（机械电子工程专业论文）嵌入式技术在故障诊断系统中的应用研究.pdf

郑卅i 大学硕士学位论文 摘要 旋转机械的在线故障诊断系统是保障大型机组安全高效运行、防止恶性事故 发生的有效手段。采集详实准确的数据是整个旋转机械状态监测系统中重要的一 部分，因此研究旋转机械在线故障诊断系统中的数据采集器具有很好的现实意义 和应用前景。 本文在对国内外数据器的分析的基础上，针对旋转机械在线故障诊断系统对 数据采集器的要求，结合a r m 、c p i d 以及以太网技术，设计了基于a r m 的在 线故障诊断系统中的数据采集器。本文论述了采集器的系统架构、软硬件设计方 法和具体的实现过程。主要工作如下： 1 根据系统多通道、高速、实时监测等严格的性能指标，论述了本系统设计 中应该遵循的原则和要求，并根据在线故障诊断系统的特点，划分出4 个功能模块， 并详细论述了各功能模块的特点。最后完成整个硬件结构平台的设计。各功能模 块中均嵌入a r mc p u ，使其自成系统，现场实际中可根据需要增减功能模块。各功 能模块中，为了便于控制和增强系统的灵活性，使用了复杂可编程逻辑器件c p l d ； 为了使各模块之间以及各模块和上位服务器之间能够通信，各模块中均设计了网 络接口。 2 为了实现对整个硬件平台的管理以及方便程序的开发，设计了软件开发平 台。在软件开发平台中，建立了交叉编译环境，实现了b o o t l o a d e r 、“n u x 操作系 统、文件系统，b u s y b o x 等的移植工作。在移植i j n u x 操作系统的过程中，根据设计 的需要对l i n u x 内核进行了适当的增减，使其能够更好、更稳定地应用到硬件结构 平台中。 3 结合硬件平台和软件开发平台的特点，编写了驱动程序和应用程序。驱动 程序中实现了部分系统调用函数，方便了应用程序的设计：通过应用程序，方便 和加强了对整个数据采集系统的控制和管理。 该嵌入式系统平台具有功能强大、成本低、功耗省等特点，具有很强的实用 性和新颖性。论文研究工作为更复杂的嵌入式应用开发奠定了坚实的基础。 关键词：数据采集；嵌入式系统；a r m ；u n u x ；移植 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e a l - t i m ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga i i df a u l td i a g n o s i so fr o t a t i n gm a c h i n e r yi sa n e f f c c t i v es t r a t e g yt h a tg u a r d sa g a i n s ts c v e r ea c c i d e n t sf o rm t a t i n gm a c h 缸e r y d a t a a c q u i s i t i o np l a y sa ni i l l p o r 盎n tr o l ei nt h ew h o l eo o n d i t i o nm o n t o f 谊gs y s t e h l s of e s e a f c h j n gd a t aa c q u i s 砌o nh a s a ni m p o t a n tp r a c i i c a lm e a n i n ga n d 印p l i 柚c ef o r e g r o u n d t h i sp a p e rc o n c e m e dl h ed e s j g nm e t h o df o fad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o n sa n da i l a i y s i so ft h ei n t e m a la n do v e i s e 鹤d a s ( d a t a a c q 哪s i t i o ns y s t c m ) t c c h n o l o g y ，a n da c c o r d i n g t ot h er e q l l i r c m e n to ft h ef e a l - t i m e c o n d i 蛀o nm 删t 喇n ga n df 弛l td i 硅g s i so fr o t a l i n gm a c l l i n e r y ，t h i sp a p c fd e s i g n c dt l l e d a t aa c q u i s i t i o n 1 1 l i sn a s a d 叩t e da r m ( a d v 锄o e d r l s cm a c h j n ) c p l d ( c o m p l e xp r o 孕a 衄a b l el d 垂c 工k v i c e ) 柚dn e 抑o r kt e c h n o l o g y a n dt h es y s t e ms m l c t l l r e0 f d a s ，m e t h o do fs o f | a r 咖a r d w a r cd e s i g i la df e a i i z a t i 衄h a sb e e nd e s c 衲e di nt h i s p a p e r t h e s ec o n t e n t sa r ca sf o l l o w s 1 a c 0 0 碰n gt of a