（热能工程专业论文）基于arm9的振动数据采集系统的研制.pdf

摘要 旋转机械状态监测对于旋转机械运行安全，降低设备维修费用，提高设备利 用率具有重大意义。数据采集系统是旋转机械状态监测中的重要工具，广泛地应 用于各个行业。本文在分析国内外研究现状的基础上，根据汽轮发电机组振动监 测的特点，详细介绍了一款数据采集系统的研制过程。 本文说明了数据采集系统的嵌入式系统实现方案，系统以a t m e l 公司生产 的a r m 9 内核微控制器a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心，构建嵌入式系统；进行了系统的 硬件电路设计，包括微控制器模块、存储器模块、振动信号调理模块、a d 转换 模块、键相信号处理模块、以太网接口模块和电源模块；根据p c b 板图设计制 成的电路板，在元器件焊接后对硬件进行了调试；针对系统的功能要求，进行了 软件的设计和调试；在系统的硬件和软件都能调试正常后，对系统的性能进行了 实验室环境下的测试。 本文还讨论了小波分析在振动信号消噪处理中的应用，对各种振动信号处理 方法和小波分析理论作了介绍，应用基于小波分解的信号消噪算法，在m a t l a b 中实现了对振动信号的消噪处理。 关键词：振动监测数据采集a t 9 1 r m 9 2 0 0小波分析 消噪处理 a b s t r a c t t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go fr o t a t i n gm a c h i n e r yc a nr e d u c et h ec o s to fd e v i c e s m a i n t e n a n c e ，k e e pt h es e c u r i t yo f m a n u f a c t u r ea n di n h e r et h eu s eo f d e v i c e s d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi s i m p o r t a n ti m p l e m e n ti n t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go fr o t a t i n g m a c h i n e r y ，a n du s e di nt h ev a r i o u st r a d e sw i d e l y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f v i b r a t i o nm o n i t o r i n go fl m b o - g c u e r a t o ru n i t ，1 i sp a p e rd e v e l o pad a ma c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d 0 1 1t h ea n a l y s i so f r e s e a r c hs i t u a t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h ee m b e d d e ds y s t e ma c h i e v i n gp l a no f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，u s i n g t h e m i c r o c o n t r o l l e r a t 9 1 r m 9 2 0 0 b a s e d o n a r m 9a sc 0 1 e ，s i a u c t u r e e m b e d d e ds y s t e m ；d e s i g n s t h eh a r d w a r ec i r c u i to f t h es y s t e m ，c o n t a i n sm i c r oc o n t r o l l e rp a r t 、m e m o r yd e v i c ep a r t 、v i b r a t i o n s i g n a lc o n d i t i o n i n gp a r t 、a dc o n v e r s i o np a r t 、k e yp h a s es i g n a lp r o c e s s i n gp a r t 、e l h e m e ti n t e r f a c e p a r ta n de l e c t r i cp o w c rp a r t ；a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no f p c bb o a r d ，m a n u f a c t u r et h ec i r c u i tb o a r d ， a n df i n i s h i n gt h ew e l d i n go fc o m p o n e n t sa n dd e b u g g i n go fh a r d w a r e ；e n g a g i n gt