（机械制造及其自动化专业论文）高性能泄漏检测系统研究与实现.pdf

上海大学硕上学位论文 摘要 在日常生活中及工程实际中 存在着各种各样的泄漏 泄漏不仅造成经济 损失 有毒物质的泄漏更会危害人类健康 随着人们对泄漏危害及其造成的经 济损失的认识 以及对产品质量意识的提高 泄漏检测和控制意识的逐步增强 泄漏检测系统的研发也逐渐受到人们的重视 本课题来源于上海恒翔检测设备 有限公司 通过对国内外泄漏检测仪器的调研 完成本次课题的研究与开发 测漏仪使用压差法作为泄漏检测原理 通过二次充气法缩短系统的平衡时 间 从而减少了仪器的检测时间 自制的高速数据采集卡采集被测容器的气压数据 作为测漏仪的下位机 使用d s p 作为数据采集卡的核心处理芯片 p c i 总线实现d s p 与上位机之间的 通讯 c p l d 完成几个模块之间的逻辑控制 测漏仪采用工控机作为上位机 上位机具有监控功能 能与下位机和信息 管理系统通讯 通过对上位机控制系统的需求分析 完成控制系统的菜单设计 控制系统采用v b 与m a t l a b 混合编程 利用了v b 容易上手 生成用户界面 快等优点 结合m a t l a b 强大的数值计算及图形处理能力 周围环境的变化 以及被测容器内容积等的因素将不同程度的影响系统的 检测精度 为了提高系统的精度 提出了各种解决方案 同时通过密封气路系 统建模求解 求证了泄漏量的转换不影响系统精度 把系统各部分精度做叠加 求证了系统在理论上能够达到国外先进测漏仪 的精度 在成本上较国外先进产品的价格有一定幅度的下降 完成了研究开发 经济的高性能测漏仪的目标 关键词 测漏仪 d s p p c i v b v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i f f e r e n tt y p e so fl e a k a g ee x i s t si np e o p l e sd a i l yl i f ea n de n g i n e e r i n gj o b s r e s u l t i n gi ne c o n o m i cl o s sa n de v e np e o p l e sh e a l t hw i t hs o m et o x i cl e a k a g e a s p e o p l ek n o wm o r ea b o u tt h eh a z a r da n de c o n o m i cc o n s e q u e n c ef r o ml e a k a g ea n d h a v em o r es e n s eo fp r o d u c tq u a l i t y p e o p l ea r ea t t a c h i n gi n c r e a s i n gi m p o r t a n c et ot h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fl e a k a g em e a s u r e m e n ta p p l i a n c e s t h i ss u b j e c ti sb a s e d o nt h er e s e a r c hc o n d u c t e do nt h el e a k a g em e a s u r e m e n ta p p l i a n c e sf r o mc h i n aa n d o t h e rc o u n t r i e ss p o n s o r e db ys h a n g h a ih e n g x i a n gm e a s u r e m e n t a p p l i a n c ec o l t d t h e l e a k a g em e a s u r e m e n ta p p l i a n c ea p p l i e st h ep r e s s u r ed i f f e r e n c em e t h o da n d s h o r t e n st h eb a l a n c et i m eo ft h es y s t e mf o rl e s st i m eo fm e a s u r e m e n t t h es e l f f a b r i c a t e dh i g h s p e e dd a t ac o l l e c t o rw o r k sa sas l a v em a c h i n ea n d c o l l e c t st h ea i rp r e s s u r ed a t ao ft h em e a s u r e dc o n t a i n e r t h ec o l l e c t o ru s e sad s pa s t h ec o r ea n dp c ib u sf o ri t sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ed s pa n dt