机械冶金、交通、发电等国民经济支柱行业的关键性咽喉设备。 由于设备的设计、制造、安装、操作、运行、维护等环节涉及众多的复杂因素， 因而难免会出现故障，导致设备的功能降低或失效【l 】。在连续生产的系统当中， 一旦某台关键设备因为故障不能正常运行，往往会涉及全厂的生产系统设备的 运行，从而对整个生产系统造成巨大的经济损失。尤其是一些大型设备，如果 出现突发性故障，不仅会使生产受到严重影响，还将严重威胁员工的生命安全。 因此人们对于这些关键设备的安全、稳定、连续运行的要求越来越迫切。 设备的维修体制是保证设备j 下常安全运行的重要措施。传统的维修体制主 要由事后维修和定期维修两种。事后维修即发生故障后进行维修，这种维修不 能避免故障的发生，而且在现代工业流程化发展中，会给企业造成严重的经济 损失： 定期维修目前在很多企业中仍在使用，许多工厂中的年度大修就属于定期 维修。但是定期维修无法解决“过剩维修 和“失修 之间的矛盾，具有很大 的盲目性，在实践中被证明既不经济又不合理。因此，正确的维修体制应该是 采用预知维修的方式。预知维修就是近代人们把电学、声学、热学、故障物理 学以及应用化学等理论应用到设备状态控制中，通过设备状态监测和故障诊断 技术产生的维修体制。 在这个背景下，设备的状态监测和故障诊断技术越来越受到企业的的重视。 但是由于故障诊断技术的理论对于一般企业的员工甚至一些技术人员来说都显 得比较艰深，即使通过培训但也不能保证能够很好的进行应用，因此迫切需要 相关的状态检测和故障诊断设备进行辅助。 绪论 人型钢铁企业 图1 1 不同制度的维修成本的比较 本章综述了机电设备状态检测和故障诊断技术及相关设备的发展现状，引 出了开发基于a r m + d s p 的准在线故障诊断系统的必要性和重要意义，并对课 题的内容、来源及在课题中完成的主要工作进行了阐述。 1 2 设备状态监测与故障诊断技术及相关设备的发展概况 1 2 1 现代设备状态监测与故障诊断技术概况 设备状态监测与故障诊断是指在设备运行中或基本不拆卸的情况下通过各 种手段，来掌握设备的运行状态，判断产生故障的部位和原因，并预测和预报 设备的未来状态，是防止故障和计划外停机的重要手段，是设备维修的发展方 向。状态监测与故障诊断不是同等的概念，但又统一于动态的系统当中。状态 检测主要是用来识别有无故障、明确故障的严重程度，并做出故障的趋势分析， 一般是由设备维修人员在现场进行，属于简易诊断的范畴；故障诊断则主要是 确定故障的部位、确定故障的原因、并提出维修建议，一般是由设备诊断人员 在现场或中心进行，属于精密诊断的范畴。 设备状态监测和故障诊断是近三十年来国内外发展较快的一门新型学科。 早在2 0 世纪6 0 年代，美国国家宇航局宣布组建机械故障预防小组，率先开始 了这方面的研究，随后欧洲一些国家紧随美国步入该领域，对机组的振动信号、 故障特征、信号分析等开展一系列研究，逐渐形成了现代设备故障诊断方法。 我国的状态监测与故障诊断技术起源于上个世纪七十年代末，当时由于引进西 方的大化肥、大化纤、大乙烯等装置在建成后的试车、开车阶段，某些设备故 2 绪论 障频出，从而促进了国内高校和研究机构对这项技术和理论的研究和应用，经 过二三十年的发展，如今在钢铁、炼铝、水力发电、风力发电、空分等领域， 设备状态监测和故障诊断技术的应用越来越多，并成上升的趋势。 设备状态监测和故障诊断是企业现代化设备资产管理和生产的重要标志， 采用设备监测和诊断的预知维修的方式将成为当今企业必然的设备管理手段， 也将为企业的生产和发展做出不可代替的贡献。同时也可以为企业提供安全可 靠的生产环境保证生产的顺利进行和员工的人身安全，避免事故特别是严重灾 难性事故的发生，具有重要的社会意义。