（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp的带有usb接口的数据采集及处理电路的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 ? f 随着信息技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成 为一门关键的技术科学。而数字信号处理器( d s p ) 芯片的出现则为数字信号处 理算法的实现提供了可能。d s p 芯片是具有特殊结构的微处理器，专门为快速实 现各种数字信号处理算法而设计：) 本文既是设计一种以通用型d s p 芯片为核心的 数据采集和处理电路，并将其应用于大型旋转机械的状态监测系统。 本文首先说明了状态监测系统在工业生产中的必要性和重要意义以及幽内外 状态监测系统的发展情况。然后较为详细地介绍了旋转机械振动信号的特点并讨 论了状态监测系统的任务、组成及其功能。 串行通用总线( u s b ) 具有低成本、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特 、 点，已被广泛地用在p c 机及嵌入式系统上。采用u s b 进行通讯是本课题的一个特 点，因此论文的第二章介绍了u s b 总线的发展、组成结构及特点。 在电路设计中本文提出了模块化的设计方法，并重点叙述了模拟信号调理模 块、d s p 模块、u s b 接口模块和可编程逻辑器件模块等的设计方法、电路形式方 一一 面内容。其中又对可编程逻辑器件的开发，对利用硬件描述语言v e r i l o g 编程和 t o p d o w n 的设计方法，及e d a 软件的辅助设计做了专门的介绍。 i 调试和优化是确保设计成功必不可少的步骤，本文就这一问题展开了讨论并 总结了调试和优化过程中应该注意的各种问题。文章的最后，对整个电路子系统 一一j 的设计做了回顾，并指出现存的一些缺陷并提出了改进的方法，为今后系统的升 k 级作出了准备。) 7 关键词】d s p ，u s b ，旋转机械，状态监测，电路 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e h i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s st e c h n o l o g yh a sb e e nav e r yk e ys c i e n c em o r ea n dm o r e a n d d s p , t h i sk i n do fc h i ph a v i n gas p e c i a la r c h i t e c t u r ef o rf f ta r i t h m a t i c ，h e l p su st o p r o c e s ss o m ed i g i t a ls i g n a l s t h ea i mo f t h i sp a p e ri st od e s i g nad a t aa c q u i s i t i o np c b ， w h i c hw i l lb e a p p l i e di nr o t a t i n gm a c h i n e r y c o n d i t i o n m o n i t o r i n g ，w i t hac h i po f d s r f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e su st h ei m p o r t a n c ea n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so f r o t a t i n gm a c h i n e r yc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m s i na d d i t i o n ，s o m ec h a r a c t e r i s t i c so f v i b r a t i o ns i g n a la r et o l da n ds o m ef u n c t i o n so ft h es y s t e m sa r et a l k e da b o u ti nd e t a i l s b e c a u s eo fl o wc o s t ，s i m p l e n e s sa n dp n p , u n i v e r s a ls e r i a lb u sh a sb e e nw i d e l y u s e di np ca n de m b e d d e ds y s t e mf i e l d s o ，t h ep r o j e c tc h o o s ei ta st h ei n t e r f a c ew i t h p c a n di nt h es e c o n dp a