h em a s t e r m a c h i n e ac p l dw o r k sa st h el o g i cc o n t r o l l e rf o rm u l t i p l em o d u l e s t h em e a s u r e m e n ts y s t e mu s e sa ni n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r i p c a si t s m a s t e rm a c h i n ef o rm o n i t o r i n ga n dc o m m u n i c a t i n gw i t ht h es l a v em a c h i n ea n d i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m t h em e n uo ft h ec o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d t h r o u g ha n a l y s i so ft h em a s t e rm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mu s e sv b a n dm a t l a bf o rp r o g r a m m i n gt ot a k ea d v a n t a g eo ft h ee a s yu s ea n df a s tu s e r i n t e r f a c eg e n e r a t i o no fv ba n dt h ep o w e r f u l c a l c u l a t i n ga n dg r a p h i cp r o c e s s i n g c a p a b i l i t yo fm a t l a b s i n c et h ee n v i r o n m e n ta n dt h ec a p a c i t yo ft h em e a s u r e dc o n t a i n e rm a ya f f e c t t h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r e m e n t av a r i e t yo fs o l u t i o n sh a v eb e e np r o v i d e d w i t ht h ep r e c i s i o no fa l lp a r t so ft h es y s t e mt a k e ni n t oa c c o u n t i ti sp r o v e dt h a t t h ep r e c i s i o no ft h ew h o l es y s t e mh a sr e a c h e dt h es a n l es t a n d a r do ft h ea d v a n c e d s y s t e m s o fo t h e rc o u n t r i e sw h i l et h ec o s ti sl o w e r h e n c et h em i s s i o no ft h e d e v e l o p m e n to fah i 曲一p e r f o r m a n c el e a k a g em e a s u r e m e n ts y s t e mh a sb e e n a c c o m p l i s h e d k e y w o r d s l e a k a g em e a s u r e m e n ta p p l i a n c e d s p p c i v b v i 上海大学硕上学位论文 原创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 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发 表或撰写过的研究成果 参与同一工作的其他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 签名 盟整日期 卫堡 墨 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留论文及送交论文复印件 允许论文被查阅和借阅 学 校可以公布论文的全部或部分内容 保密的论文在解密后应遵守此规定 僻 i i j 海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论弟一早珀t 匕 本课题来源于上海恒翔检测设备有限公司 该公司成立于1 9 9 5 年 是英国 麦克莱克 m e e e l e c 公司和美国友善 u s o n 公司中国地区的总代理 专营 自动化装配线和试验台 气密性检测系统 曾为上海通用汽车有限公司 德尔 福汽车空调系统有限公司 