设备状态监测和故障诊断还能为企业 节省大量的资产管理费用，降低大量的检修成本，避免事故发生实际上也就是 为企业带来了潜在的经济效益。完善的设备监测和诊断体系可以让企业高质量 的生产，保证设备优质运行。所以，设备状态监测和故障诊断技术在社会效益 和经济效益上都有不可替代的、极其重要的意义【2 】。 能够反映设备状态的参数多种多样，在实践生产中，主要用到的有：振动、 温度、声音、压力、流量、裂纹、功率等等。大型设备机组常用的故障诊断方 法主要有：振动分析法、油液分析发、轴位移监测、轴承回油温度监测、轴承 瓦块温度检测以及综合分析法。由于在大型旋转机械的所有故障中，因振动引 起的故障最多，同时振动信号也包含了丰富的机械运行信息，如转子、轴承、 联轴器、基础、转速、流量等等，而且振动信号也较易于拾取，可以在不影响 机械运行的情况下监测和诊断，因此振动分析法通常被用来作为设备状态监测 和故障振动的主要方法。 国内在这方面的研究整体上落后于国外，但是近年来发展速度非常快，在 某些方面已经达到了国际先进水平，比如在旋转机械的故障诊断方面，郑州大 学振动工程研究所提出的全矢谱信息融合技术以及西安交大机械诊断与控制学 研究所提出的全息谱技术。 1 2 2 故障诊断系统的发展概状 故障诊断系统通常是采用力学、传感器、电子信息和计算机等技术，在设 备工作或者停机时，拾取其状态参数信息，根据相应的故障机理，应用各种实 用而准确的算法，对设备故障类型和原因进行分析，然后预知设备以后的运行 状况，制定措施以保证其可靠和稳定的生产【3 】。使用该系统使企业对设备的维 修制度实现了从事故维修制度到以状态监测为基础的预防性维修制度的转变， 3 绪论 提高了企业设备管理现代化水平和经济效益【4 j 。 故障诊断系统按其实施的不同诊断方式主要可分为离线系统和在线系统两 大类。离线的故障诊断系统主要包括便携式测振表、点检仪、巡检仪等系统， 其主要特点是在现场采集数据，而对于故障的诊断和分析则主要在后台计算机 上完成。其优点是方便、灵活、投资较小、通过数量不多的仪器即可以完成对 企业众多设备的监测和诊断，其缺点主要是需要投入人工来完成数据的采集、 对故障的监测实时性不够，不能及时的处理某些故障。离线系统主要用来监测 一般性的设备或是用来对设备进行常规的检查。在线的诊断系统主要是将采集 信号的传感器固定到设备之上，将采集到的信号实时的传送给分析和诊断系统， 并对设备的运行状况实时进行判断。其优点主要是实时性好，精度较高，只需 要少量技术人员进行操控，不必安排人员进行点检或巡检，其缺点主要是投资 较大，一般投资在几十万甚至更高，而且一套系统一般只能用来监测固定的设 备，灵活性低。在线系统主要用来监测大型关键设备。 在故障诊断系统的研究上，国外起步较早，并且由于其在故障诊断的理论 研究、计算机技术、传感器技术等方面的优势，因此在该领域处于领先地位， 代表性的有美国b e n t l e y 公司的a d r e 系统，英国d i 公司的p l 2 0 2 系列产品， 丹麦b & k 公司的2 5 2 6 型系列产品，e n t e k 公司的d a t a p a c 系列产品，日 本三菱公司的m h m 系统等等。国内在次领域起步较晚，但发展迅速。如郑州 大学振动工程研究所开发的e m 3 0 0 0 系统、p d e s 系统、p a m s 系统，西安交 通大学的r m d s 系列产品、基于m o d e m 和电话线的远程故障诊断系统，浙江 大学和哈尔滨工业大学的z h z 1 0 系统，清华大学的b b 1 系统等，除高校外还 有众多的企业也在进行相关产品的开发，如北京京杭公司、深圳彩虹飞公司、 上海华阳股份有限公司等，但总体来说还是落后于国外。