h ed e s i g na n d d e b u g g i n go f s o r w a r e i na c c o r d a n c ew i t hf u n c t i o nd e m a n do f t h es y s t e m ：d o i n gt h et e s to f t h e s y s t e mp r o p e r t yi nt h el a b o r a t o r ye n v i r o n m o n t a f t e rb z r d w e r ea n d s o f t w a r eo f m es y s t e mo p e r a t e n o r m a l l y t h e p a p e ra l s od i s c u s st h ea p p l i c a t i o no fw a v e l e tm m l y s i si nt h ev i b r a t i o ns i g n a ld e - n o i s i n g p r o c e s s ，i n t r o d u c e st h ev a r i o u sm e t h o d so fv i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n ga n dw a v e l e ta n a l y s i s t h e o r y ，u s i n gt h es i g n a ld e - n o i s i n ga l g o r i t h mb a s e do l lw a v e l e td e c o m p o s i n g ，a n da c h i e v et h e d e - n o i s i n gp r o c e s st ov i b r a t i o ns i g n a li nm a t l a b k e y w o r d a ：v i b r a t i o nm o n i t o r i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，w a v e l e ta n a l y s i s ，d e - n o i s i n g 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，也不包含为获得滥1 江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。 学位论文作者签名诲磊 签字日期：歹鲫7 年罗月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘堂有关保留、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。 本人授权逝姿盘茎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) 学位论文作者签名： 签字日期：口口7 年 导师签名： 锴眵匝 签字日期：工啊年7 月；日z 确h 印1 月 、yu 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 近年来，随着电力工业的大发展，汽轮发电机组的运行参数不断提高，装机 容量也越来越大，对机组的安全稳定运行提出了更高的要求。同时，由于竞价上 网的提出，各个电厂努力降低发电成本，以取得更好的经济效益，这就要求防止 不必要的损失和减少维修费用。因此，如何保证机组的安全稳定运行，尽量避免 停机，减少故障的发生和及时消除故障成为电厂面l 临的十分重要的闻题。 由此，对发电设备进行状态监测被广泛提出来。通过状态监测能够实时掌握 设备的运行状态，及时发现故障，从而保证机组的正常运行。在火力发电厂中， 存在着大量的高速旋转机械，除汽轮机主机外，在汽轮机辅机设备中，诸如凝汽 设备，回热加热设备，除氧器等，还存在有各种水泵，风机，电动机等旋转机械。 要保证汽轮发电机组的安全运行，对这些设备的状态监测是必不可少的。实时监 控机组中各种设备的运行状态，对于预防故障，以及在故障发生时，进行故障诊 断，具有极为重要的意义【l 】。 振动是汽轮发电机组普遍存在的现象，是反映设备运行状态的一项重要参 数，振动信号能最迅速最直接地反映旋转机械设备的运行状态，振动信号所含有 的故障信息最丰富，7 0 以上的运行故障都以振动形式表现出来。可见，振动的 大小关系到汽轮发电机组能否正常运行，所以对机组和辅机设备进行振动监测是 非常有必要的【2 】。 汽轮发电机组振动监测数据采集系统，作为整个监测系统的最前端，其主要 功能是实时采集机组的振动信号，经过预处理后将振动数据传送给服务器，以达 到实时监测机组的振动状态。因此，数据采集系统信号采集的好坏，直接影响到 振动监测的效果和故障诊断的准确，研制性能良好的数据采集系统是非常具有应 用价值的。 1 2 国内外研究现状 大型旋转机械振动监测技术是近年来国内外发展较快的- - f - 新兴学科，它不 浙江大学硕士学位论文 仅在理论上有了很大的突破，而且不断转化为技术投入到实际的项目应用中。