r to ft h ep a p e r ，m a n ya s p e c t s ，s u c ha s d e v e l o p m e n ta n d c o n f i g u r a t i o n ，o f u s ba r ei n t r o d u c e d t h ep a p e rs a y st h a tm o d u l em e t h o di sav e r ye f f i c i e n tw a yt od e s i g nt h ec i u c u i t i n c l u d i n gm o d u l e so fa n a l o gs i g n a l s ，d s p , u s bi n t e r f a c e ，p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ， p o w e ra n ds oo n w h e nd e v e l o p i n gc p l d f p g a ，w eu t i l i z ev e r i l o g ，o n eo fm o s t p o p u l a rh a r d w a r ed e s c r i b el a n g u a g e a n dt o p d o w nd e s i g nm e t h o dw i m t h eh e l po f e d a t o o l s ，s u c ha s v e r i l o g _ x lo f c a d e n e ec o r p a n dx i l i n x si s e 4 i a tt h ee n do f p a p e ls o m eb u g s a r ep u tf o r w a r d sa tp r e s e n t s i m u l t a n e i t y ，w es h o w s e v e r a lw a y st os o l v et h e mi nt h ef u t u r e 【k e y w o r d s d s p , u s b r o t a t i n gm a c h i n e r y , c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，c i u c u i t 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 在这一章里，我们首先说明状态监测系统在工业生产中的必要性和重要意义， 然后介绍国内外状态监测系统的发展情况，由此提出论文课题即“基于d s p 的带 有u s b 接口的数据采集及处理电路的设计”最后，我们给出了课题的设计任务。 第一节引言 旋转机械( 汽轮机、燃气轮机、水轮机、发电机、航空发动机、离心压缩机 等机械设备) 是电力、石油化工、冶金、机械、航空以及一些军事工业部门的关 键设备。随着现代工业和科学技术的发展以及自动化程度的进一步提高，旋转机 械正朝着大型化、高速化、连续化、集中化、自动化方向发展，生产系统中各设 备之间的联系也越来越紧密。由于各种随机因素的影响，这些机械难以避免会出 现一些故障现象，降低或失去一定的功能；而机组一旦出现故障就可能引起连锁 反应，导致整个设备甚至整个生产过程无法正常工作，造成巨大的经济损失，甚 至还会引起严重的灾难性人员伤亡事故。因此，研究、发展状态监测、故障诊断 和状态预测技术不仅可以早期发现故障，避免恶性事故的发生，还可以从根本上 解决目前设备定期维修中维修不足和维修过剩问题，所以是当前科技和工业发展 的重要研究课题之一。 旋转机械状态监测系统检测反映旋转机械状态的转子振动、机壳振动、齿轮 箱振动以及工艺量参数( 温度、压力、流量) 等，并进行多利一方式的信号采集和 信号处理，获取机组状态特征值，是旋转机械故障诊断和状态预测的基础。 第二节状态监测系统的发展状况 从二十世纪80 年代丌始，国外丌发研制了多种旋转机械状态监测系统 美国c s i 公司的便携式机器状态分析系统，准在线状态监测系统和在线状态脓测 系统，关国b e n t l yn e v a d a 公司的d d m 动态数据管理系统，t d m 瞬态数据管理系统、 a d 旋转机械自动诊断系统，月麦b & k 公司的便携式数据采集分析系统和英i ) i j辽il 浙江大学硕士学位论文 公司的机器分析系统等。国内从1 9 8 5 年起，哈尔滨工业大学、清华大学、西安交 通大学、浙江大学等单位陆续推出了旋转机械在线状态监测系统、便携式机器分 析系统等应用于石化、钢铁等大型工业企业当中。 从目前研制并推广应用的旋转机械状态监测系统看，可以分为三种类型：第 一类是便携式数据采集分析系统，这类系统主要用于对现场大量机器设备进行巡 检；第二类是在线的状态监测系统，这类系统用于对工业现场的关键机组进行连 续的实时状态监测：第三类是准在线状态监测系统，这类系统具有小型化、便携 式特点，用于对工业现场某一机组进行一段时间的实时状态监测。对工业现场的 旋转机械进行状态监测时，不同的状态监测场合需采用不同类型的状态监测系统。 