如何缩短同国外先进 水平的差距，是我们每一个振动工程研究者应尽的职责。 1 3 课题的来源、目的和意义 1 3 1 课题的来源 本课题来源于河南省教育厅项目“嵌入式技术在设备故障诊断系统中的关 键技术研究 。 4 绪论 1 3 2 课题的目的和意义 本课题所做的研究主要是基于a r m + d s p 的准在线故障诊断系统。所谓准 在线，是指既具备普通离线诊断系统的便携、灵活、操作方便的特点，同时由 能够对现场采集的数据进行实时分析和诊断，兼具在线系统功能的故障诊断系 统。主要适用于重大设备的启停机阶段的实时监测，因为对于大型旋转机械来 说，通常启停机阶段是故障的高发阶段，而正常运行时一般不容易发生故障， 因此对于一般重大设备，如果采用在线系统进行监测会导致成本太高，通常是 采用离线的点巡检的方式，但是在启停机时由于故障可能性提高，普通的点巡 检难以满足监测要求，这就需要对其采用暂时的在线监测，而准在线系统则能 很好的满足这种要求。另外，还有一种情况，在对设备进行日常的点巡检时， 当后台分析软件对点检采集信号进行分析是，分析结果出现异常，但是特征不 明显，无法正确进行诊断，如果进行停机检查，可能没有故障，而继续运行则 有可能造成严重后果。这时也需要对设备进行暂时的在线监测，这也是准在线 系统的用武之地。 根据准在线系统的用途可以发现该系统需要具备一下特点：能够进行多通 道的数据采集、能够长时间的工作、能够存储大量的振动数据、能够对采集的 振动数据进行复杂的故障诊断算法处理并要满足实时性要求、便携且易操作。 传统的故障诊断系统很少能够进行这种准在线的诊断。本课题的目的就是设计 一种这样的准在线故障诊断系统。系统基于o m a p 5 9 1 2 的a r m + d s p 双核技 术，通过a r m 核来完成一般的操作和对数据的采集，通过d s p 核来完成对数 据的分析处理，是系统在不需要占用很多资源的同时实现对设备的在线监测， 同时保持较低的功耗和良好的便携性。 1 4 本论文的主要工作 本论文的主要工作是对准在线系统软件系统的一些关键技术进行研究，建 立系统的软件开发环境，同时对系统的主要功能模块进行设计，主要由以下几 个方面组成： ( 1 ) 建立系统开发的软件环境。移植b o o t l o a d e r 、嵌入式l i n u x 系统以及所 需的文件系统。 ( 2 ) 设计系统的显示模块，通过m i n i g u i 设计系统的人机交换界面。包括对 5 绪论 m i n i g u i 的移植以及各显示界面的设计。 ( 3 ) 设计系统的存储模块。采用嵌入式数据库技术将s q l i t e 数据库应用于准 在线故障诊断系统当中，管理系统参数，并存储采集到的振动信号及对 信号进行处理的结果。 ( 4 ) 设计系统的采集模块，运用多线程技术控制各通道传感器的采集，并将 采集到的数据分别送人内存和数据库中。 ( 5 ) 通过c c s 开发d s p 端的故障诊断程序，完成对采集数据的频谱、相位 谱、倒频谱等分析方法的d s p 程序实现。 ( 6 ) 研究基于d s p g a t e w a y 的双核通讯，通过双核通讯完成对a r m 端和d s p 端不同功能程序的调度，达到对系统资源的最佳利用。 6 准在线故障诊断系统的总体规划 2 准在线故障诊断系统的总体设计 2 1 系统的总体要求 本论文旨在设计一种基于a r m + d s p 双核技术的准在线故障诊断系统。当 前，用于旋转机械故障诊断的产品多种多样，既有功能强大的大型在线系统， 又有方便灵活的离线系统。