振 动监测技术主要是建立在对故障机理研究的基础上的，在技术发展中它大致经历 了两个主要的阶段：第一阶段是以计算机技术、传感器技术和动态测试技术为基 础，主要集中在故障机理和诊断方法的研究等，它是以信号处理技术为手段的常 规振动监测技术发展阶段；第二个阶段是随着信息高速公路的发展和人工智能技 术的应用的基础上发展起来网络化、智能化振动监测与诊断阶段【3 1 。 七十年代至八十年代，机械设备的状态监测与故障诊断技术在许多发达国家 开始研究。随着电子计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号识别技术 与故障诊断技术等现代科学技术发展，机械设备的监测研究跨入系统化的阶段， 并把实验室的研究成果逐步推广到核能设备、动力设备以及其它各种大型的成套 机械设备中去，进入了蓬勃发展的阶段。例如：日本三菱公司的“旋转机械健康 管理系统”( m a c h i n e r yh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称m h m ) ，美国西屋公司的“可移 动诊断中心”( m o b i l e d i a g n o s i s c e n t e r ，简称m d c ) ，丹麦b & k 公司的2 5 0 0 型 振动监测系统等，都具备了机组信号数据的采集、分析、计算、显示、打印，绘 图等功能，并配有专项诊断软件。先进的状态监测系统把体现机械动态特性的振 动、噪声作为主要监测和分析的内容。由于振动、噪声是快速的随机性信号，不 仅对测试系统要求高，而且在分析中要进行大量的数据处理。国内外在八十年代 用小型计算机或专用数字信号处理机作为主机完成机械动态特性的数据处理 ( 如：h p 5 4 5 1 c ) ，该类主机不仅价格昂贵( 一般价格为数十万元) 而且对工作环 境要求苛劾( 需要专用机房) ，因而通常采用离线监测与分析的方式【4 】【5 】。 九十年代以来，高档微机不断更新且价格迅速下降，适合数字信号处理的计 算方法不断优化，使数据处理速度大为提高，为在工业现场直接应用状态监测技 术创造了条件。丹麦、美国、德国、日本等发达国家的专家学者对旋转机械工作 状态监测技术进行了深入研究，研制出不同系统。该类系统以丹麦b & k 公司的 2 5 2 0 型振动监测系统、美国b e n t l y 公司的a d r e 系列振动监测系统、美国亚特 兰大公司的m 6 0 0 0 系统为代表，已经达到较高的水平【4 】【”。 我国在旋转机械状态监测技术方面的研究起步较晚，始于八十年代中期，但 是发展很快，在此之前从国外引进的大型机组，一般都购置了监测系统，吸取欧 美国家的先进技术。八十年代中后期以来，我国相关科研院所、高等院校和企业 2 浙江大学硕士学位论文 开始自行或合作研究旋转机械状态监测技术，无论在理论研究、测试技术和仪器 研制方面，都取得了成果，并开发出相应的旋转机械状态监测系统。如：西安交 通大学、清华大学、哈工大、浙江大学、东南大学、西安热工研究院、北京英华 达公司等。主要有以下几种类型：( 1 ) 哈尔滨工业大学等单位联合研制的3 m d - i 、3 m d - i i 、3 m d i i i 系统；( 2 ) 西安交通大学机械监测与诊断研究室的r m m d s 系统；( 3 ) 浙江大学的c m d i 型及型系统；( 4 ) 东南大学的m f d 一2 汽轮发 电机组智能诊断系统；( 5 ) 西安热工研究院开发的z j z 一1 、v d m s 一2 型汽轮发电机 组状态监测与故障诊断系统：( 6 ) 清华大学、哈尔滨工业大学和哈尔滨电工仪表 所等院所联合研制的2 0 0 m w ，3 0 0 m w 汽轮发电机组工况监测与故障诊断专家系 统：( 7 ) 北京英华达公司的e n 8 0 0 0 、e n 9 0 0 0 系统等【4 】【5 1 。 数据采集是指将振动、温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字 量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数据采 集系统。其性能的好坏主要取决于采样速度和精度，在保证精度的条件下，应用 尽可能高的采样速度，以满足实时控制对速度的要求。目前，随着计算机技术的 发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，以及传感器技术和网络技术的快速 进步，数据采集技术得到了迅速发展。国内现在有不少数据采集系统，在硬件实 现上，主要通过单片机、d s p 等完成，有基于p c i 总线、v x i 总线的高速数据 采集系统；在软件实现上，有l a b v i e w 图形化编程软件、v b 、v c 可视化开发 工具。这些数据采集系统的研制成功解决了用户的需要，但也有一部分系统存在 功能单一、采集通道少、采集速度低、操作复杂，并且对测试环境要求较高等问 题。为了满足高效、高速、多通道等要求和适应复杂的测量环境，需要研制开发 新一代的数据采集系统。 1 3 本文的研究内容 目前，电厂中新投运的机组，对汽轮机主机以及部分辅机设备大都配置了 b e n t l y3 5 0 0 系列监测保护仪表( t s i 仪表) 。一方面，这些引进的监测系统对安 全运行起到了积极的作用，保护了机组设备：另一方面，它们的功能还没有被充 分利用。