由于不同类型的状态监测系统由不同的生产厂家设计制造，其操作方式、数据采 集和分析方法、数据库的数据结构、报表格式等诸多方面均不相同，给工业现场 设备状态监测和设备管理造成了困难。 进入二十世纪90 年代，随着计算机硬件和软件技术的发展，仪器系统设计 思想发生了重大改变，其代表是美国n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司的虚拟仪器系统 ( v i r t u a li n s t n a n e n t ) 。虚拟仪器系统以通用计算机为核心，通过加在通用计算机上 的一组硬件和软件而构成，使用者操作这台计算机，就象是操纵一台他自己设计 的传统的电子仪器。虚拟仪器系统的关键是n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司开发的图形化 组态化虚拟仪器软件平台l a b v i e w ，它具有如下特点： 1 用“所见即所得”的可视化技术在通用计算机上建立仪器系统人机界面， 系统提供大量传统电子仪器面板的模拟构件，如数字表头、模拟表头、按键等， 用户可以根据自己的需要方便地构造仪器系统人机界面。 2 提供为数众多的硬件驱动程序，包括多种类型的数据采集卡、r s 2 3 2 目j 行 通信设备、g p i b 并行通信设备和v x i 总线设备等，用户在构建自己应用系统时， 无需关心硬件底层操作。 3 使用图标表示功能模块，使用图标间的直线表示各功能模块问传递数抓， 使用为大多数工程师和科学家熟悉的数据流程图设计组建虚拟仪器应刖系统，井 且系统提供大量的数据分析处理函数。 n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司的虚拟仪器系统彻底打破了传统仪器功能完全山 生产厂家定义，仪器操作面板完全固定，功能单一的状况。虚拟仪器极大地提高 浙江大学硕i ：学位论文 了仪器系统的“柔性”，是通用仪器系统设计的主要发展方向之一。 借鉴n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司的虚拟仪器系统设计思想，我们研制了新一 代旋转机械状态监测系统，改变了目前由于不同类型的状态监测系统诸多方面的 不相同而造成的工业现场机组状态监测和设备管理的混乱局面。 旋转机械状态监测系统的任务是：一方面对反映旋转机械状态的多种信号进 行多种方式的信号采集，另一方面对采集的各种信号用数字信号处理技术进行各 种方法的加工、变换、提取反映旋转机械状态的特征。特征提取是旋转机械状态 监测系统的重要组成部分，目前已投入工程应用的旋转机械状态监测系统几乎都 是采用经典数字信号处理方法进行特征提取，经典信号处理包括幅值域分析、时 域分析和频域分析。幅值域分析包括计算信号的平均值、单峰值、有效值、方差 和概率密度等。时域分析完全是在时间域中分析信号，时间分辨率理论上为无穷 大，但频率分辨率为零，常用的时域分析方法包括时域波形、轴心轨迹、叠置轴 心轨迹等。基于f o u r i e r 变换的频域分析是建立在信号为平稳信号基础上的分析 方法，常用的频域分析方法包括基于f f t 的频谱分析、差谱分析、时间谱阵分析、 转速谱阵分析、二维全息谱分析和包络谱( e n v e l o p es p e c t r u m ) 分析、倒谱 ( c e p s t r u m ) 分析、恒比例带宽谱( c o n s t a n tb a n ds p e c t r u m ) 分析等。用经典数字 信号处理方法提取旋转机械状态特征已进行了大量的理论和工程实践研究，积累 了丰富的理论和实践知识，是目前旋转机械状态监测广泛采用的特征提取方法。 但是，在某些情况下，反映旋转机械状态的信号是典型的非平稳信号，如机 组升降过程的转子振动信号、轴承表面剥落而产生的冲击信号等。对于这种非平 稳信号，实际上往往需要知道信号在任一时刻的频率特征，需要同时对信号在时 域和频域上实彳亍局部化分析，以得到更为准确的特征信息。由h e i s e n b e r g 测不准 原理知，这是单纯时域分析和频域分析都做不到的。予波分析( w a v e e ta n a ly s i s ) 是当前应用数学中一个迅速发展的新领域，与f o u r ie r 变换、窗1 3f o u r jo r 变换 ( g a b o r 变换) 相比，子波变换是时间( 空间) 和频率的局域细化分析( m u l l is c ；1 ic a n a l y s i s ) ，解决了f o u r i e r 变换不能解决的许多困难问题，能有效地对非平稳信 号进行时域和频域局部化分析，被誉为“数学显微镜”，它是调和分析发展史上的 罩程碑式的进展，成为国际上众多学术团体和学科领域共同关注的研究的热点。 近几年，用子波分析方法进行旋转机械状念特征提取也得到一些应j f j l i j 】= 究，t j j ：耿 浙江大学硕士学位论文 得了一些研究成果，虽然目前尚未在工程上推广使用，但无疑是旋转机械特征提 取方法研究的主要方向之一。 