l l l td i a 印o s i s sc h a r a c t e ra | 1 dt h es y s t 锄sp 曲册a n c ei n d e x ， w h i c hi sm u l t i c h a n c l ，h i g h s p e e d ，r e a l l t i m em o n i 炳n g ，t h eh a r d w a r es t r i j c t u r eh a s b e e nd i v i d e df o u rf i l n d i o m lm o d u l e s ，t l l e nt h ep a p c rd i s c u s s e dt h ec h a r a 鼬e r i s t i c so f e a c ho f m o d u l e s 胁a | i y t h ed e s i 萨o f 出ew h o l eh a r d w 甜es 仃l | c f u f ep l a t f 0 珊h a sb e e n f j n i s h e d e a c ho fm o d u k si si n d c p c d e n t ，w h i c hi se m b e d d e da r mc p u 1 1 1 i s c h a r a c t e re l l h a l l c e st h es y s t e m sn e x i b l e ，s ot h e 如n c t i o n a lm o d u k sc a nb ei n c r e a s e do f d e c r e 船e di nj o bs i t e f 0 rt h es a k eo fe a s yc o n t r o la l l di i l c r e 鹤i n gn e x i v i t y ，t h ec p l d t e c h n o l o g yh a sb e e nu s e d e v e r ym o d 岫ea 珏ds u p e r i o rs e r v e rc 姐c o m m u n i c a t eb yt h e a p p l j c a t i d no fn e l w o f kl e c h n o l o g y 2 i i lo r d e rt 0m a n a g ct l l ew h o j eh a r d w a r es t n l c t i i r ep l a i f o 珊a n dd e v e l o p p m g - 瑚n m e se x p c d i e n y ，t h ep 印e rd e s i 萨e dt h es o f 时a r ed e v e l 叩m c n tp l a t f o 珊a n d b u i l t t h ec m s s i n g c o m p i i ee n v i m 帆e n t ，柚dr c a l i z e dt l l ep o r i n go fb 0 0 o a d e r l j n u x0 p e r a t i o ns y s t e m ，f i i es y s t e m ，b u s y b o xa n ds oo n i i it h ep r o c e s so f p o n i n go fi j n u x ，t l l e k c m e lw a sa p 掣o p i a t e l yc h a n g e db a s e do nt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s ，t h e r e b y ，i tc a n s m a k et h eh a r d w a r e sm n n i n gs t a t u sb e n e ra l l dm o r es t a b l e 3 c o m b i n i n gt h ec h a r a c e r 主s t i c so ft h eh a r d w a 托a l l ds o f t w a r ed e v e l o pp l a t f 0 彻， l h ed e v i c ed r j v e ra n d a p p l i c a c i o np f 0 伊栅h a sc o m p i l e d 1 1 l ed e v i e c c 蹦v e rf e a l i z c d s o m es y s t e mc a f u n c t i o n s 柚d “c a nc o n v e n j e n c et h ed e s i 印o f a p p l i c a t i o np f 嘤a m i i 郑州大学硕士学位论文 f 0 rt h es a l ( eo fe n b a i l c i n gt h em a n j p u j a t j o na n dc o n t m l ，t b ea p p l j c a t i 彻p r o 舒a mh a s b e e nc o m p i l c d t h j se m b e d d e ds y s t e mi sp o w e r f i l l ，l o w c o s ta n dh a sv e r ys t m n gp r a c t i c a b i i i t y a n de m e r g e n n o