运行人员不能对监测系统显示的异常振动信号及时准确地做出判断，仅 可以得知是否超限报警，无法进行深层次的分析和对故障的诊断。建立监测系统 浙江大学硕士学位论文 和专业人员之间的联系，是提高机组安全性、可靠性的有效技术环节之一。这种 联系有两种方式，一种是利用远距离通信建立的网络信息系统；另一种是具有数 据采集、存储、分析和故障诊断专家系统的在线监测系统，它可以提供专业人员 做离线分析或者在线故障诊断。本课题的内容正是基于b e n t l y3 5 0 0 系列监测保 护仪表，研究开发振动监测系统中的数据采集系统。数据采集器是大型旋转机械 状态监测及故障诊断系统中的重要部分，所采数据的准确性关系到监测、控制的 可靠性和故障诊断的正确性。 本文主要做了以下的研究工作： 1 振动监测数据采集系统的研究开发，包括系统的实现方案，硬件设计( 原 理图设计、电路板设计) 、制作、调试，功能软件的设计、调试，以及系统在实 验室环境下的性能测试； 2 讨论小波分析在振动信号消噪处理中的应用，对各种振动信号处理方法和 小波分析理论作了介绍，应用基于小波分解的信号消噪算法，在m a t l a b 中实 现了对振动信号的消噪处理。 4 浙江大学硕士学位论文 第二章系统方案设计 我们在系统设计之前，首先要明确课题的要求、需要解决的问题以及要实现 的功能等等，只有这样，才能够根据这些要求来确定系统的实现方案，以很好的 满足功能和要求。 2 1 系统的主要功能和要求 课题所要研制的数据采集系统是用于电厂中汽轮发电机组及其辅机设备的 振动监测，因此要完成的任务就是采集机械设备的振动信号，同时根据其应用的 对象，不难分析出具有以下一些特点和要求： 1 实时监测的要求 由于汽轮发电机组要长期稳定的运行，所以要求对其进行连续不间断的状态 监测，实时的振动监测必然要求实时采集机组的振动状态，这就对振动数据采集 系统的长期稳定工作提出了比较高的要求。 2 较高的采集速度和精度 汽轮发电机组及其辅机设备中，很多都是大型的旋转机械，往往转速都比较 高，比如汽轮机的正常工作转速一般在3 0 0 0 f r a i n 左右，一些小的给水泵汽轮机 工作过程中，会达到6 0 0 0 r m i n ，甚至更高，因而数据采集系统需要足够的处理 速度和采集精度来适应这要求。 3 多键相，多通道 在汽轮发电机组辅机系统中，有数量众多的设备，这就需要比较多的振动信 号输入通道。同时，每多一个辅机设备，就要多一个键相( 转速) 信号，因而具 有多键相、多通道的特点；而对于其中每一个设备，又是一键相多通道，以实现 多个测点的采集。 4 同步整周期采样 在汽轮发电机组振动监测系统中，我们不仅要知道振动信号值的大小，而且 要知道信号彼此之间的相位关系，这时就需要采用同步采样技术来实现。同步采 样是每一时刻根据键相信号( 转速) 来确定采样的基准点，同一时刻对多路信号 进行采样，在每个周期内均匀采满相同的点数，这样采集的数据包含了设备运行 浙江大学硕士学位论文 状态的很多重要信息，有助于实现对设备的状态监测和故障诊断。 5 信号的传输功能 数据采集系统采集到的数据，要能够传送到上位的计算机( p c ) ，计算机通 过运行专用分析软件进行数据分析，结果可以在计算机上直观地显示，从而实现 对机组的振动状态监测。 一般说来，一个完整的数据采集系统是由传感器模块、信号调理模块、采集 模块和接口等几个部分组成的，如图2 1 所示： 监 传 吾_ 上 测 感 号采接 位 调集 对 +器 理 + 模 计 模 算 象 模 块 口 机 块 块 图2 - 1 数据采集系统的一般组成 传感器是用来将被测信号按一定规律转换成电信号或者其他形式易于测量 的信号，以满足信息的传输、处理、显示和记录等要求，转换的电信号与所检测 的量成比例地变化【2 1 。传感器输出的信号有时不一定能够直接被采集模块接收， 而通常要进行一些必要的处理，比如放大、滤波、隔离、线性化补偿等，这就是 信号调理模块的功能。采集模块是整个系统的核心部分，振动信号是由它来获取 的，并且完成数据的采集、存储和传输任务。接口是采集模块以什么样的方式与 上位机进行连接，用来实现把采集到的数据传送给上位机，比较常用的接口形式 有串行口、p c i 接口、以太网接口，等等。 2 2 方案的比较与选定 在对国内外振动监测数据采集领域进行广泛的调查研究之后，总结得出，目 前的振动监测数据采集系统中，主要有以下几种实现方案： 1 基于数据采集卡和工控机的技术方案 数据采集卡一般为厂家提供，用户根据系统的要求( 速度、通道数、分辨率， 等等) 来选取合适的数据采集卡。由于工控机具有丰富的接口资源和良好的稳定 性，所以上位机一般不采用p c ，而采用工控机的方案。数据采集卡的接口形式 6 浙江大学硕士学位论文 有i s a 、p c i 0 4 、p c i ，等等，目前的应用中，大多需要高速数据采集卡，因而基 于p c i 总线的数据采集卡使用较多。 2 基于p l c 的技术方案 p l c ( 可编程控制器) 技术是近些年来发展比较迅速的一种自动化技术，已 广泛应用于工业控制中。p l c 为模块化结构，扩展方便，同时具有抗干扰性强、 可靠性高、环境适应性好等特点。此种方案中，选用p l c 的数据采集模块与处理 器模块配合即可实现，在上位机对p l c 编程，程序可通过串口下载到p l c 中，编 程方式简单，可采用梯形图编程，同时可对p l c 进行组态，在上位机显示实时监 测画面。 