上海交运股份有限公司等多家跨国公司及大型企业 配套装配生产线 干式泄漏检测系统及其他设备 随着中国加入w t o 的进程越来越快 国内各行业所面临的挑战正日益加 剧 各行业对产品质量意识有了明显地提高 密封性作为工业产品质量的一个 重要技术指标 近年来日益受到企业的重视 为了能开发出达到国际先进水平 的测漏检测系统 该公司希望能依靠我校在这方面的理论和实践经验 委托我 校进行测漏检测系统的研发 1 2 课题的研究目的和意义 在日常生活中及工程实际中 存在着各种各样的泄漏 生产设备的泄漏会 造成多方面的危害 设备中工作介质泄漏 会造成物料浪费 易燃 易爆 剧 毒等物质的泄漏将危害操作人员的人身安全 引起设备事故 环境中的气 水 和粉尘等侵入设备会污染工作介质 影响产品质量和缩短机器寿命 如由于汽 车油路密封性不好或者重要零件的泄漏造成的废气和能源的污染 随着人们对 汽车的使用越来越频繁同样不可小视 不仅严重影响了环境 而且危害了人类 健康 各种包装容器的泄漏将会造成产品质量不合格 在航天航空领域 对密 封性有着更高的要求 对漏气率有严格限制 否则将会对航天器本身的电 热 性能产生严重的影响 甚至造成航天器飞行的失败 对载人的航天飞机而言 漏气率的控制更为重要 泄漏的存在将会威胁宇航员的生命 随着人们对泄漏危害及造成的经济损失的认识 以及对产品质量意识的提 高 泄漏检测和控制意识的增强 测漏检测系统的应用越来越广泛 对测漏检 上海大学硕 上学位论文 测系统的研发也逐渐受到人们的重视 本次课题的意义就是通过研究和开发一 种高性能的泄漏检测仪器 用于密封容器的泄漏检测 以便能及时地判断其是 否泄漏 以及其泄漏量 从而避免了泄漏所带来的各种危害和所造成的经济损 失 提高密封产品质量 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 过去检测泄漏的方法有水检法 肥皂液法等等 由于这种湿式检测方法很 容易受人为因素影响而产生误判 效率低 不能定量分析 浸水后需对工件做 表面处理 防腐处理等 增加了测量费用 所以国外在7 0 年代中后期 就开始 研究能弥补湿式检测方法缺陷的其他密封检测方法 到了9 0 年代初 以气体为 检测介质的干式检测方法逐渐成熟 以干式检测技术为基础的测漏仪 逐步投 入生产 形成了产品 通过对测漏仪设备不断地完善 国外先进水平的测漏仪 精度和稳定性以能满足不同标准测漏检测的高要求 例如 美国优胜 u s o n 的各种型号测漏仪 根据检测原理及产品应用的不同 能达到不同精度 其中 压差检测法 一般精度q u a l i t e k 6 2 0 a 能达到1 p a 重复性3 高精度的t e s t r a 系列能达到0 1 p a 流量检测法 q u a l i t e k 系列的灵敏度为0 0 0 0 2 m l s 可重复 性为3 v e c t o r 系列的检测原理有 压力衰减法 压差法 压力增加法 质量 流量法和真空法 根据传感器精度的不同有不同的精度 最高能达到 0 0 0 0 0 0 1 p s i 0 0 0 7 p a 日本c o s m o 株式会社的测漏仪器 高精度的能达到 0 1 p a 一般精度的为1 p a 1 3 2 国内研究概况 国内在测漏检测技术的研究上起步比较晚 一直沿用湿式检测方法 对于 干式检测方法的研究 直到9 0 年代的时候才刚刚起步 且国内从事测漏仪研究 的并不多 由于具体检测对象的不同 导致在测量标准的制定上没有统一的标 准 一般以满足各自企业的要求为准 所以国内没有形成统一的体系 国内比 2 上海大学硕士学位论文 较大的自主生产厂家有安徽中科智能技术有限责任有限公司 该公司的测漏仪 器品种规格比较齐全 且在国内处于领先水平 其压差检测法产品的精度一般 可以达到1 p a 1 0 p a 流量检测法产品的精度 为 0 1 m l m i n 1 0 0 m l m i n 相比较国内和国外产品的技术指标后 容易看出国外进口产品在精度上比 国内产品的精度高 产品的可靠性也比国内产品高 当然价格也是不菲的 所 以木次课题的研究目标就是能找到一种解决方案 开发 研制一种即能达到围 外进口产品的精度和可靠度 同时在价格方面能与国内产品竞争的测漏检测系 统 1 4 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础 本课题的研究 内容 1 阐述课题的研究背景 分析测漏仪器的国内外研究状况 从而确立课 题的研究目标 2 测量原理与检测方案的选择 比较现有测量原理 总结各自的优点和 缺点 根据测量方法的选择原则 选择适合的测量方案 根据测量方 案完成系统气路设计 同时利用二次充气法 减少系统的平衡时间 3 根据不同的数据获取方法 选择不同的下位机 比较各种方法的优缺 点 最后完成系统硬件的构成和设计 压差传感器的选型 4 系统的软件设计 下位机d s p 的控制编程 通过系统需求分析 完成 工控机上监控功能系统的软件设计 下位机与工控机的通讯 工控机 与工厂信息管理系统的连接 5 影响系统精度的因素及解决方法 通过建模分析 求解经验方程 证 明从气压变化量到泄漏率的转化 并不影响系统的精度 