v e l t y t h er e s e a r c hs e t s u p a f j 咖l yb a s ef 昕f t t t u r ec o m p “c a t e d e m b e d d e dd e v e l o p m e m k e yw o r d s ： d a t aa c q u i s i t i o n ；e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；u n u x ；p o n i n g l l i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： 并爵葡 只 厂年g 月s 日 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 一台设备从设计、制造到安装、运行有诸多环节，任何不应有的偏差都可能 导致设备的“先天不足”，造成带病运行。在运行过程中，设备可能处于各种各样 的环境之中，其内部必然受到力、热、摩擦等多种物理、化学作用，使其性能劣 化，造成“后天故障”。 现代机械设备发展的一个明显趋势是向大型化、高速化、连续化和自动化方 向发展。由此而使设各的功能愈来愈多，性能指标愈来愈高，组成和结构愈来愈 复杂。这一方面大大促进了生产的发展，另一方面也潜伏着一个很大的危机，即 一旦发生故障，所造成的后果将非常严重，而且随着设备的迅速增长，这一危机 造成的后果愈来愈严重，影响愈来愈突出。而这些大型旋转机械常常是这些行业 正常进行并在整个工艺流程中起着决定性作用的设备。因此，及时检修以消除关 键设备的潜在故障是至关重要的。 设备的维修体制是保证这些关键设备安全运行的主要措施。早期的大型设备 的维修体制一般是事后维修，即设备发生故障后再进行检修。随着流程化工业的 推广，这种落后的管理模式往往会造成巨大的经济损失，因此又逐步推行定期维 修制度。定期维修制度目前在很多企业仍在使用，这是一种静态维修制度，其特 点是当设备运行达到计划规定的台时或吨公里时便进行强制维修，工厂里经常实 行的年度大修就属于这种维修制度。随着对设备故障机理的研究和设备管理水平 的提高，人们又逐步认识到，定期检修实际上既不经济又不合理，最大的问题是 无法解决“过剩维修”和“失修”二者之间的矛盾。 过剩维修，即在设备工作状态完好的情况下维修，造成不必要的浪费；失修， 即未到维修时间而设备已经发生故障，从而影响生产过程正常进行，甚至造成更 大的损失。这就要求新的设备维修体制预测维修方式的出现，而其前提是对 设备物理过程及状态的准确检测及评价，即状态监测与故障诊断。 些设各或相对不太重要的设备，可以不定期的对它们检测，判断它们的运 行状况，这些设备可采用离线的监测与故障设备，这样可以节省成本。而那些大 型的旋转设备，一般都是生产中的关键设备，价格昂贵，需要的维修时间长、停 机生产损失巨大，就需要对它们进行在线的状态监测与故障诊断。 近年来，振动与噪声理论，测试技术、信号分析与数据处理技术、计算机技 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 术、网络技术和通讯技术的迅速发展，为旋转机械的在线故障监测与诊断打下了 良好的基础，而工业生产逐步向大型化、高速化、自动化、流程化方向发展，又 为旋转设备的在线故障诊断技术开辟了广阔的应用前景。 在线故障诊断系统是保证大型枫组安全运行，防止恶性事故发生的有效手段。 它可以及时发现机组的运行故障的先兆，诊断产生故障的原因，为生产和维修提 供决策依据，同时也避免了“过剩维修”和“失修”。 1 可以避免严重的突发事故，从而提高设备的安全运行率，增加产值。 2 即使机组发生故障，也可以从系统提供的数据中找出故障的原因，在检修 中做到心中有数，延长检修周期，缩短检修时间，提高检修质量。 3 在机组日常运行时，如果机组严重损害的前期发生故障的前兆，可以进行 预防性维修。将设备从定期性维修发展到预防性维修，可以使备件的储备量减到 最小。 在线的故障诊断系统中，主要是由前端的数据采集系统和后端的故障诊断分 析系统组成。数据采集系统主要负责采集机组的各种对诊断分析有用的信息；故 障诊断分析系统则根据采集到的机组的信息，来判断机组的运行状况是否良好， 以及将来的运行状况如何。数据采集系统直接和机组进行接触，采集机组的信息， 并把机组产生的模拟信号转换成数字信号，然后通过网络传送给故障诊断分析系 统。 数据采集系统作为整个在线监测与故障诊断系统的最前端，其工作性能如何， 将直接影响到诊断与预澳4 的结果。另外，随着科技水平的不断提高，各种新的电 气元件和设计方法也不断涌现，数据采集器作为故障诊断的一部分也应该与时俱 进，以更好地满足系统的需求。近年来，现代嵌入式系统科学的发展十分迅速， 特别是r l s c ( 精简指令集处理器) 技术、半定制a s l c 技术和存储技术的发展， 也给数据采集系统提供了一条光明的道路。因此，如何利用好这些先进的技术， 制作好现代化、高性能的数据采集器已被提上日程。 1 2 国内外发展概况 1 2 1 国内外旋转机械在线故障诊断系统的发展概况 早在六十年代初，国外一些国家就开始对旋转机械的振动机组、故障特征、 振动信号提取及故障诊断信号处理进行了研究，发展了一系列诊断旋转机械故障 的技术。如常用的冲击脉冲法，波峰系数法，谱分析法等。7 0 年代后，国外机械 的监测与故障诊断技术进入了实用化阶段，并获得了显著的经济效益。