3 基于嵌入式a r m 微处理器的技术方案 此种方案以高性能的基于a r m 核的微处理器为核心，按照嵌入式系统的设 计方法，自行设计处理器外围功能模块，构成数据采集系统。嵌入式系统具有集 成度高、体积小、功耗低、软硬件可裁剪等特点，专用性强，成本低，但软硬件 开发周期较长。目前，嵌入式a r m 技术得到了广泛的应用。 对上述三种方案进行了一番比较和分析：第一种基于数据采集卡和工控机的 方案，虽然具有速度快、开发周期短等优点，但由于硬盘和操作系统的使用，存 在可靠性和稳定性较差的问题，另外成本较高；第二种基于p l c 的方案，可以采 用多个数据采集模块以实现多功能的采集，并且开发方便，但p l c 与上位机的数 据传输速度受限制，通常是采用串口的接口形式，采样速度也不能达到要求，同 时价格也比较昂贵；第三种基于嵌入式a r m 微处理器的方案，可以针对特定的 应用，开发专用的系统，a r m 核微处理器的主频可以达到1 0 0 m h z 以上，可以 满足高速数据采集的要求，通过以太网接口可以实现与上位机的高速数据传输， 成本较低。 经过以上的比较和权衡之后，放弃了前两种方案，最终采用第三种基于嵌入 式a r m 微处理器的技术方案。 2 3 系统设计方案 基于嵌入式a r m 微处理器数据采集技术的汽轮发电机组振动监测系统的总 体结构，如图2 2 所示。数据采集系统从b e n t l y3 5 0 0 系列t s i 仪表的数据缓冲 7 浙江大学硕士学位论文 口取得振动信号，经过处理后的数据通过以太网传送到服务器，在上位机上运行 专用分析软件进行数据分析。 图2 - 2 振动监测系统结构示意图 本数据采集系统为基于a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 技术设计实现， a r m 不仅是一种技术的名字，也是一个公司的名字，是精简指令集体系结构的 处理器，目前在工业控制、网络技术、通讯产品等领域已得到了广泛的应用。 a r m 微处理器系列有a r m 7 、a r m 9 和a r m l 0 等，a r m 7 系列微处理器内核 工作频率在5 0 - 6 0 m h z 左右，处理速度可以达到1 0 0m i p s ，3 级流水线结构， 而a r m 9 内核的工作频率在2 0 0m h z 左右，5 级流水线结构，处理速度最高可 达2 2 0m i p s ，在相同工艺条件下，a r m 9 的性能近似为a r m 7 的2 倍【3 ”。同时 综合考虑成本因素，因此系统采用基于a r m 9 内核的芯片a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为微 控制器，由几个主要模块组成：微控制器模块、存储器模块、a d 转换模块、键 8 浙江大学硕士学位论文 相信号处理模块、振动信号调理模块、以太网接口模块和电源模块，系统结构如 图2 3 所示，从键相传感器发出键相信号，经过键相信号处理模块处理后，送入 微控制器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，触发采样开始信号；从b e n t l y3 5 0 0 系列t s i 仪表的数 据缓冲口取得振动信号，经信号调理后，由a d 转换模块进行采样，采样结束 后，发送采样完成信号到微控制器，响应后，微控制器读入采样数据，经过处理 的数据通过以太网传送到上位机，如遇网络故障，会将数据保存在大容量的n a n d f l a s h 存储器中，故障排除后再将数据传送到上位机，上位机使用专用数据分析 软件进行数据分析，如此不停地周期工作，以达到实时监测的目的。 图2 - 3 采集系统结构图 9 浙江大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 3 1 微控制器模块 由于监测的对象是高速旋转设备，因而要求能够高速数据采集；同时，电厂 中的工作环境比较恶劣，考虑到以上两方面对于处理速度和稳定性的要求，选用 了a t m e l 公司的a r m 9 系列微控制器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，这是一款工业级的产品， 基于a r m 9 2 0 t 处理器，5 级流水线，哈佛结构，是a t m e l 公司针对系统控制 和通讯领域推出的3 2 位r i s c 微控制器。a t 9 1 r m 9 2 0 0 具有丰富的系统资源， 时钟频率1 8 0m h z ，处理速度可以达到2 0 0m i p s ，1 6 k b 的数据缓存和指令缓存， 具有存储器管理单元( 岱町) ，内部含有1 6 k 的s r a m 和1 2 8 k 的r o m ，带有 两个p l l 的片内振荡器，增强的时钟发生器和电源管理控制器，内含两个三通 道1 6 位定时计数器，有多达1 2 2 个可编程i o 口，集成了多种应用外设及标准 接口，外部总线接口( e b i ) 支持静态存储器、s d r a m ，b u r s tf l a s h 、n o rf l a s h 、 s m a r t m e d i a 、c o m p a c t f l a s h 以及n a n df l a s h ，u s b 2 0 主机和设备双端口，两线 接口( t w i ) ，4 个通用同步异步串行收发器( u s 伽玎) ，串行外设接口s p i ，以 太网接口，等等。