通过分析整 个系统 找出影响系统的精度的因素 同时提出解决方案 6 本次课题的总结和展望 3 上海大学硕士学位论文 第二章测量原理与检测方案的选择 泄漏检测技术中所指的 漏 的概念 是与最大允许泄漏率的概念联系在 一起的 泄漏是绝对的 不漏则是相对的 对于真空系统来说 只要系统内的 压力在一定的时间间隔内维持在允许的真空度以下 这时即使存在漏孔 也可 以认为系统是不漏的 对于压力系统来说 只要系统的压力能维持在所允许的 值以下 在不影响系统正常工作的情况下 同样也可以认为系统是不漏的 检 漏就是用一定的手段将试漏物质加到被检测产品中 用仪器或者某种方法检测 出试漏物质的泄漏量及泄漏点 2 1 测漏检测原理的选择和分类 2 1 1 泄漏检测方法的选择 泄漏检测方法很多 每种方法的特点不同 检漏前应根据具体的检漏要求 选择合适的检漏方法 选择泄漏检测的方法要考虑以下因素 1 灵敏度 检测方法的灵敏度可以用该方法可检测到的最小泄漏率来表 示 选择检漏方法时应考虑各种方法的灵敏度 即采用哪种方法可以 检测出哪一级的泄漏 例如要检测1 0 击m l s 的泄漏率时采用灵敏度为 1 0 2 m l s 的方法就无法实现 反之 检测1 0 2 m l s 的泄漏时 采用灵敏 度为1 0 6 m l s 的方法 原理可行 但是不经济 2 1 响应时间 不论采用什么方法 要检测出泄漏率 总要花费一定的时 间 响应时间的长短会影响检漏的精度和灵敏度 通常 延长检测时 间会提高灵敏度 但是 检测时间过程 由于环境条件的改变 可能 降低检测的精度 而且 在批量生产的生产线上的检测 过长的检测 时间还会影响生产的节拍 达不到自动化生产的时间标准 3 1 稳定性 泄漏检测是一种计量和测试的综合技术 如果测试得到的数 据不稳定 就失去了检漏的意义 正确的检漏方法不仅需要检测仪器 4 上海大学硕上学位论文 素 具有稳定性 而且需要检测方法本身具有稳定性 4 可靠性 采用某种方法进行检漏时应考虑该方法是否可靠 检漏结果 的可靠性与检漏的稳定性等因素有关 5 经济性 经济性是合理的选择检漏方法的关键之一 检漏方法的经济 性要考虑到所需的检漏系统 对操作人员的技术要求 操作的劳动强 度 检测结果的可靠性等多方面因素 例如 肥皂水检漏是一种很经 济的方法 但是 使用这种方法无法检查出较小的泄漏 而且操作不 方便 时间长 检测后需对被测容器表面做处理 因而 在泄漏率要 求较高的场合无法使用 此外 选择检漏方法时还要考虑到泄漏点的判断 检测结果的一致性等因 2 1 2 泄漏检测原理的分类 1 湿式检测法 传统的检测方法是气泡法 又称湿式检测法 就是将充入一定压力气体的工 件浸没在水中 然后由人工观察的方法 判断是否有气泡产生 并由气泡产生 的多少估计其泄漏程度 这种检测能够找出具体的泄漏点 系统结构简单 成 本低 但是只能定性分析 不能定量分析 2 干式检测法 由于泄漏会造成被测件内气体质量减少而引起被测件内气体的一些参数发 生变化 我们可以对这些参数进行定性和定量的分析 从而判断出泄漏量 这种方 法被称作干式检漏法 根据检测原理的不同 干式检漏的方法可以分为气压检 漏仪 对被测件进行加压或抽真空 然后隔离气源 观察气压的变化 超声波 检漏仪 通过漏孔发出的声波来检测泄漏 卤素检漏仪 通过卤素效应来检测 泄露 氨检漏仪 通过试纸来检测泄漏 氦质谱检漏仪 通过质谱原理来检 测泄漏 流量检漏仪 通过层流管的流量变化来检测泄漏 由于湿式检测法很容易受人为因素影响而产生误判 效率低 不能定量分 析 浸水后需对工件做表面处理 防腐处理等 增加了测量费用 所以现今越 5 上海大学硕上学位论文 来越多的场合用千式检漏方法 特别是气压检漏仪 氦质谱检漏仪和流量检漏 仪 氦质谱检漏仪精度高 但是价格昂贵 且质谱原理分析难度比较高 流量 检漏仪在被测腔容积较大时可显著缩短测量时间 因为流量测量的测量信号与 测试容积无关 而是直接反映泄漏率的大小 所以经常被使用于泄漏率较大的 产品检验 根据前面的叙述 气压检漏法比较经济方便 不影响产品的清洁度 响应时间短 检测精度较高 可靠性好 且能够实现定量检测等诸多优点 因 而被广泛应用于现代工业生产中 由于气压检漏仪的精度已经达到了系统的需 要 而且气压检漏仪的原理比较简单 实现容易 所以在本课题中利用气压测 漏的原理 2 2 气压测漏检测方法 气压测漏又分为直接压力测试方法和差压测试方法 直压法的优点是气路 简单 容易实现 达到平衡的时间短 效率较高 但是测量结果受环境温度 湿度等的影响较大 所以精度不高 但可以通过软件补偿的方法提高精度 一般国内外直压法的原理相同 如图 1 所示 打开气源 使电磁阀1 处 于充气位 电磁阀2 处于导通 向被测工件充气 当压力传感器p 输出值到设 定值时 使电磁阀2 处于关闭状态 经过一定的平衡时间后读取传感器的压力 值p 1 再经过一定的测试时间后 读取传感器的压力值p 2 根据压力变化与泄 漏率的关系 就可以得出被测工件在该条件下的泄漏率 随后使电磁阀l 处于 排气位 电磁阀2 处于导通 被测工件放气 气源 1 卜一 调节器1电磁阀l 出口 压力传感器 直压测漏法 捧气口2 图 1 直压测量原理 6 一 被测件 上海大学硕十学位论文 