许多公司 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 都推出了关于旋转机械状态监测和故障诊断技术方面的产品，如瑞典s p m 仪器公 司的s p m 系列，美国亚特兰大公司的m 6 0 0 0 系列，加拿大的c s l 2 1 1 5 、c s l 2 4 0 0 ， 美国本特利公司的d d m 与a d r e 系列等。 八九十年代以来，越来越多的国外研究机构和大公司开始投入大量的人力和 物力，极大的推动了这一技术的进步和发展，大型旋转机械的在线般测与故障诊 断系统也获得了日益广泛的开发与应用。这一阶段有出现了许多新产品，如美国 本特利的系列产品、西屋公司的p d s 系统、球d 于e n r e k 公司联合开发的5 9 1 1 系统、s d e n t i f i ca t l a m a 公司的m 6 0 0 0 系统以及日本三菱公司的m h m 系统、法 国的s m a v 系统、瑞士的m a c s 系统、丹麦的c 0 皿p a s s 系统等”1 。 国内对于旋转机械状态监测和故障诊断技术的研究起步较晚，其发展经历了 从简单诊断到精密诊断、从单机诊断到网络诊断的过程，发展速度越来越快。但 与国外发达国家相比，仍然有一定的差距。 从八十年代开始，国内许多高校与科研机构，对旋转机械的监测和诊断技术 作了很多研究，也推出了一些产品。如郑州大学振动研究所的e m 3 0 0 0 系列，西 安交通大学的r m d s 系统和r d 系统、哈尔滨工业大学及浙江大学等的z h z 一1 0 系列、清华大学的b b 系列、华中科技大学的h z 系列、重庆大学的c d m s 系列 等。 1 2 2 国内外数据采集系统的发展概况 数据采集系统起始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 6 年美国首先研究了用在军事上的 测试系统，目标是测试系统中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作， 并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具 有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任 务，因而得到了初步的认可。 2 0 世纪7 0 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机 融为体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自 动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。从7 0 年代起，数据采 集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现 场数据采集系统。 加世纪8 0 年代，随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展， 开始出现了通用的数据采集系统。2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发生了极 大的变化，工业汁算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统 的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。 3 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、 航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。9 0 年代中后期，由于集成电 路制造技术的不断提供，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统( d a s ) 和片上系统( s o c ) ，采集速度超过了几十万次。数据采集技术也成了一种专门的 技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式 结构，各个模块可以独立成为系统，模块之间松耦合，根据不同的应用要求，通 过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或简单修改系统，迅速地 组成一个新的系统。 另外由于互联网和局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网，车间层局域 网和底层局域网的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采 集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。 1 3 嵌入式系统概念简介 在工业控制、仪器仪表、测试计量等领域，嵌入式系统的蓬勃发展已经有目 共睹。到底什么是嵌入式系统呢? 因为本课题就是围绕着嵌入式系统展开的，所 以有必要介绍下它的基本概念， 1 始于微型机时代的嵌入式应用。 电子数字计算机诞生于1 9 4 6 年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供 养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到2 0 世纪7 0 年代，微处 理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以 其小型、价廉、商可靠性特点，迅速走出机房：基于高速数值解算能力的微型机， 表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到个对象 体系中，实现对象体系的智能化控制。