纵观国内外情况，我们可以看出状态监测仪器设备的开发有以下几个明显的 发展趋势： 1 对各种类型的旋转机械进行日常维护、监测，使得其向小型化、便携式、 通用化方向发展。这种类型的小仪器只需要现场的工人携带在身上定时从机组外 壳拾取振动信号( 般通过压电传感器) ，并在现场进行简单的计算判断存储后( 这 种软件一般固化在系统内部) 。再通过所配置的通用仪器接口，如i e e e 一4 8 8 、r s - - 2 3 2 等与各种计算机相连，以便将取回的的数据作进步的数据处理，充分利用 高一级计算机的数据资源。 2 向连续、在线、实时的状态监测和故障诊断系统方向发展。这类系统功能 齐全，但耗资较大，一般适用于重要的关键设备。此类系统广泛地应用了多微处 理机技术，从现有厂家生产的产品来看，它包括以下几个部分： 3 备有强有力的数据采集和信号预处理电路，如程控放大器、跟踪滤波器等。 这部分电路必须保证采集的数据能适应复杂多变的机组对象及各种工况。 4 备有专用的实时频谱分析仪，对现场采集的数据进行实时频谱分析。因为 无论是现在或是今后的一段时间内，作为广泛应用的f f t 分析技术都将是分析信 号结构特征的实用性技术，尽管目前已出现了包括时间序列分析方法在内的各种 新技术。 5 监控系统网络化。利用网络资源，系统主机作为一个整体的核心，负责收 集下位机通过网络传来的数据。利用本机所带的软件，分析、计算、结合各种类 型的数掘库，设计组态化模块来提供丰富的功能，作出最终的决策性判断。 第三节旋转机械状态监测系统的结构 完整的网络化的状态监测系统由总线监测系统为单元构成，形成由接 1 总线 和以太网两级总线组成的监测系统，系统结构如图1 2 所示。 系统由实时数据采集的现场工作站、记录数据的服务器数据库、进行远程分 析以及仪器软面板的w e b 网页发布监测站构成，并具有在线浏览的功能，适合_ r 浙江大学硕士学位论文 人、车间到分厂到总公司的全方位多机群的在线监测系统。系统使用l a b v i e w 、 v b 和s q ls e r v e r 网络数据库编程。网络传输按1 0 m b m s 一1 0 0 m b p s 的速度设计， 各工作站和服务器之间的数据传送是通过t c p i p 协议直接开s o c k e t 端口，使大量 的实时数据的传输速度能满足要求。 监测系统的核心和基本组成单元是数据监测仪，而数据监测仪最关键的组件 就是前端的数据采集卡。由于在每块数据采集卡上都集成了通讯接口，每个设备 具有唯一的地址，监控p c 机通过接口总线对设备进行寻址和数据采集。在此系统 中现场设备中的数据通过传感器阵列将信号送至处理单元进行a d 处理，处理后 的数字信号通过接口总线在监控p c 机上进行汇总，从而实现了多通道、实时性的 数据采集和状态监测。 如果将上述的数据监测仪联入以太网，将可以组成一个分布式的多级并行处 理系统，从而实现基于网络的大型监控系统。在网络方式下，数据处理工作站可 远程对网络上的任监控p c 机所联的设备进行监测和状态分析，同时各个数据处 理工作站将通过接口总线收集的设备数据送往服务器上的数据库进行保存，以提 图1 2 网络型监测系统结构图 供如历史数据分析、趋势分析等数据处理服务，服务器同时负责管理和配置各个 浙江大学硕士学位论文 数据处理工作站的工作方式和采集策略。 第四节本课题的任务 在本实验室开发上一个版本的旋转机械状态监测系统中，每台数据监测仪是 采用i s a 接口、基于c 5 1 系列单片机的数据采集卡。正是由于i s a 接口和单片机 系统在数据采集、处理、传输过程中固有的局限性，使得原系统在应用中有很大 的不足，具体表现为： 1 8 0 c 5 1 芯片对数字信号处理能力有限，所以系统无法做到实时快速傅立叶 变换( f f t ) 。 2 系统只能采集振动信号，无法进行慢变信号的采集和处理。 3 用分立元器件实现数据处理和逻辑控制使得电路板面积过大，不利于系统 的安装、调试和维护。 4 i s a 总线传输速度有限，无法满足系统升级后越来越高的传输速度需求。 5 p c 内部i s a 插槽已淘汰，且其对p c 机依赖太强，容易影响p c 系统运行 效率。 正是由于上述缺陷的存在，我们希望设计一种新型的数据采集予系统，它具 有f f t 运算的实时性：可以集成慢变开关量信号的采集处理；可实现多种类型工 业信号的采集和处理：有较高速的传输速率和上位机交换数据；另外，通过适当 的软硬件扩展可以组成便携式的数据采集分析仪器，独立、灵活地完成数据采集 和数据的实时分析。 本课题的任务既是研制这样一种具有高速、灵活特点的数据采集卡，可以和 旋转机械的状态监测系统其他部分相互配合共同完成工业现场振动信号、慢变量 信号的在线监测、实时分析等功能，为大型旋转机械的安全运行提供可靠的保证。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章串行通用总线( u s b ) 采用u s b 总线作为接口使用是本课题的一个特点，在这一章里，我们详细的 介绍u s b 总线的发展、组成结构及特点。 第一节u s b 总线的发展 在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外围设备。