差压法在气路结构上较复杂 采样点较多 成本高 平衡时间长 但是由 于其在气路上采用了对称的桥路测量原理 从原理上解决了直压法受环境因素 影响的问题 所以提高了测量的精度 但是差压法实现闲难和平衡时间长是相 对于直压法的两个缺点 国内外压差测量法的测量原理如图 2 图 3 所示 打开气源对被测件 和标准密封件同时充气 然后关闭阀门 经过一定的平衡时间后 如果被测件 有泄漏的话 压差传感器将会有压力差输出 压力差的大小将反应泄漏率的大 小 图 2 与图 3 的差别就是图 3 在被测工件上加了一个压力传感器 因为压差传感器只能检测被测件和参考容腔的压力差 不能定量反应被测件的 压力变化 因此通过加入一个压力传感器 和压差传感器配合进一步提高测试 精度 另外图 3 中用两套气路的原因是防止标准件和被测件充气气路的 t 涉 提高系统精度 标准件 国内压差测漏法 图 2 国内压差测量原理 7 测试件 j 海大学硕士学位论文 气源 伊一 2 3 二次充气法 可选压力开关 压差测漏法 图 3 国外压差测量原理 件 为了能进一步缩短检测的时间 我们在充气平衡的时间上也做出了一定的 改进 由流体力学的知识和现场大量实验数据的分析结果可知 在充气速度超 过一定的值之后 所需要的平衡时间基本稳定下来 而使用低速充气时 平衡 时间很短 因此 使用了一种新的充气方法 叫做二次充气法 二次充气法是 先用高压充气 在快到达预定气压值时 再改用低压充气 压力值曲线如图 4 所示 这个方法可以有效减少充气平衡时间 从而提高了检测效率 检测过程 分为一次充气阶段 二次充气阶段 平衡阶段 测量阶段以及放气阶段 压力 u t 2 t 3 时褐 图 4 二次充气压力曲线图 上海大学硕1 二学位论文 2 4 检测方案的确定 综合系统的要求和上面的比较结果 由于精度是测漏仪一个比较重要的技 术指标 所以决定选用精度较高的压差法进行测量 系统的气路设计方案如图 3 所示 虽然压差法的气路比较复杂 但是不是不可实现的 同时采用二次 充气的方法来进一步减少平衡所需的时间 提高检测效率 以弥补压差法平衡 时间长的缺点 同时为了进一步提高系统的精度 特选用高精度受环境影响较 小的进口压力传感器 软件上通过数字滤波减少数字采集时的干扰信号 9 上海大学硕上学位论文 第三章系统的硬件设计 系统的硬件设计是影响系统精度和稳定性的重要因素 是整个测漏仪产品 的重要组成部分 是整个系统的关键 系统对上位机的要求是 时刻能与下位机进行通讯 而且作为系统的显示 监控设备 要显示当前的压力曲线 运行图形界面 同时还要通过局域网和工 厂信息管理系统通信 既要读取数据库中的产品信息 也要往数据库里写入测 量数据 作为工业用机 除了要完成上面的各种功能外 还需要能长时间无故 障的工作 所以功能强大 可靠性高 扩展性好 抗干扰能力强的工控机就是 我们理想的选择 系统对下位机的要求是 控制气路系统的动作 传感器数据的精确和高速 采集 并能与上位机实现快速通讯 压差传感器的精度对整个系统的精度的影响较大 所以要选择精度较高的 进口传感器 压差传感器的选型将在本章的最后阐述 3 1 系统下位机的选择 3 1 1 下位机的确定 根据数据获取方法的不同 系统的下位机的选择有不同的方案 第一种方案 通过工控机标准的串口与下位机通讯 下位机我们选择现成 的 能够满足系统控制要求的标准产品p l c 用p l c 作为下位机的数据采集系统框架如下图所示 1 0 l 海大学颐i 学位 文 压蓐传感器 温度传感器 被刺件斗 气路系统 二臣二1 一幽 4 叠 缈 存墩数据 图 5 p l c 作为下位机的系统框图 系统中要求下何机能够完成模拟量的采集和i o 控制 由于p l c 不仅具有 逻辑控制功能 l 酊且其有算术运算功能和对模拟量的控制功能 且p l c 配有标 准的串口适配器 能方便与上位机的通讯 同时p l c 在硬件和软件构成上比较灵活 可以根据需要选择不同的输入 输出模块 组成不同的硬件结构的控制装置 程序的编制和调试也非常方便 当被控对象改变时 很容易实现新的控制 p l c 的平均无故障时n u 在2 万小时 以上 还具有完善的自诊断功能和良好的环境适应性 抗干扰能力强可应用于 较恶劣的工业现场 p l c 的优点还在于用户界面十分友好 具有监控功能 利 用编程器或监视器可以对p l c 的运行状态 内部数据进行监视或修改 增加了 调试工作的透明度 鉴于p l c 具有以上这些优点 所以在第一方案中 我们选 用p l c 作为系统核心数据采集模块 在通讯上 有串行接口 并行接口以及u s b 接口之分 串行接口通常又被 简称为串口 串行口不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位 地传送出去的 虽然这样速度会慢一些 但传送距离较并行口更长 并行接口 也被简称为井口 所谓 并行 是指数据同时通过并行线进行传送 这样数据 传送速度大大提高 但并行传送的线路长度受到5 i 制 因为长度增加 干扰就 会增加 数据也就容易出错 u s b 即 u n i v e r s a ls e r i a lb u s 中文名称为通用 串行总线 这是近两年逐步在p c 领域广为应用的新型接口技术 