这样一来，计算机便失去了原来的形态与 通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中， 实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。嵌入式系统的嵌入 性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本 出发点。 2 现代计算机技术的两大分支及其发展 由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制， 因此，它有着与通用计算机体系完全不同的技术要求与技术发展方向。 早期，人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装，在大型设备中实现嵌入 式应用。然而，时于众多的对象系统( 如家用电器、仪器仪表、工控单元) ，无法 嵌入通用计算机系统，因此，必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系 4 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 统，这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。 通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展后，计算机专业领域 集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用 微处理器迅速从2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 到奔腾系列；操作系统则迅速扩张计算机基于海 量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。 嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是 单芯片化道路。它承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电 子系统发展到智能化到现代电子系统时代。 3 什么是嵌入式系统 对于嵌入式系统的定义比较混乱，比较普遍的提法是：嵌入式系统是以应用 为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可 靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。“嵌入性”、“专用性” 与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所 嵌入的宿主系统。 嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。 不同的嵌入式系统其特点会有所差异。 与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的 环境要求，如物理环境( 小型) 、电气，气氛环境( 可靠) 、成本( 价廉) 等要求。 与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬 件配置等。 与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求 的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适 应的接口电路”1 。 1 4 课题来源、目的和意义 1 4 1 课题来源 1 河南省重大科技攻关项目： 0 1 2 2 0 2 2 0 0 们 2 国家“8 6 3 ”项目子项目： 2 0 0 4 a a l z 2 4 2 m 设备远程诊断技术及系列产品的开发m o 嵌入式软件开发技术与支撑平台研究( n o 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 2 课题的提出及意义 随着科学技术的发展，人们日益认识到在线故障诊断技术对大型旋转机械的 重要性，对这些系统也提出了更高的要求，而数据采集系统作为在线故障诊断系 统的重要组成部分也需要不断的改进，以满足人们的需求。而随着现代嵌入式系 统科学和电子技术的迅速发展，一些新的高性能电子芯片的不断推出以及嵌入式 “n u x 操作系统的广泛应用，为我们不断改进数据采集系统的性能提供了更多的 选择和更方便的条件。 本课题中，通过采用当代流行的、控制和处理性能更好的、工业级a r m 处 理器芯片，不仅大大提高了数据采集器的运行速度，而且更方便对数据的管理和 系统的扩展。采用1 6 位的同步a d 转换器，精度更高，速度更快。采用t c p 肿 协议，对命令的响应更迅速，数据的上传速度更快，而且更加容易扩展。采用已 被广泛应用的嵌入式i j n l i 】( 操作系统a r ml i n u x ，方便软件的开发和提高对系统 控制能力。 