考虑到大型在线系统，虽然功能强大、实时性好、 精确度高、采集数据量大、采集通道多，人机交换界面丰富、能运行大型软件、 操作直观方便，但却由于体积庞大，价格昂贵，且通用性较差，通常只能用于 大型关键设备的监测和诊断；而一般的便携式故障诊断仪器虽然价格低廉，体 积小巧，使用灵活，但是采集的数据量较小，采集通道也多为单通道或者双通 道，主要只是用来做振动量的采集或一般的点检和巡检，通常不能进行实时的 故障分析和诊断。因此，根据以上所述，本课题所设计的准在线故障诊断系统， 综合考虑了在线系统和一般离线系统的优缺点，依靠先进的a r m + d s p 双核技 术，使设计出来的故障诊断系统既具有部分在线系统的功能，能够对现场采集 的数据进行实时的分析、处理，又能够像便携式系统那样方便灵活。 根据准在线故障诊断系统的定义，系统应具有以下的功能特点： ( 1 ) 系统具有一定的在线监测和诊断的功能，能够长时间的在工作现场对设 备进行监测，并对相应的故障进行超限报警。这就要求系统要有容量较 大的存储设备，能够满足做在线监测时大量数据的存储问题；系统要有 多通道设计，能够支持全矢谱、全息谱等同源信息融合技术；另外系统 的性能要好，能够满足快速复杂的数据处理的要求。 ( 2 ) 系统可作为一般的便携式仪器使用，可以对设备进行一般的测振及日常 的点巡检工作。这就要求系统必须功耗小、体积小、重量轻，便于携带， 而且要有独立的供电模块；不仅如此，还要有较强的实时处理，进行故 障诊断的能力。 ( 3 ) 系统要有良好的人机交互界面，便于操作。能够显示故障诊断中常用的 波形图、频谱图等，用户可以对各种参数进行方便的设置。 ( 4 ) 系统功能模块化。通过功能的模块化，用户可以根据自己的需要，以及 监测诊断对象的不同来选择合适的模块，也可以完成对系统的功能定制。 7 准在线故障诊断系统的总体规划 ( 5 ) 开放的软件接口。本系统可视为是一个平台性系统，根据所应用的行业 不同、以及所用设备的特殊要求可以对系统进行一定程度的定制，使系 统能符合实践的需要，这就要求系统具有开放的软件接口。 ( 6 ) 系统要有通讯功能。系统可作为企业资产管理系统的一部分，因此系统 要能与企业的设备管理系统进行对接，这要求系统要有一定的通讯功能， 使系统能够将采集到的数据传送到管理系统，以便进行更精确的处理或 做长期的保存。 2 2 系统的整体硬件平台 2 2 1o m a p 5 9 1 2 微处理器 o m a p 平台是t i 公司针对下一代高端嵌入式系统推出的高度灵活、功能强 大的多媒体应用平台。o m a p 处理器拥有双核结构( a r m 核+ d s p 核) ，使得 它在具有强大的数字处理分析能力的同时又具有很少的功耗，另外其外围接口 很丰富，对各种标准和接1 3 协议都有支持，可以用来开发不同类型的嵌入式设 备【5 1 。与早期传统的微处理器相比，o m a p 在结构上集成度更高，将a r m 处 理器和d s p 处理器无缝的集成到一小块硅片上，并在两个处理器之间开辟的公 共存储空间内，提供了双核通信机制，实现了a r m 核和d s p 核的快速、可靠 的数据通讯，基于o m a p 技术设计的各种嵌入式系统功能也更加强大，体积更 小。 o m a p 技术主要以三方面的优势著称：双核处理器的高性能、低功耗、和 双核间的无缝集成：使用灵活而方便的开放式软件架构；全面、稳定的网络功 能支持。这三方面相互结合，使o m a p 平台成为一个强大的软硬件平台基础， 可以使研发工作更加的方便、快捷，使产品的研发周期大大缩短，增加的产品 的性能和市场竞争力。另外o m a p 还采用了“内核软件技术，这种技术主要 有两方面优势，一方面，通过o m a p 平台中的内核软件组件，应用程序可以方 便的利用数字信号处理器( d s p ) ，使系统对与故障信号处理的速度大大增加， 提高系统的应用性能。