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 m a 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，为以计算机为核心的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、易于扩展等特点，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。 第二节总线u s b 的特点 一优点 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酣。茸， 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 系统最多可支持1 2 7 个物理设备。u s b 设螽的带宽 浙江大学硕士学位论文 可从几k b p s 到几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 电玉, 1 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 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。 二缺点： 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 本身可以提供5 0 0 m a 的电力，但一 旦碰到高电耗的设备，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 。 第三节u s b 系统的拓扑结构 一个u s b 系统包含三类硬件设备：u s b _ q e j l ( u s bh o s t ) 、 u s b 始( u s b d e v i c e ) 、u s b 黼( u s b h u b ) ，如图1 所示。 浙江犬学颂士学位论文 围1典型的u s b 系统拓扑缩拘 1 u s bh o s t 在一个u s b 系统中，当且仅当有一个u s bh o s t 时，u s bh o s t 有以下功能： ( 1 )管理u s b 系统 ( 2 )每毫秒产生一帧数据 ( 3 )发送配置请求对u s b 设备进行配置操作 ( 4 )对总线上的错误进行管理和恢复 2 u s bd e v i c e 在一个u s b 系统中，u s bd e v i c e 和u s bh u b 总数不能超过1 2 7 个。u s bd e v i c e 接收u s b 总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数 据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应u s bh o s t 的数据包与u s bh o s t 进行数据传输。 3 ，u s bh u b u s bh u b 用于设备扩展连接，所有u s bd e v i c e 都连接在l s b i 删* ii 1 。 一个u s bh o s t 总与一个根h u b ( u s br o o th u b ) 相连。u s bh u b 为其每个端口提供 l o o m a 电流供设备使用。同时，u s bh u b 可以通过端口的电气变化诊断出设备的插 拔操作，并通过响应u s bh o s t 的数据包把端口状态汇报给u s bh o s l 。一般来说， u s b 设备与u s bh u b 间的连线长度不超过5 m ，u s b 系统的级联不能超过5 级( 包括 r 0 0 th u b ) 。 9 浙江大学硕士学位论文 第四节u s b 总线数据传输 u s b 总线上数据传输的结构如图2 所示。 固2u s b 息境上数据传墙嫱掏 从物理结构上，u s b 系统是一个星形结构；但在逻辑结构上，每个u s b 逻辑设 备都是直接与u s bh o s t 相连进行数据传输的。在u s b 总线上，每m s 传输1 帧数 据。每帧数据可由多个数据包的传输过程组成。u s b 设备可根据数据包中的地址信 息来判断是否响应该数据传输。在u s b 标准1 1 版本中，规定了4 利，传输力式以 适应不同的传输需求： 1 控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 控制传输发送设备请求信息，主要用于读取设备配置信息及设备状态、设置 设备地址，设置设备属性、发送控制命令等功能。全速设备每次控制传输的最大 有效负荷可为6 4 个字节，而低速设备每次控制传输的最大有效负荷仪为8 个字节。 2 同步传输( is o c h r o n o u st r a n s f e r ) 同步传输仅适用于全速高速设备。同步传输每m s 进行一次传输，有较大的 带宽，常用于语音设备。同步传输每次传输的最大有效负荷可为1 0 2 3 个字节。 