系统需要两种电源供应，3 3 v 和1 8 v ，其中3 3 v 是对外设 i 0 口和存储器i o 口供电，而1 8 v 是用于向内核、p l l 和振荡器供电；具有低 功耗性，内核电流为3 0 4 m a 。芯片具有两种封装形式，2 0 8 引脚p q f p 封装和2 5 6 球状b g a 封装。由于数据采集系统是我们自己设计和制造，因而选用的是比较容 易焊接的p q f p - - 2 0 8 封装形式【6 】。 微控制器模块中，包括有a t 9 1 r m 9 2 0 0 的晶振电路和复位电路。a t 9 1 r m 9 2 0 0 的晶振电路中，有两个振荡器，分别是主振荡器和慢振荡器，如图3 - 1 所示，主 振荡器m 1 的频率为培4 3 2m h z ，慢振荡器m 2 的频率为3 2 7 6 8k h z ，分别 接到a t 9 1 r m 9 2 0 0 的x i n 、x o u t 脚和x i n 3 2 、x o u t 3 2 脚，为处理器提供时钟。在 复位电路里选用了美国i m p 公司的电源监控芯片i m p 7 0 5 ，保证系统稳定工作， 如图3 2 所示。 1 0 浙江大学硕士学位论文 图3 - 1 晶振电路图 ；w 口it u r s t l i ， 8 i f融1 ，拗酞舯o 廿o o k v d d 5 2 v c c 锺畦搭嚣r 7in r s i ：i l i 3 a n dw 6p 1 7 5 fi墨 p 娶i 摩f o 3 2 存储器模块 图3 - 2 复位电路图 存储器模块中，包括s d r a m 接口电路、n o rf l a s h 接口电路和n a n df l a s h 接口电路。 3 2 1s d r a m 接口电路 浙江大学硕士学位论文 系统的高速处理，除了需要处理器外，还要有内存。a t 9 1 r m 9 2 0 0 片内含有 1 6 ks r a m ，仅可运行较小的程序，稍大一点的程序就显得空间不够，因此需要 扩展。s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y ) 是同步动态随机 存储器的简称，是近几年得到广泛应用的一种内存技术。所谓“动态”，是指用 它在通电情况下不能长时间保持电量，需要每隔一段时间就进行一次重新加电过 程( 即刷新) ，否则会因为电量自然放尽而丢失数据。其之所以被称为同步动态 存储器，是因为它的工作速度与系统总线速度是同步的，与系统总线速度同步， 也就是与系统时钟同步，这样就避免了不必要的等待周期，减少数据存储时间， 可以实现较快的数据存取速度。 s d r a m 芯片选用了h y n i x 公司的h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 芯片，容量为4 b a n k s 2 m x 1 6 b i t s ，工作电压为3 3 v ，常见封装为5 4 引脚t s o p 封装，具有自动刷新( a u t o r e f r e s h ) 和自刷新( s e l fr e f r e s h ) 的功能，1 6 位的数据宽度，为了充分发挥 a t 9 1 r m 9 2 0 03 2 位数据总线的优势，使用两片 1 1 5 7 v 2 8 1 6 2 0 并联构成3 2 位的 s d r a m 存储器系统，其中一片为高1 6 位，另一片为低1 6 位。s d r a m 的存储 单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新。 因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求c p u 具有刷新控制逻辑，或在系统中 另外加入刷新控制逻辑电路。a t 9 1 r m 9 2 0 0 的外部总线接口( e b i ) 集成有 s d r a m 控制器，可以方便地与s d r a m 接口。e b i 总共有8 个芯片选择口线 ( n c s 7 ：o j ) ，分别对应不同的存储区域，其中n c s l 可配置为静态存储控制 器或者s d r a m 控制器，二者的选择是通过设置e b i 的片选任务寄存器 ( e b i _ c s a ) 来实现的，e b i _ c s a 的地址为0 x f f f ff f 6 0 ，具体方法见下表， 表中0 到7 表示e b i _ c s a 的低8 位【6 】1 8 1 。 表3 一le b i 片选任务寄存器配置表 i 765432 1o i c s 4 a c s 3 ac s l ac s o a c s i a ：片选1 配置； c s l a = 0 ：片选1 配置为静态存储控制器； c s i a = l ：片选1 配置为s d r a m 控制器。 浙江大学硕士学位论文 所以，s d r a m 以n c s i 作为片选信号线，即a t 9 1 r m 9 2 0 0 的n c s l 脚接至 h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 的片选端，n c s l 的存储空间地址范围为0 x 2 0 0 00 0 0 0 o x 2 f f f f f f f 。