凭借优化了的底层软件，d s p 能以非常低的功耗执行信 号处理的任务，从而降低了系统的总体耗电量，延长电池的使用寿命，并能实 现更小的产品体积。另一方面，凭借内核软件技术，系统软件的编写人员可以 不必对那些复杂的数字处理算法和原理以及d s p 的基础硬件架构或算法进行 8 准在线故障诊断系统的总体规划 深入的研究即可以轻松编写数字处理程序，通过易于使用的高级应用程序接口 ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，a p i ) 即可方便的使用数字信号处理的加速算 法，实现d s p 的高级应用【6 】。在o m a p 平台的双核技术中基于r i s c ( 精简指 令处理器) 的a r m 核是作为主要的控制处理器，整个系统的各个任务和功能 模块都由a r m 核来处理，包括控制操作系统的运行，对d s p 核数据处理的控 制，对图形用户界面的控制，以及网络和通讯控制；而d s p 核由于其软硬件的 独特设计，对数据处理的速度非常快，在每个时钟周期内可执行比一般r i s c 处理器更多的机器指令，操作延时非常短，并且对于复杂和重复的数学运算， 专门在结构上进行了大量的优化，使其只需要很少的指令周期即可完成复杂的 信号和数字的分析处理，并且完成任务的功耗比一般的r i s c 处理器低很多， 非常适合用于进行复杂信号的处理工作。不仅如此，o m a p 还具有独特的 d s p b i o s 桥结构，使a r m 核和d s p 核能够方便的建立通讯联系，方便系统 中双核通信程序的编制，由a r m 核通过标准接口函数a p i 控制和访问d s p 来 完成复杂的数据分析处理工作，而这些复杂的工作并不会占用a r m 核的资源， 由d s p 核独立完成，a r m 核只需使用少量的指令进行控制，从而解决了因使 用中断和延迟带来的资源竞争的问题，提高了系统整体性能。基于以上所述优 点，本课题所研究的准在线故障诊断系统采用的处理器就是采用o m a p 双核技 术的o m a p 5 9 1 2 处理器。 o m a p 5 9 1 2 是德州仪器( t i ) 公司针对下一代高端嵌入式设备的需求而推 出的的需求而推出的一款高度集成、功能强大的双核处理器，作为o m a p 平台 系列产品中的典型成员，o m a p 5 9 1 2 集成了高性能低功耗的a r m 9 2 6 e j s 微处 理器和t m s 3 2 0 c 5 5 x d s p 微处理器。a r m 9 2 6 可以满足控制和接口方面的处理 需要，t m s 3 2 0 c 5 5 x 则提供对低功耗应用的实时多媒体处理的支持。同其他的 o m a p 芯片一样，采用了内核软件技术和开放式的软件架构，支持广泛的操作 系统，如w i n d o w s 、l i n u x 、w i n c e 、v x w o r k s 、p a l mo s 等。具有可编程开发 环境和多软件平台移植的功能【7 1 。因此对于信号处理要求较高，有需要有多进 程控制的准在线故障诊断系统，非常适合选用o m a p 5 9 1 2 作为解决方案。 o m a p 5 9 1 2 处理器的主要特性和各功能模块【剐： 采用低功耗、高性能的c o m s 技术。o 1 3 n m 工艺制造。1 6 v 的内核电压。 