3 中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 中断传输用于支持数据量少的周期性传输需求。全速设嵛f f , j q - ，惭传输删j ! ju j 为l 、2 5 5 m s ，而低速设备的中断传输周期为1 0 2 5 5 m s 。全速设备每次- t 断传输的 最大有效负荷可为6 4 个字节，而低速设备每次中断传输的最大有效负荷仅为8 个 字节。 浙江大学硕士学位论文 4 块数据传输( b u l kt r a n s f e r ) 块数据传输是非周期性的数据传输，仅全速高速设备支持块数据传输，同时， 当且仅当总线带宽有效时才进行块数据传输。块数据传输每次数据传输的最大有 效负荷可为6 4 个字节。 第五节u s b 总线系统硬件连接 u s b 通过一个四线电缆来传输信号与电源，如图2 3 所示。 5 m e t e r s m a x v b u s d + d g n d v b u s d + d g n d 图2 3u s b 电缆 其中d + 和d 一是一对差模的信号线，而v b u s 和g n d 则提供了+ 5 v 的电源，它 可以给一些设备( 包括h u b ) 供电。u s b 提供了两种数据传输率：一种是1 2 m b 的全 速( f u l ls p e e d ) 模式，另一种是1 5 m b 的低速模式，这两种模式可以同时存在于 一个u s b 系统中( 注：在新发布的2 0 协议版本中，增加了高速模式，数据传输 率可达4 8 0 m b ) 。u s b 信号线在全速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线，而且最长 不能超过5 m ；而在低速模式时可以使用非屏蔽电缆，甚至是非双绞的线，但最长 不能超过3 m 。为了与电缆阻抗匹配，在电缆的每一端都使用了非平衡终端匹配电 阻。该电阻也保证了能够检测外设与端口的连接或分离，并且可以区分全速与低 速设备。 第六节采用u s b 传输的数据采集系统 一硬件组成 一个实用的u s b 数据采集系统包括a d 转换器，微控制器以及u s b 通信接口。 为了扩展其用途，还可以加上多路模拟丌关和数字i o 端口。 浙江大学硕士学位论文 a d 卜 转换1 一 数字： i 0 i= 今 图2 4u s b 系统硬件框图 系统的a d 、数字i o 的设计可沿用传统的设计方法，根据采集的精度、速 率、通道数等诸元素选择合适的芯片，设计时应充分注意抗干扰的性能，尤其对 a d 采集更是如此。 在微控制器和u s b 接口的选择上有两种方式，一种是采用普通单片机加上专 用的u s b 通信芯片。现在的专用芯片较流行的有n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司 的u s b n 9 6 0 2 ，s c a n l o g i c 公司的s l il 等。笔者曾经采用a t m e l 公司的8 9 c 5 1 单 片机和u s b n 9 6 0 2 芯片构成系统，取得了良好的效果。这种方案的设计和调试比 较麻烦，成本相对而言也比较高。 另一种方案是采用具备u s b 通信功能的单片机。随着u s b 应用的日益广泛， i n t e l 、s g s t o m s o n 、c y p r e s s 、p h i i i p s 等芯片厂商都推出了其备u s b 通信接门的 单片机。这些单片机处理能力强，有的本身就具备多路a d ，构成系统的电路简单， 调试方便，电磁兼容性好，因此采用具备u s b 接口的单片机是构成u s b 数据采集 系统较好的方案。不过，由于具备了u s b 接口，这些芯片与过去的开发系统通常 是不兼容的，需要购买新的开发系统，投资较高。 u s b 的一大优点是可以提供电源。在数据采集设备中耗电量通常不大，因此 可以设计成采用总线供电的设备。 二软件构成 每个u s 8 只有个主机，它包括以下几层： 1 u s b 总线接口 u s b 总线接口处理电气层与协议层的互连。从互连的角度来看，相似的总线接 口山设备及主机同时给出，例如串行接口机( s i e ) 。u s b 总线接口由主控制器实现。 2 u s b 系统 1 2 事一 浙江大学硕士学位论文 u s b 系统用主控制器管理主机与u s b 设备间的数据传输。它与主控制器问的接 口依赖于主控制器的硬件定义。同时，u s b 系统也负责管理u s b 资源，例如带宽和 总线能量，这使客户访问u s b 成为可能。u s b 系统还有三个基本组件： ( 1 ) 控制器驱动程序( h c d ) 它可把不同主控制器设备映射到u s b 系统中。h c d 与u s b 之间的接口叫h c d i ， 特定的h c d i 出支持不同主控制器的操作系统定义，通用主控制器驱动器( u i t c o ) 处于软结构的最底层，由它来管理和控制主控制器。u h c d 实现了与u s b 主控制器 通信和控制u s b 主控制器，并且它对系统软件的其他部分是隐蔽的。系统软件中 的最高层通过u h c d 的软件接口与主控制器通信。 ( 2 ) u s b 驱动程序( u s b d ) 它在u t t c d 驱动器之上，它提供驱动器级的接口，满足现有设备驱动器设计的 要求。u s b d 以i o 请求包( i r p s ) 的形式提供数据传输架构，它由通过特定管道 ( p i p e ) 传输数据的需求组成。此外，u s b d 使客户端出现设备的一个抽象，以便于 抽象和管理。作为抽象的一部分，u s b d 拥有缺省的管道。通过它可以访问所有的 u s b 设备以进行标准的u s b 控制。该缺省管道描述了一条u s b d 和u s b 设备间通信 的逻辑通道。 ( 3 ) 软机软件 在某些操作系统中，没有提供u s b 系统软件。这些软件本来是用于向设备驰 动程序提供配置信息和装载结构的。在这些操作系统中，设备驱动程序将应用提 供的接口而不是直接访问u s b d i ( u s b 驱动程序接口) 结构。 ( 4 ) u s b 客户软件 它是位于软件结构的最高层，负责处理特定u s b 设备驱动器。客户程序层描 述所有直接作用于设备的软件入口。当设备被系统检测到后，这些客户程序将直 接作用于外围硬件。这个共享的特性将u s b 系统软件置于客户和它的设备之f 刊， 这就要根掘u s b d 在客户端形成的设备映像由客户程序列它进行处州。 主机各层有以下功能： 1 测连接和移去的u s b 设备。 2 管理主机和u s b 设备间的数据流。 3 连接u s b 状态和活动统计。 浙江大学烦：l 学位论文 4 控制主控制器和u s b 设备间的电气接口，包括限量能量供应。 h c d 提供了主控制器的抽象和通过u s b 传输的数据的主控制器视角的一个抽 象。u s b d 提供了u s b 设备的抽象和u s b d 客户与u s b 功能间数据传输的一个抽象。 i j s l 3 系统促进客户和功能问的数据传输，并作为u s b 设备的规范接口的一个控制 点。u s b 系统提供缓冲区管理能力并允许数据传输同步于客户和功能的需求。 三u s b 传输协议 1 软件构成包( p a c k e t s ) u s b 编码以帧为单位，帧是由多个相应的包构成。包是一些特殊域的组合。 所有的包以同步域开始，其次为包标识符( p i d ) 、地址信息、帧号数或数据。通 常有四种类型的包，分别为信令包( t o k e np a c k e t ) 、数据包( t o k e np a c k e t ) 、数据 报( d a t ap a c k e t ) 、握手包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 及特殊包( s p e c i a lp a c k e t ) 。 图2 5 为控制传输包的组合。 图2 5 传输包结构 2 描述符 u s b 设备应用描述符来表示它们的属性。一个描述符是定义的数据结构，它 是以包含总字节数的字节宽度位开头，后跟着表述类型的字节域。分别为设备拍 述符、配置描述符、接口描述符、e n d p o i n t 描述符、h i d 描述符。 3 数据传输模式 u s b 总线支持四种基本的数据传输模式：控制传输、等时传输、中断传输及 批量传输。控制方式传送是双向传送，数掘量通常较小，u s b 系统软件j j 术主婴 浙江大学硕士学位论文 进行查询、配置和给u s b 设备发送通用的命令；等时传输类型支持有周期性、有 限的时延和带宽且数据传输速率不变得外设与主机间的数据传输。该类型无差错 校验，故不能保证正确的数据传输；中断传输类型支持人机输入设备，这些设备 与主机间数据传输量小、无周期性，但对响应时间敏感，要求马上响应：批量传 输类型支持外设与主机间传输的数据量很大，u s b 在满足带宽的情况下才进行该 类型的数据传输。 四u s b 设备的测试 在设备的软件调试过程中，开发者往往需要观察设备发往主机的数据，包括 设备的状态和设置信息，以及正常工作时发送的数据包等等。如果丌发者需要捕 捉u s b 总线上的信息，必须使用价格昂贵的专用设备。而如果丌发者使用 6 8 h c 0 5 j b 4 ，就不用再担心总线信号是否正常，只需在主机端观察主机接收的数据 即可。u s b 开发者组织在他们的互联网站点上提供了一个在主机端测试h i d 设备的 软件包脚c o m p t d a n c et e s ts u i t e ，通过运行其中的程序，开发者可以很方 便地向设备发送各种u s b 和h i d 的协议命令，并接收设备的数据，从而对设备的 工作状态作出判断。 第七节u s b 接口的设计 u s b 的接口设计分为硬件和软件两部分。硬件包括电路的设计和吲件程 ( f i r m w a r e ) 的编写，通常用汇编或c 语言；软件分u s b 设备驱动程序和u s b 客 户软件。 一硬件设计 根据设备的需求和u s b 芯片的性能，设计出相应的电路在u s b 丌发i i v , i 仿f i 板上进行仿真实验。固件的编写可采用分块的方法，比如m a i l 3 模块、i n t e r r u p l 模块、d t a b l e 模块、v e c t o r 模块、t i m e r 模块等等。