s d r a m 控制器支持多种配置，如2 k 、4 k 、8 k 行地址存储部分，1 6 位或 3 2 位数据通道，字、半字、字节访问，等等，且具有低功耗等特点，图3 3 为 h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 与a t 9 1 r m 9 2 0 0 的连接图。 图3 - 3s d r a m 接口电路图 1 3 浙江大学硕士学位论文 3 2 2n o r f l a s h 接口电路 要使系统能够正常的稳定运行，除了要有内存外，还需要外部存储器，用来 存放应用程序和大量数据。目前，在嵌入式系统的设计中，外部存储器大多都采 用f l a s h 存储器。本数据采集系统中，使用了两种f l a s h 存储器：n o rf l a s h 和 n a n df l a s h 。n o r 和n a n d 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术，n o r 的特点 是芯片内执行( x i p ，e x e c u t e i n p l a c e ) ，这样应用程序可以直接在f l a s h 闪存内 运行，不必再把代码读到系统r a m 中，n o r 的传输效率很高，在i 4 m b 的小 容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能， n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速 度也很快，应用n a n d 的困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的系统接口。系统中， n o rf l a s h 用来存放程序代码，而n a n df l a s h 由于具有很高的数据存储密度，则 用于存储大量数据【7 】。 n o rf l a s h 存储器是一种可在系统( i n - s y s t e m ) 进行擦写，掉电后信息不丢 失的存储器，具有低功耗、读取速度快等特点。系统中，n o rf l a s h 存储器选用 的是a m d 公司生产的a m 2 9 l v l 6 0 芯片，存储容量为2m b ，1 6 位数据宽度， 工作电压为2 7 3 6 v ，4 8 脚t s o p 封装，用来存放系统程序【2 矾。系统上电后， 要从n o rf l a s h 启动，即执行n o rf l a s h 中的程序，a t 9 1 r m 9 2 0 0 的启动模式有两 种，分别是将两个不同存储区域映射到内部存储器域0 ，然后从内部存储器域0 的o x o 地址开始执行，根据b m s ( b o o tm o d es e l e c t ) 引脚的状态来确定启动 模式，其逻辑见表3 2 ，所以只有在b m s 为0 的状态下，才能执行到外部存储 器的程序，而外部存储器域0 对应的是n c s 0 片选口线，因此要将n o r f l a s h 配置 到n c s o 上。这样，需要把n c s 0 配置为静态存储控制器，将e b i _ c s a 寄存器的 c s o a 位设为0 即可，参见表3 - 1 ，n c s o 的地址范围为o x l 0 0 00 0 0 0 o x l f f ff f f f 。 表3 - 2 启动模式选择表 b m s 状态 l0 l l 内部存储器域。 内部r o m 外部存储器域0l 静态存储控制器( s m c ) 产生信号来控制外部静态存储器或外设的访问， 浙江大学硕士学位论文 支持8 位或1 6 位数据总线，由于a m 2 9 l v l 6 0 是1 6 位数据宽度，所以选择1 6 位数据总线接口，其选择通过设置s m c 片选寄存器的d b w 位来实现，d b w 具 有高低两位，见下表： 表3 - 3 数据总线宽度选择表 d b w数据总线宽度 0o保留( 3 2 位) o1 1 6 位 l0 8 位 11 保留 a t 9 1 r m 9 2 0 0 与a m 2 9 l v l 6 0 之间的连接如图3 q 所示。 图3 4n o rf l a s h 接口电路图 3 2 3n a n d f l a s h 接口电路 在数据采集系统与上位机的通讯过程中，如果遇到网络故障，振动数据则无 法及时传送到上位机。为了解决这一问题，系统中设计了大容量的n a n df l a s h 浙江大学硕士学位论文 存储器，用于故障时的大量数据存储。n a n df l a s h 存储器使用的是s a m s u n g 公司的k 9 f 1 2 0 8 ，容量达6 4 m b ，工作电压3 3 v ，4 8 脚t s o p 封装。a t 9 1 r m 9 2 0 0 的外部总线接口支持s m a r t m e d i a 和n a n df l a s h ，两者的控制管脚复用，n a n d f l a s h 器件的地址锁存使能与命令锁存使能信号由e b i 地址总线的a 2 2 与a 2 1 位 驱动，s m o e ( 智能媒体输出使能) 引脚接到k 9 f 1 2 0 8 的n r e 端，s m w e ( 智能媒体 写使能) 引脚接到n w e 端，芯片使能( n c e ) 信号及就绪忙( n r b ) 信号与a t 9 1 r m 9 2 0 0 的p c 口线连接，图3 5 为电路连接图。 