3 2 位a r m 9 2 6 e j s 内核和s 3 2 0 c 5 5 x d s p 内核，多电源管理模式，双内 核的供电电压为1 6 v ，工作频率最高达1 9 2 m h z ；采用5 级流水线结构； 9 准在线故障诊断系统的总体规划 a r m 9 2 6 e j s 内核是一款3 2 位的精简指令集处理器，只工作在小端模式， 兼容3 2 位a r m 和1 6 位t h u m b 指令集，能处理3 2 位、1 6 位、8 位的数据。 拥有1 6 1 0 3 的指令缓存和8 k b 的数据缓存，以及存储器管理单元和1 7 位 字长的写缓存。除此之外它还具有两个用于m m u 的块表( t l b ) ，每个块 表可以存储“个地址变换条目。 t m s 3 2 0 c 5 5 x d s p 内核是一款高性能低功耗的d s p 处理器，支持指令长度 可变的指令集，有效的提高了代码的密度。具有一套程序总线和五套数据 总线( 三套用于读取数据，两套用于写入数据) 。每个周期能执行一到两条 指令。内部集成了两个算术逻辑单元，两个乘法累加器，可以在一个周期 内完成两个1 7 位二进制数的乘法运算。具有9 6 k b 单访问r a m ( s d 黜州) ， 6 4 k b 的双访问r a m ( d r a m ) ，2 4 k b 的指令缓存。另外还集成有用于离 散余弦变换和逆变换、像素插补、视频压缩的硬件加速器。 具有2 5 0 k b 的内部共享s r a m ( 静态存储器) ，用来存放操作系统的部分 关键程序。有两个1 6 位总线的外部存储器接口：外部存储器快速接口 ( e m i f s ) 和外部存储器慢速接口( e m i f f ) ，其中e m i f s 具有2 5 6 m b 的 存储空间，e m i f f 具有1 2 8 m b 的存储空间。此外还有一个存储器接口控制 器( t c ) ，用于满足双核和外部存储器之间的异步操作。 由m p u 控制的d s p 内存管理单元( m m u ) 和用于m p u d s p t c 的时钟 控制的数字锁相环( d p l d ) 。 d s p 核的私有外设包括：三个3 2 位的定时器和一个看门狗定时器以及六个 通道的d m a 控制器。m p u 的私有外设包括：三个3 2 位的定时器和一个看 门狗定时器，兼容u s b l 1 的u s b 主机控制器和u s b 设备控制器；u s bo t g 控制器；三个u s b 端口，其中一个集成了收发器；摄像头接口；实时时钟 r 1 陀；6 x 5 或者8 x 8 的键盘接口；单总线接口；c f 卡接口；m m c 卡和s d 卡接口；两个l e d 脉冲发生器；1 6 个通用输入输出引脚( g p i o ) ；片上调 试外设( e t m 9 ) 模块；带专用d m a 的1 6 1 8 位l c d 控制器；3 2 k h z 的 操作系统定时器。 d s p 和a r m 的共享外设。包括：s p i 接口；三个通用异步收发器( u 6 灯) ， 其中两个支持红外功能；八个通用定时器；v l y n q 接口；1 2 c 总线接口； 多通道缓冲串行口( m c b s p ) ；多达“个g p i o ：3 2 k h z 的同步计数器。 a r m 核和d s p 核之间的通讯是由四个邮箱来实现的。每个邮箱都是通过 1 0 准在线故障诊断系统的总体规划 一个3 2 位寄存器实现的。当一个处理器写寄存器时，会产生一个中断，另 一个处理器读这个寄存器时中断就被释放。这四个邮箱中，其中两个可以 被a r m 核读和写，但只能被d s p 核读；另外两个则相反，能被d s p 核读 和写，但只能被a r m 核读。 d s p 使用的是大端模式，a r m 核和o m a p 芯片使用的是小端模式。另外 还有用于加密的硬件加速器以及j t a g 仿真接口。 