通过编译进行连接以h e x 文 件的格式写到芯片里面去。仿真成功后即可直接应用于设备。 二软件开发 1 u s b 驱动程序接口 浙江大学硕j ：学位论文 w i n d o w s 9 8 及2 0 0 0 通过允许u s b 设备驱动程序栈通信赖支持u s b 。在u s b 驱 动程序和u s b 驱动程序栈之间是u s b 驱动程序接口( u s b d i ) ，这种通信以w d m 结 构实现的。u s b h u b s y s 是u s b 集线器驱动程序。当u s b d s y s 枚举每个u s b 主机控 制器中的根结点集线器时被加载。u s b d s y s 是类u s b 驱动程序。u h c d s y s ( 通用主 机控制驱动程序) 以及o h c d s y s ( 开放主机控制驱动程序) 是u s b 主机控制器驱动 程序。h i d c l a s s s y s 接收和发送到小驱动程序的h i d 报告。h i d u s b s y s 通过u s b 接收和发送h i d 报告。当检测到u s b 总线时，p c i 枚举器加载u s b 栈驱动程序部分， 并加载至少一个核心组件。 2 u s b 驱动程序和u s b 客户程序 u s b 驱动程序的编写与硬件相关，属于核心模式。微软的d d k 在这方面提供 了较为详细的说明。比起v x d ，w d m 在硬件方面层次更为清楚和直观些。u s b 的客 户程序实际上是对客户端设备映像的操作，这些映像由u s b d 或h c d 产生，属于用 户模式。在d d k 中存在着一组叫做u s b d i 函数的a p i 函数集，该函数集包括了传 输函数、管道( p i p e ) 函数、设备配置函数及其他函数。应用这些函数可编写支 持任何u s b 兼容设备的u s b 驱动程序和客户程序。其中，管道是u s b 设备驱动程 序建立的逻辑通信通道。 厂、五蕊矗i 。一r i h i d u s b s y s j l 一j 厂 。厂一usbhubsys ! i d r i v e r 一一一。一 i n t e r f a c e 一。一1 fu s b d s y s p c ie n u m e r a t o r u s bb u s 图2 6u s b 驱动程序模块 o p e n h c l s y s u s b d r i v e r s t a c k 浙江大学硕士学位论文 第三章旋转机械状态监测系统的设计 我们在绪论里已经简单介绍了旋转机械状态监测系统。在这一章里我们根据 旋转机械振动信号的特点详细地讨论状态监测系统的任务、组成及其功能。 第一节系统任务和目标 由于本系统的应用对象为电厂汽轮发电机组、石化企业的大型透平压缩机组等 因此规划的系统任务为： 以网络为基础，利用虚拟仪器技术构成一个企业监测网，实现由现场、车间 到分厂再到总公司等全方位多机群的在线监测系统。 系统目标： 1 能对设备的运行进行实时在线监测，提供故障诊断依据，监测参数。能为 设备的转速、振动值、温度、压力、流量及开关量等提供监测数据。 2 建立网络数据库，记录设备历史运行数据和升降速( 启停车) 数据等：判 断报警状态和收集报警数据。 3 利用数字信号处理技术，提供反映旋转机械运行状态的各种特征参数和图 谱。 4 在企业网内对设备的运行实现远程监控和分析。 5 提供系统参数组态功能，根据现场具体情况定义相关系统参数，完成系统 的重构，生成实用的通用软件，以满足不同用户的需要。 6 实现虚拟仪器的网页发布。 第二节系统的结构组成 本系统是一个分币i 式的带有嵌入式微机数据采集、多机并行处耻、：1 0 测站远 程分析监测、服务器集中数据并提供w e b 仪器软面板发布的网络化多级式实时应 用系统。本系统开发时针对的用户是镇海炼化公司炼油厂，为其新催化装置的大 型机组丌发一套在线监测装置。在系统丌发的过程中，结合用户的需求j ：考虑剁 浙江大学硕士学位论文 软件的通用性，在实际设计时着重注意了软件的组态功能，模块化和实时系统的 要求，以提高系统的适应性，将其产品化。 本系统采用虚拟仪器结构设计。虚拟仪器系统思想是仪器系统以通用计算机 及图形化虚拟仪器软件为核心，加上相应的硬件设备( 数据采集卡、u s b 通用串 行总线) 构成。针对各种测试测量和控制领域，软件平台提供为数众多的硬件驱 动程序、数据分析处理函数和建立仪器化人机界面构件。用户可以根据自己的需 求，选择相应的硬件设备，在软件平台上以数据流程图方式构建自己的仪器系统： 然后，用户操作这台计算机，就象是操纵一台他自己专门设计的传统的电子测量 系统。虚拟仪器思想是美国n i 公司首先提出的，它提供的编程环境一l a b v i e w 是目 前最为流行的虚拟仪器开发平台。与传统仪器相比，虚拟仪器具有如下优点 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂商定义功能由客户自己定义 与其他仪器连接非常有限 各方便与网络外设和仪 器连接 图形界面小，