图3 - 5n a n df l a s h 接口电路图 3 3 振动信号调理模块 从传感器输出的信号，在送入采样之前，一般都要经过振动信号调理模块的 预处理，只有少数传感器可以将待检测的信号直接转换为数字信号，大部分传感 器输出的仍是电压或电流等模拟信号。总体而言，数据采集系统能够接受的信号 有：开关信号( s w i t c hs i g n a l ) 、数字信号( d i g i t a ls i g n a l ) 和l 模拟信号( a n a l o gs i g n a l ) 。 6 浙江大学硕士学位论文 如果数据采集系统接受的是开关信号或数字信号，则可以直接进行处理。但是， 在绝大部分情况下接受的都是模拟信号，因而必须对通过传感器转换后的信号先 进行调理，然后再进行模数转换，进而得到良好的采集效果p 1 。 3 3 1 传感器简介 传感器的作用是按一定规律将被检测量转换为数据采集系统能够测量的电 信号，它所产生的电信号与它所检测的物理量成比例地变化。理想的传感器应该 能够将各种被检测量转换为高输出电平的电量，能够提供零输出阻抗，噪声极低， 并具有良好的线性和重现性【3 ”。 传感器的种类很多，按输入信号不同可分为：加速度、速度、位移等，按变 换原理不同可分为：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热敏式、光敏 式等。在汽轮发电机组中使用的振动传感器主要有磁电式速度传感器、压电式加 速度传感器和电涡流位移传感器。大型机组中电涡流位移传感器应用较多，电涡 流位移传感器是根据电涡流感应原理，通过传感器端部线圈与被测物体( 导电体) 间的间隙变化来测量物体的振动和静位移。其最大特点是与被测物之间不需要接 触，因此，特别适合测量具有表面线速度的转子轴的振动 2 3 7 1 。 根据电涡流传感器的工作原理，通过不同的布置，可以测取汽轮发电机组运 行时转子的多种机械参数，如轴振动、轴心轨迹、相位、转速、轴向位移和轴绝 对振动，等等。两个互成9 0 0 的传感器，首先可以测量转轴垂直和水平两个方向 的振动，以衡量转子及支承系统振动的不对称性，通常认为右侧为水平值，左侧 为垂直值。若把这两个方向的测量信号合成，可以得到轴心轨迹图。利用电涡流 传感器及对应转轴上的凹槽或凸台，可以方便地实现振动相位的测量，以确定转 子上振幅及不平衡量的相对位置。由于受结构限制，电涡流传感器安装在轴承座 上，测量得到的值为转子与轴承座的相对振动。若要测取轴的绝对振动，要采用 复合传感器的形式，用电涡流传感器测量轴与轴承座的相对振动，而用速度传感 器来测量轴承座的绝对振动，然后将这两路信号在时域中相加，可以获得轴的绝 对振动值l ，j 。 进入振动监测系统的信号，可以从电涡流传感器前置器的输出端获得，也可 以从b e n t l y3 5 0 0 系列t s i 仪表的数据缓冲输出端得到。本系统采用的是，从现 1 7 浙江大学硕士学位论文 场b e n t l y3 5 0 0 的缓冲输出端取得振动信号，该信号是经过电涡流传感器转换得 到的电压信号，键相信号为负脉冲。 3 3 2 振动信号调理电路 振动信号预处理的目的在于提高信号的可靠性和数据的精度，使振动监测和 故障诊断的结果更加准确。预处理的核心问题是提高信号的信噪比，这是因为信 号采集时往往受到各种干扰，如机械零件的振动干扰、电气干扰等，另外反映电 涡流传感器与轴之间的间隙电压的直流量比较大，而反映振动量的交流量比较 小，需要对信号进行放大、隔直等处理，以满足振动监测信号分析的需要【_ 7 】【3 7 】。 振动信号调理模块的主要作用是将来自传感器的信号进行放大、线性化、滤 波、隔离等处理，图3 - 6 为预处理的流程图，信号先分压然后保持，一路滤波得 到纯直流量；另一路由原来保持的信号减去该直流量得到交流信号。 图3 - 6 信号调理模块流程图 模拟滤波电路可分为无源滤波电路和有源滤波电路。无源滤波电路一般由电 阻、电容、电感网络组成，其缺点是滤波电路的通常放大倍数及其截止频率都随 负载而变化，常常不符合信号处理的要求。有源滤波电路一般由r c 网络和集成 运放组成，它很好的克服了无源滤波电路的缺点，因而被广泛采用。有源滤波器 广泛应用于各种系统中，尤其是数据采集系统。由运算放大器、电阻、电容等元 件构成的有源滤波器一旦电阻和电容值确定后，滤波器的参数就确定下来了，不能 1 8 浙江大学硕士学位论文 实时改变，因此也有一定的局限性【7 ”。 滤波电路采用有源阻容低通滤波的方式，有源滤波具有体积小、效率高、频 率特征好等优点。对混合信号中的交流信号采用二阶有源低通滤波，使得信号频 率高于截止频率时，交流信号衰减得更快，有效滤除混合信号中的交流量；对混 合信号分离出的交流信号采用一阶有源低通滤波，时间常数为2 0 0 微秒，远小于 2 0 毫秒( 汽轮发电机组正常工作时的周期) ；截止频率为7 9 5 7 i - i z ；远高于机组 正常工作时的频率5 0 i - - i z ，使采样时能充分采集振动信号中的高频成分，更好为 振动数据的分析、处理提供有效参考信息1 7 j 。 3 4a d 转换模块 在系统控制和数据采集中，经常遇到数值随时间连续变化的物理量，这种连 续变化的物理量，称为模拟量，与此相对应的电信号是模拟电信号。显然