u s b 具有高 速的数据传输能力 在数据传输上表现得极为稳定 很少出现问题 由于p l c 配有标准的串口适配器 且串口通讯简单通用 所以在此方案中 选择r s 2 3 2 串口通讯 一一 上海大学硕士学位论文 第二种方案 通过标准的总线技术 与工控机进行通讯 系统i o 控制和 传感器的模拟量采集 使用数据采集卡系统 数据采集卡是集i o 控制和a d 转换为一体的 虽然现在市场上通用型的数据采集卡规格齐全 能很容易的找到合适的采 集卡 且使用方便 所以将一定程度上减轻硬件系统开发人员的负担 极大的 缩短系统的开发时间 但是通用型的数据采集系统昂贵的产品价格让人望而却 步 因而寻找一种简单的电路设计来获得性能优良的高速数据采集系统一直是 工程设计者追求的目标 同时自制的高速数据采集卡 在满足系统速度和精度 上要求的同时将极大的降低系统的开发成本 本测控系统采用自制的数据采集卡 工控机作为上位机 用于完成对系统 的控制 如数据接收与处理等 d s p 作为下位机 用于完成数据采集与处理 以及其他外围信号的控制等 整个高速测控系统辛要由信号调理电路 d s p 模 块 s r a m 存储器 c p l d 逻辑控制电路 p c i 9 0 5 4 接口芯片等几部分组成 系统的基本硬件结构如下图所示 图 6 系统硬件框图 1 2 i p c 上海大学硕上学位论文 在第一种方案中p l c 的价格昂贵 成为系统开发中不可避免的缺点 且一 般的p l c 的主机只能输入输出数字信号 为了能够读取模拟信号 需要扩展模 拟功能模块 但是扩展一个模拟模块将进一步提高系统的开发成本 同时p l c 虽然能完成a d 转换 实时采样 连接传感器等任务 但是采集速度不快 效 果不是最佳 由此可见p l c 做开关控制很简单 但是涉及到模拟模块控制的时 一 候显得有些力不从心 第二种方案中所设计的数据采集卡充分利用了d s p 的性能特点和内部资 源 在硬件上利用了d s p 的内部时间管理模块 模数转换模块和i o 模块 在 软件上利用板上d s p 可实现对采样数据的实时处理 抗干扰处理 减轻了上 位机软件的负荷 由于d s p 提供了强大的接口功能 使数据采集系统各模块之 间接口实现变得简单 方便 利用c p l d 实现系统的逻辑控制 调节各模块之 间协调工作 使用双口r a m 和高速的p c i 总线 实现数据的采集和快速传送 考虑到经济性 以及数据采集速度等方面的原因 决定采用自制的高速数 据采集卡作为系统的下位机 3 1 2d s p 控制模块 对于自制的高速数据采集卡 首先要确定的是主处理芯片 目前市场上单 片机的丰频最高为3 0 m 不能满足高速实时采样数据的要求 且数据处理能力 不强 根据实时性以及强大数据处理能力的要求 以及d s p 的特殊芯片结构 片 内集成a d 转换模块和独立可编程 复用型 通用i o 和运算速度快 精度 高 接口方便 特别适合数字信号处理等特点 系统选用d s p 一 d s p 概述 数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科 在通常的实时信号处理中 它具有可控性 可预见性 精度高 稳定性好 可 靠性和可重复性好 易于实现自适应算法 大规模集成等优点 数字信号处理器 d s p 是利用计算机或专用处理设备 在模拟信号变换 成数字信号以后 以数字形式对信号进行采集 变换 滤波 估值 增强 压 缩 识别等高速实时处理的专用处理器 在当今数字化时代背景下 d s p 已成 上海大学硕士学位论文 为通信 计算机和消费类产品等领域的基础器件 在d s p 出现之前 数字信号处理只能依靠m p u 微处理器 来完成 但 m p u 较低的处理速度无法满足高速实时的要求 随着大规模集成电路技术的发 展 1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片 采用n m o s 技术制作 功耗和尺寸 稍大 但运行速度却比m p u 快了几十倍 所以在语音合成和编码解码器中得 到了广泛的应用 随着c m o s 系统技术的进步和发展 第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片 应运而牛 其存储容量和运算速度成倍提高 成为语音处理 图像硬件处理技 术的基础 8 0 年代后期 第三代d s p 芯片问世 运算速度进一步提高 应用范围进一 步扩大到通信 计算机领域 9 0 年代d s p 发展最快 相继出现了第四和第五代d s p 器件 第五代与第 四代相比 系统集成度更高 将d s p 芯片及外围组件综合集成在单一芯片上 这种集成度高的芯片不仪在通信 计算机领域大显身手 而且逐步渗透到了人 们日常消费领域 随着技术的进一步提高 现在第六代d s p 已经问世 处理速 度更快 d s p 的优势在于 1 d s p 属于哈佛总线结构 即它具有两条内部总线 数据总线和程序总 线 程序和数据存储空间分开 各有独立的地址总线和数据总线 取 址和读数可以同时进行 2 采用流水作业 每条指令的执行分为取指令 译码 取数 执行等若 干步骤 由片内多个功能单元分别完成 