1 5 本论文的主要工作 本课题定位在旋转机械在线故障监测与诊断系统中的数据采集器上，该采集 器具有独立工作、独立数据存储的能力，工作稳定，性能出色，并能通过网络上 传到服务器上，进行更进一步的详细的分析与诊断。 本论文着重处理以下几个方面的问题： 1 数据采集部分的设计： 包括振动信号采集板、工艺信号采集板和直流信 号采集板的设计，各个采集板可独立工作，互不影响，但必要时又可以相互通讯。 2 主控板的设计： 主控板有两个作用，一是对各个采集板进行控制，可以 对各个采集板发出控制命令和接受数据。二是接受来自上位机的控制，并做出响 应。 3 操作系统采用被广泛使用的a r ml i n u x ，不仅免费，而且沿袭了主流n u x 的绝大部分特性。 4 驱动程序设计：主要是各个采集芯片中a d 转换器的驱动，使a d 转换 芯片能够更好的工作。 5 应用程序设计：应用程序包含各种通过硬件驱动程序和底层硬件打交道的 上层程序，主要分为两个部分， 一个是永远运行在后台的精灵程序( d a e m o n ) ， 另外一个是统的一个多线程应用程序，二者的通信可以通过命名管道，也可以 通过可读写的文件系统传递信息。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 6 系统具有良好的、正确的采集多路振动信号的能力，并能够根据客户的需 要随时加以扩展或减少，这就要求要采用模块化的设计思路，各个模块能独立正 常的工作。 7 程序尽量使用c 语言编写，具有良好的可移植性和可读性。 8 嵌入式芯片选用现在流行和经过大量实践证明过的工业级a r m 芯片。 1 6 本章小节 在本章里，我们研究了在线故障诊断系统在现代工业生产中的重要性以及数 据采集器在整个故障诊断系统中的位置，分析了国内外在线故障诊断系统和数据 采集器的发展状况。并由此得出了数据采集器的发展方向。根据在线故障诊断系 统的特点，说明了本课题中数据采集器的设计内容。 郑州大学硕士学位论文 第二章数据采集系统分析 第二章数据采集系统分析 2 1 数据采集与处理简介 2 1 1 数据采集与处理系统的基本概念 数据采集是获取信息的基本手段，数据处理就是对信息进行加工处理，数据 采集与处理技术作为信息科学的一个重要分支，是与信号检测、计算机、数字信 号处理等技术结合而形成的一门综合应用技术。 现代工业控制技术中的数据采集与处理是指将现场的电压、电流、压力、流 量、温度、角度等模拟信号和一些开关量信号进行采集，转变成数字量，再根据 不同的需要对这些数字量进行相应地计算和处理，得到所需的数据，然后将这些 计算结果反馈给用户或被控系统，达到监测和控制的目的。完成这个功能的系统 就是数据采集与处理系统”1 。 2 1 2 数据采集与处理系统的基本结构 一般来讲，一个典型的数据采集与处理系统应具备如下三部分： 1 数据采集部分由采样保持器及模数转换器( a d c ) 、开关量信号调理器 等组成。 2 处理器 微型计算机、单片机、现代嵌入式芯片等。 3 数据输出部分由模数转换器( d a c ) 、数字信号调理器等组成。 2 1 3 数据采集与处理系统的种类及其特点” 工业上常使用的数据采集与处理系统可分为以下几类： 1 基于通用微型计算机( 比如p c 机) 的数据采集与处理系统 这种系统主要是由微型机控制外部a d 转换器转换威数字信号或开关量信号 然后通过打印机并口、串行口或其它接口送入微型机内进行处理。 这种系统可以利用微机系统强大的软件计算和丰富的硬件资源来支持系统进 行工作，同时也方便对系统进行二次开发。但系统但成本较高。 2 基于单片机的数据采集与处理系统 8 郑州大学硕士学位论文 第二章数据采集系统分析 _ _ _ _ h _ _ _ _ 一一一 它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集与处理系统，是近几十年来 单片机技术快速发展的结果。 它的计算能力相对较弱，但价格很便宜。系统开发时可根据应用的需求选择 台适的单片机，由于直接对硬件进行操作，所以能充分利用单片机的资源，具有 很高对性价比，不过系统成型之后，二次开发和扩展性受到部分限制。 3 基于d s p a r m 的数据采集与处理系统 数字信号处理器( d s p ) 是数字信号处理理论与超大规模集成电路( v l s i ) 技术融合的结晶。d s p 与单片机相比，d s p 多采用时钟倍频做主频，c p u 采用哈 佛结构，支持流水线操作，在运行速度上有很大程度的提高，其有高效的数字信 号处理功能，因此在需要高速数据采集和处理的场合，基于d s p 的数据采集与处 理系统得到了大量应用。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i l i e s ) 芯片，也是现在被大量使用的c l 哪芯片，和 d s p 相比具有更好的控制能力，但在对数字信号的处理功能方面相对较弱。 4 基于专用处理器的数据采集与处理系统 专用处理器从理论上而言是一种单片机的形式，不过它们是专为某些应用场 合而设计的，比如通信、多媒体等便携式设备中，为了缩小产品的体积，芯片制 造商将输入输出设备、信号转换设备、特殊的计算单元等都集成到一个芯片里边， 可以说一个芯片就是一个较完整的数据采集与处理系统。 这种系统集成度高，功能强大，但一般价格较高。它们是专为特定地应用丽 设计的，一般来说系统的可扩展性不强。 5 混合式数据采集与处理系统 这种系统一般为上下位机结构，下位机一般由单片机及外围器件构成，它主 要运行在工业现场，将采集到的数据处理之后通过标准总线( 如r s 4 8 5 、c a n 等) 或网络传给上位机，它也可以接收来自上位机的指令去执行控制操作。