图2 1o m a p 5 9 1 2 处理器的功能框图 2 2 2 硬件功能模块简介 一、采集模块 对于旋转机械而言，转子是设备的核心部件，因此转子能否正常运作对设 备的运行状况有重大的影响。从总体上来说，旋转机械的大部分机械故障都与 转子及其相关部件如齿轮、轴承等有关，而从其他地方能发现的故障就比较少。 因此，本课题所设计的准在线故障诊断系统也主要以振动量作为判断依据。而 要获得设备的振动信息，就需要借助于传感器。目前在旋转机械故障诊断领域 准在线故障诊断系统的总体规划 应用的比较普遍的主要是电涡流式传感器和压电式加速度传感器。其中电涡流 式传感器体积较小、结构简单、灵敏度高、频率响应宽，而且抗干扰能力强【9 1 。 主要用于测量转子轴心的振动位移和轴心的静态偏移，输出电压一般为1 v + i v ，一般不需要系统进行供电；压电式加速度传感器则常用于轻型高速旋转 机械的轴承座以及壳体的振动加速度信号的测量，输出电压一般为1 v + 1 v ， 一般需要系统进行供电。本系统一共设计六个通道进行振动信号的采集，由于 上述两种传感器应用广泛，因此系统设计上对其进行兼容，在系统参数中有所 设定。 传感器将对象设备的振动信号转变为了模拟信号( 电信号) ，但模拟信号并 不能被系统和应用程序所识别，需要对其进行调理和a d 转换然后才能进行处 理和保存。 传感器输出 图2 - 2 采集模块框图 本系统采用m a x i m 公司的m a x 2 9 1 c s a 低通滤波器来滤除高频的噪声信 号。使用外部时钟信号，由处理p w m ( 脉冲调制) 功能引脚提供，供电电压为+ 5 v 。 在信号放大方面选用了a d 5 2 6 工业级程控放大器，供电电压为1 2 v ，工作在 t r a n s p a r e n t 模式，通过处理器的g p i o 引脚控制增益。由于系统采用的a d 转 换器的输入范围为5 v + 5 v ，同时a d 5 2 6 有1 、2 、4 、8 、1 6 五级增益，为了使 传感器的输出电压与a d 转换器的输入电压匹配，系统在放大电路中还采用了 集成运算放大器l f 3 4 7 将增益进行扩大，使系统能兼容更大范围的传感器输出。 在a d 转换器选择上，为了使采集的信息更加全面，诊断结果更加正确， 系统的六个通道同时采用a d 7 6 5 6 转换器。a d 7 6 5 6 采用了i c m o s 工艺，一块芯 片上集成六个独立的1 6 位快速低功耗逐次比较型a d c 。可通过引脚或软件选择 不同的电压输出范围，内部既有一个2 5 v 的基准电压，也可以接受外部电压作 1 2 准在线故障诊断系统的总体规划 为基准电压。内部包含低噪声，宽带宽的采样保持放大器，能处理高频信号。 具有高速并行和串行接口，能做到微处理器或d s p 通信。 二、存储模块 在嵌入式系统中，存储模块是非常重要的一个部分。一些嵌入式微处理器 内部集成的就有存储器，但是由于其容量较小，能够运行的程序和存储的数据 量都非常的有限，不能满足系统设计的需要。对于本系统而言，由于o m a p 5 9 1 2 微处理器内部的m p u 没有集成的片内存储器，所以必须要从外部来扩展存储器 用于程序的存储和运行，o m a p 5 9 1 2 处理器提供了用于扩展外部f l a s h 的e m i f s ( 外部慢速存储器接口) ，以及用于扩展外部s d r a m 的e m i f f ( 外部快速存储器 接口) ，另外还集成有s d 卡、i d m c 卡、c f 卡等接口控制器，本系统主要扩展了 f l a s h 存储器、s d r a m 同步动态存储器和s d 卡。 