相当于多条指令并行执行 从而大大提高了运算速度 3 片内具有快速r a m 通常可通过独立的数据总线进行访问 4 具有低开销或无开销循环跳转的硬件支持 5 快速的中断处理和硬件i o 支持 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 7 独立的硬件乘法器 乘法指令在单周期内完成 优化卷积 数字滤波 1 4 上海大学硕上学位论文 f f t 相关矩阵等算法中的大量重复算法 8 多处理器接口 使多个处理器可以方便的并行或串行工作 以提高处 理速度 9 j t a g 标准测试接口 便于对d s p 进行片上在线仿真和多d s p 条件下 的测试 二 d s p 的选型 d s p 的选型 一般可以从定点 浮点的选择 速度的要求 开发环境及其他 性能指标等方面考虑 目前应用最多的是德州仪器公司的t m s 3 2 0 系列和摩托罗拉公司的 d s p 5 6 0 0 0 和d s p 9 6 0 0 0 系列 t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列芯片特别适用于有大批量数据 处理的测控场合 如数据采集 工业自动化控制 电力电子技术应用 智能化 仪器仪表及电视 马达伺服控制系统等 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司最新推出的基于t m s 3 2 0 c x x 内核的定点数字信号 处理器 最高频率为1 5 0 m h z 处理速度可达1 5 0 m i p s 指令周期为6 6 7 n s 采用了8 级流水线的工作方式 它的片上资源大致如下 2 7 1 静态c m o s 主频可达1 5 0 m h z 低功率 核电压1 8 v i o 电压3 3 v 2 1 2 8 k 1 6 位片上f l a s h 1 8 k 1 6 位s r a m 4 k 1 6 位片上b o o t r o m 3 外部存储空间接口 最多可达1 m 1 6 位 提供3 个独立的片选信号 读 写时序可编程 4 动态p l l 可由软件编程修改主频和片上看门狗定时器的记数值 5 外设中断扩展模块 最多支持4 5 个外部中断 6 3 个3 2 位定时器 7 用于电机控制的外设 2 个事件管理器 8 多个标准串口外设 1 个s p i 同步串口 2 个u a r t 异步串口 1 个增 强型c a n 总线接口 1 个m c b s p 同步串口 9 1 2 位a d 转换器 1 6 通道 双采样 保持器 2 8 多路切换器 1 0 5 6 个独立可编程 复用型 通用i o 口 g p l 0 口 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系统功能图如下图所示 上海大学硕十学位论文 1 2 8 kf l a s h1 8 k 4 k 2 k 0 t pr a mb o o t r o m 一事件管理器a 一事件管理器b 八 存储总线 一1 2 立 a d c 外 一 t 看门狗电路 中断管理 1 g p i o 设 f 2 8 1 23 2 位d s p 总一 葡s b r 一 3 2 x 3 2 位 单周期 一c a n 控制器 乘法器 读一修改一写线 a l u 1卜 一s c l u a r ta 3 2 位 定时器 一s c l u a r tb 3 2 位 实时 寄存器 v j t a g 图 7 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部结构 通过分析可以看出因为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片内包含了a d 所以这种采集方 法可以大大提高采样速度和精度 并且可以降低硬件设计成本和时间 典型的 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的数据采集系统如图 8 所示 图 8 典型的基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的数据采集系统 a d 转换器是采集通道的核心 也是影响数据采集系统速率和精度的主要 因素 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片上集成了一个1 2 位a d 转换芯片 其前端为2 个8 选1 多路切换和2 路同时采样 保持器 构成1 6 个模拟输入通道 模拟通道的 切换由硬件自动控制 并将各模拟通道的转换结果顺序存入1 6 个结果寄存器 中 a d c 排序器由两个独立的8 状态排序器s e q l 和s e q 2 构成 可以采用两 1 6 上海大学硕上学位论文 种排序模式 即单排序模式和双排序模式 在这两种模式下 a d c 都可以对一 系列转换进行自动排序 每次模数转换时收到一个开始转换请求就能自动完成 多个转换 对于每个变换 可通过模拟复用器选择1 6 个输入通道中的任何 个 转换结果保存到相应的结果寄存器中 对同 通道也可以进行多次采样 