上位 机由微机、单片杌系统或其它处理器系统构成，它主要对下位机进行管理或对下 位机发来的数据进行计算，通过总线或网络发出控制指令或者将计算结果送还下 位机。 这种混合式的系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。可扩展性强，只 要具备统一对总线接口，上、下位机可以有多种组合方式。 2 1 4 数据采集与处理系统的发展趋势” 微电子技术的一系列成就以及数字信号处理技术的发展，为数据采集与处理 系统的应用产生了深刻的影响，并开拓了广阔的前景。使用便捷、低成本、易扩 塑塑查兰堡主兰垡堡奎 展、具有高速数据采集与复杂运算能力、 据采集与处理系统的发展趋势。 第二章数据采集系统分析 高可靠性、网络化的特点代表了现代数 2 2 旋转机械的状态特征参量和测量 2 。2 。1 旋转机械的状态特征参量4 旋转机械的状态特征参量以振动参数为主，同时兼顾温度、压力等工艺参数 及电压、电流等电量参数。 旋转机械的振动特性有其特殊性，一是其振动一般呈现很强的周期性，二是 对大型旋转设备来讲，其振动测试的主要对象是转动部分，即转轴。旋转机械的 状态监测主要是针对这些特点来进行，当旋转设备发生异常时，一般情况下其振 动情况都会发生变化，如振幅值、振动频率、振动相位和振动方向的变化等。因 此，与振动有关的参数被广泛作为表征旋转机械的状态特征量。 旋转机械的特征量很多，包括振幅、振动频率、相位、转速、轴心轨迹、轴 位移等，还有温度、压力与流量等工艺参数，以及电流、电压等电量参数 1 振幅 振幅是描述设备振动大小的一个重要参数。设备正常运行时，其振动幅值通 常稳定在一个允许的范围内，如果振幅发生了大幅度地变化，便意味着设备的状 态有了改变。振幅可分为位移振幅、速度振幅、加速度振幅等。 2 振动频率 振动频率可分为基频( 周期的倒数) 和倍频( 各次谐波频率) 。特定的振动频 率往往对应一定的故障，所以对振动频率进行监测和分析非常重要。旋转机械的 振动频率多以转子转速的整数倍或分数倍形式出现，因此，可以简单地表示为转 速的整数倍或分数倍。 3 相位 有些设备故障从幅值谱上判断是不易区分的，这时就需要对相位信息进行进 一步的分析，以做出正确判断。 4 转速 转速不仅表明了设备的负荷，同时，对于故障诊断还要求同步整周期采样， 转速信号可以作为同步采样的激励信号。 5 轴心轨迹 轴心轨迹实际上是轴心上一点对于轴承座的运动轨迹，它形象直观地反映了 转予的实际运动情况。通过对轴心轨迹的观察，可以判断一些常见的故障。 1 0 塑型查兰堕圭兰垒笙兰 苎三兰墼塑墨塞墨篓坌塑 6 轴位移 轴位移是指i 匕推盘和止推轴承之间的相对位置。对轴向位置的监测是为了防 止转子系统动静件之间的摩擦故障的发生，轴位移的监测可以为设备的负荷状态 和冲击状态提供必要的信息。 7 工艺信号 润滑油温度及介质温度、压力、流量等参数都是非常有用的辅助诊断参数， 因为这些参数，通常是故障等征兆。 2 2 2 特征参数的测量 1 振动检测 旋转机械中，转子是设备的核心部件，绝大部分的振动故障都直接与转子的 振动有关，所以，以后章节中，如果没有特别说明，我们均是对转轴的振动量的 测量。 对转轴的振动测试，一般可测量三个方向，即水平方向、垂直方向和轴向方 向，这是因为不同的故障在不同的测量方向上有不同的反映，比如，不平衡在水 平方向，松动在垂直方向，不对中在轴向方向反映较强。我们一般测量轴颈的径 向振动。 对于径向的两个测点，一般是互相垂直安装，即两个测点相差9 0 0 ，水平方 向测点以在轴中心高度处为好。根据探头的种类不同输出电流或电压信号，以常 见的电涡流传感器为例：电压输出型输出电压2 v 2 0 v d c ；电流输出型输出 4 m a 2 0 m a 。振动信号经调理后为数据采集部分可以接受的同步模拟信号。 通过对振动信号的检测，不仅可以得到振动的振幅，而且通过对信号进行记 录、分析处理，可以得到振动的时域波形、振动频率等特征参量。如果利用两只 相差9 0 0 安装的电涡流传感器测量转轴振动时，通过处理还可以得至转子的轴心 轨迹和轴心位置。 2 振动相位检测 旋转机械中相位的定义是指基频( 以转子转速为频率) 信号对于转轴上某一 确定相位标志之间的相位差。这里的确定标记在工程上通常是键相槽位置，检测 键相槽位置所使用的传感器一般是电涡流传感器。 键相位信号是通过对键相标记( 即在被测轴上设置一个凹槽) 测量得到的。 当这个凹槽转动探头安装位置时，由于探头与被测面间距突变，传感器会产生一 个脉冲信号。轴每转一周，就会产生一个脉冲信号，通过脉冲与轴的振动信号比 较，可以确定振动的相位角。同时，通过对脉冲的计数，还可以测量轴的转速。 郑州大学硕士学位论文 第二章数据采集系统分析 3 转速检测 利用键相位传感器测量转速，只要测得两个脉冲间的时间，就可以取得转子 的旋转频率。 4 轴位移、工艺量参数测量 轴位移、温度、压力、流量这些信号由于对实时性要求不高，一般在秒级， 所以通常称为慢变量或缓变量信号。 2 3 数据采集器的输入信号特征分析 经过上面对旋转机械状态特征参量的描述，我们可以得出，数据采集器的输 入信号大致可以分成以下几类： 2 3 1 键相信号 键相信号为一脉冲信号，来自于转速脉冲信号，旋转机械的转轴每转一圈， 就会产生一个脉冲信号，在一定时间内，通过对键相信号的计数，可以计算出转 轴的转速，也可以通过计算连续两个键相信号之间的时间间隔来计算出转速。通 常大型旋转机械转轴的转速范围在3 0 转分1 8 0 0 0 转分之间，也就是说，连续 两个脉冲信号之间的时间间隔为3 3 m s 2 s 之间。 