本系统采用两片m i c r o n 公司的m t 2 8 f 1 2 8 j 3 来进行外部f l a s h 扩展， m t 2 8 f 1 2 8 是n o rf l a s h 型存储器，每片容量为1 6 m b ，可以以8 位或1 6 位方式 进行工作。工业级标准引脚，完全兼容t t l 电平。使用写缓冲时，每字节编程 时间为4 7us ，每片存储芯片可进行十万次擦写【l o 】。在本系统中主要用来存储 引导程序、嵌入式l i n u x 操作系统、以及应用程序。 外部扩展s d r a m 是选用k 4 x 5 11 6 3 p e 芯片，虽然不具备f l a s h 存储器的掉电 保持数据的优点，但其存取速率却远远高于f l a s h ，因此主要用于程序的运行 空间、数据的缓存以及堆栈。 另外，由于系统要对采集到的大量振动数据进行分析处理和保存，而能够 扩展的n o rf l a s h 容量十分有限，所以需要更大容量的存储设备。本系统采用 s d 卡作为存储振动数据极其处理结果的存储设备。o m a p 5 9 1 2 微处理器内部集成 了s d 卡存储卡控制器，使s d 卡的扩展十分方便。而s d 卡体积小、记忆容量高、 数据传输快、移动灵活以及安全性高的特点，也十分符合系统的要求。 三、人机交互模块 人机交互模块是使用者与系统进行交流的主要途径，是系统必不可少的一 分。良好的人机交互能给使用者提供直观的图像信息以及便捷的操作控制，使 系统的使用性能大大提高，增强系统的适用性。本系统主要采用键盘作为主要 的输入设备来实现对系统的工作模式的设定、系统参数的选择、以及对整个系 统的控制；使用l c d 液晶屏来作为输出设备，用来显示设备的诊断结果以及波 形信息。 准在线故障诊断系统的总体规划 o m a p 5 9 1 2 处理器具有专用的行列式键盘接口，因此系统键盘的按键组织方 式采用行列式按键。共用到九个按键，采用3 x 3 键盘矩阵。 o m a p 5 9 1 2 内部集成有l c d 控制模块，能够方便地与多种工业标准级的l c d 液晶屏连接。本系统采用n e c 公司的n l 3 2 2 4 b c 3 5 2 0 显示设备作为输出设备， n l 3 2 2 4 b c 3 5 - 2 0 包含有一块t f t l c d 显示面板、t f t 阵列驱动电路以及背光单元。 面板的显示区域为1 1 1 4 x 8 3 5 ( 唧) ，显示对角线为5 5 ( 英寸) 。具有q v g a 和v g a 两种显示模式。最大支持2 6 2 1 4 4 色】。 四、通信模块 系统具备通信功能，可以与同种系统或上位机进行通信，也可以通过网络 进行连接。本系统主要通过串口、u s b 接口和以太网接口来实现通信的功能。 其中串行接口和以太网接口，在系统的开发过程中，可以与开发主机进行互联， 使用主机的终端控制系统来进行系统的调试和程序的下载，同时对系统的升级 也可以通过这两个接口来完成。而在系统的使用过程中，则主要是用u s b 借口 或以太网接口来进行数据的传递以及在线的监控和控制等功能， o m a p 5 9 1 2 微处理器内部集成了3 个u a r t ，可用作串行接口使用，系统中只 使用了u a r t i ，应用r s 2 3 2 电气协议。另外o m a p 5 9 1 2 也有对u s b 功能的支持， 内部集成了u s b 主机控制器、u s b 设备控制器、u s b o t g 控制器，可以作为u s b 主机、u s b 设备、和u s b - o t g 。但是o m a p 5 9 1 2 内部没有集成以太网控制器，因 此为了实现系统的网络功能，需要在芯片外