2 3 2 振动量模拟信号 测量轴径向振动的位移传感器、速度传感器或加速度传感器等输出的模拟信 号，通过数据采集系统的前端调理电路后，调整为多个频率混合的正弦交流信号， 反映了转轴的绝对振动。 2 3 3 工艺信号 工艺信号来自于测量轴位移、温度、压力、流量的传感器信号，通常又可称 为馒变量信号。工艺信号通过不同的传感器和数据采集系统的前端调理电路，得 到的是标准电压信号，取值1 v 5 v 或o v 1 0 v 之间。 塑坐! 奎兰堡主堂竺堡苎 苎三兰鍪塑墨叁至竺坌塑 2 3 4 开关量信号 通常来自于现场的开关信号，用高低电平来表示。 2 4 在线故障诊断系统中数据采集器的特点 在线故障监测与故障诊断系统的数据采集器，与通用的数据采集器具有大部 分相同的特点，不过，在线监测与故障诊断系统本身还有一些自己的特点，这些 都需要采集器给以满足。现把这些特点总结如下； 1 满足奈奎斯特采样定理 根据奈奎斯特采样定理，把时间连续的信号转换成离散信号时，在一个周期 内的采样次数必需大于两次，如果信号每周期采样一次，得到的只是一个直流信 号，每周期采样两次，得到的是一个方波信号，如果每周器采样不足两次，将会 丢失有用的信息，出现混叠现象。 2 同步整周期采样 在旋转机械振动信号采集系统中，要求对振动信号进行整周期采样，即将机 器的一个完整旋转周期信号均匀的分成n 等分( n 为一个周期内的采样点数) ， 旋转机械旋转一周所需要的时间称为键相位信号周期。将此周期做n 等份，即可 实现一个周期内采样n 个点的数据。键相信号的n 倍就是振动信号的采样频率。 3 工艺信号采集 工艺信号采集温度、流量等缓变量，作为故障诊断的参考量。 4 直流量采集 采集信号时要用到传感器，各个工厂所用到传感器的种类、型号可能不太一 样，如：同样测量转轴的振动量，可以用电涡流位移传感器，也可以用加速度传 感器，这些在设计时必须都应该考虑到。当使用电涡流位移传感器时，必须能够 钡4 量直流量。所谓直流量，就是在安装电涡流位移传感器时，转轴与电涡流位移 传感器之间要存在一个间距，这是因为电涡流位移传感器是非接触型的传感器， 这一间距反映到传感器的输出量上，即为一直流电压量，这个直流电压称为直流 量。 塑! ! ：! ! 查兰堡主兰堡笙兰 笙三兰垫塑墨叁墨篓坌塑 2 5 数据采集器的总体设计方案 2 5 1 设计目标 整个数据采集系统可以完成网络通信、串行总线通信、模拟量信号采集等功 能。实现基于局域网或广域网的自由组合。 形成的最终产品应包含如下内容： 1 整套设备分成多个模块( 即多个单板) ，各模块间可自成一个系统。 2 支持多路采集单板，而且可以混合相连，没有顺序要求。 3 提供网络数据传输和管理功能。 4 提供带有键相信号采集的振动信号采集板，该板可实现1 8 路模拟振动信号 同步或异步采集。 5 提供采集工艺信号的工艺板，该采集板可同步采集1 8 路工艺信号。 6 提供采集直流信号的直流板，该采集板可同步采集1 8 路直流信号。 7 提供有1 0 m 1 0 0 m 以太网接口和r s 2 3 2 串口，用于数据传输和设备的自身 管理，同时还可以用它们对设备进行调试。 2 5 2 设计原则 根据整个在线故障诊断系统的要求以及数据采集器自身的特点，整个数据采 集平台应遵循以下设计原则，即确保研制平台的完整性、先进性、实用性、可靠 性、开放性和可扩性。 1 先进性 整个平台系统设计必须把握最新电子技术，计算机技术、网络通信技术、多 媒体技术和传感器技术的发展方向，采用先进的体系结构，选择先进的软件和硬 件技术构造系统的支撑平台和运行环境，利用主流的器件，确保系统平台的技术 领先水平。 2 实用性 整个平台系统设计既要按照国家有关的设计规范和标准执行，又要考虑我国 电子行业的具体实际情况，充分考虑使用人员素质、工作习惯、专业结构等诸多 因素产生的综合影响，要以人为本，贯彻产品是为人服务的，注重突出各项功能 的实用性，人机界面简洁，可操作性强。 3 ，丌放性和可扩充性 当代整个电予行业的发展是非常迅猛的，对产品的各种需求变化也非常快， 塑型奎兰堡主兰堡笙兰 塑三兰塑塑鲞室型! ! ! l 设计产品时不可能完全考虑到以后的各种需求，为了以后的产品能够随时方便的 满足用户的需求，要求产品的设计必须具有良好的开放性和可扩充性。 4 可靠性和安全性 设计中要尽可能充分考虑到可能出现的各种情况，采取相应的技术措施，尽 可能减少故障，保证系统具有良好、持续的运行性能。 2 5 3 硬件平台的总体设计 在2 1 3 节中，我们把数据采集与处理系统分为5 类，考虑到所设计产品的自 身特点和2 5 3 节中的设计原则，我们决定设计成一种混合式的数据采集器，上位 机为服务器，下位机就是本课题要设计的产品数据采集器。数据采集器的 c p u 选用工控上主流的a r m 芯片a r 9 1 r m 9 2 0 0 ，关于删和 四l r m 9 2 0 0 芯 片我们将在第三章中予以详细的介绍。 服务器和数据采集器间通过网络通讯，服务器可以向采集器下达命令和接受 数据采集器采集到的数据。数据采集器可以单独工作，采集并存储数据，另外还 可以对采集到的数据做出适当的处理。 根据2 5 3 节的设计原则，把整个数据采集系统的硬件分为4 个部分，分别为 主控制板、振动信号采集板、直流信号采集板和工艺信号采集板。 振动信号采集板、直流信号采集板和工艺信号采集板( 分别简称振动板、直 流板和工艺板) ，分别负责采集振动信号、直流信号和工艺信号，并可把采集到的 数字信号i 缶时保存到自身的板子上，另外也可根据主控板和上位机的要求做出相 应的处理，如上传数据、擦除数