实现 过采样算法 从而提高采样精度 图 9 a d 转换模块 同传统a d 相比 嵌入式a d 具有如下的特点 在a d 模块的硬件资源配 置好了之后 用户可以用软件指令随时启动a d 采样 并获得a d 转换的结果 同传统a d 不同的是 采集功能单元的硬件配置还有一部分是通过软件完成的 数据采集系统各器件的定时关系是严格的 以确保系统精度 d s p 中的定 时电路和逻辑控制电路按照各个器件的工作次序产生时序信号和依据时序信号 产生逻辑控制信号 3 1 3 控制逻辑芯片c p l d 目前 在电路设计中c p l d c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 复杂可编 程逻辑器件 的应用越来越广泛 适当的使用c p l d 一方面可以简化电路 缩 小电路板面积 另一方面可以实现在系统编程 可以在不更换器件的情况下修 1 7 上海大学硕士学位论文 改电路 控制逻辑主要包括d s p 控制逻辑 s r a m 控制逻辑 p c i 9 0 5 4 接口控制逻 辑三部分 3 1 4p c i 9 0 5 4 总线模块 7 0 年代以来 v l s i 技术的发展使得在一块小印刷电路板上集成极强大的 逻辑功能成为可能 同时市场的激烈竞争又促使从系统设计到产品推出的时间 越来越短 并且要求所设计的系统能灵活适应用户不断变化的需求 这些原因 使得系统设计者必须采用模块式的组合设计 从而使用户可以按其不同要求来 组合不同模块 由于这些模块的可替换和可组合性 因而其设计也就必须基于 一种公共使用的数据信息通路即总线结构上 总线就是在计算机系统中各组件之间信息传输的公共通路 各个功能部件 都是通过总线交换数据 微机中总线一般有内部总线 系统总线和外部总线 总线的速度对系统性能有着极大的影响 总线被誉为是计算机系统的神经中枢 在p c 发展的二十余年历史中 总线只进行三次更新换代 但它的每次变革都 令计算机的面貌焕然一新 总线的详细发展历程 包括早期的p c 总线和i s a 总线 p c f a g p 总线 p c i x 总线以及目前主流的p c ie x p r e s s h p e r t r a n s p o r t 高速串行总线 基于计算机的数据采集主要有两种方式 基于i s a 总线方式和 基于p c i 总线方式 i s a 总线采用8 位和1 6 位模式 它的最大数据传输率为8 m b p s 和1 6 m b p s i s a 总线一直贯穿2 8 6 和3 8 6 s x 时代 在当时 1 6 位x 8 6 系统对总线性能并没 有太高的要求 i s a 也没有遭遇任何的麻烦 但在3 2 位3 8 6 d x 处理器出现后 使系统内部总线结构产生了一个飞跃的变化 数据总线宽度由1 6 位增到3 2 位 c p u 处理能力大大提高 但由于i s a 标准的限制 系统总的性能没有根本改变 凡是系统总线上的i o 存储器的访问都没有很大的改进 因而使得强大的c p u 处理能力与低性能的系统总线间形成了一个瓶颈 制约了机器性能的提高 e i s a 由此诞生 它的工作频率仍然保持在8 m h z 水平 但由于是3 2 位宽度 它的总线带宽提升到3 2 m b p s 还保持了与传统的i s a 百分之百兼容 但是它 上海大学硕士学位论文 的成本过高 且速度潜力有限 所以很快就被淘汰了 多处理器结构的出现 使原有的系统总线已远远不能满足要求 因此出现 了多总线结构 在多总线结构中 局部总线的发展令人瞩目 最具代表性的是 p c i 局部标准总线 p c i p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t 总线也叫外围部件互连总线 该 总线负载能力强 是一种高性能的3 2 6 4 位地址数据复用的高速外围设备接口 局部总线 采用多总线主控和线性突发方式 其数据传输率为 1 3 2 m b p s 2 6 4 m b p s 它同时支持多组外围设备 且不受制于处理器 为c p u 及 高速外围设备提供高性能 高吞吐量 低延迟的数据通路 p c i 总线的性能特 点归纳如下 1 独立于处理器 p c i 总线通过主桥路与处理器相连 因此通过改变主桥 路 可与不同的处理器相连 2 高性能 总线宽度3 2 位 可升级至6 4 位 满足当前对p c 机传输速度 的要求 3 即插即用 p c i 设备都包含存有设备具体信息的寄存器 从而使得系统 b i o s 和操作系统层的软件可以自动配置p c i 总线部件和插板 4 向下兼容性 软件上 p c i 部件与现有的驱动程序和应用程序兼容 硬 件上 由一个共享槽可接纳i s a e i s a m c a 扩展卡 5 低成本 采用最优化的芯片 多路复用体系减少了管脚个数和p c i 部 件 6 扩展性强 p c i 总线预留6 4 位扩展 并可实现5 v 向3 3 v 平稳过度 由于p c i 总线的上述特点 在数据采集系统中利用p c i 总线的高速特性将 采集的数据传到计算机内存 从而解决了数据采集系统设计中的大容量数据传 输和存储问题 同时信号处理过程中对信号的实时性要求很高 这就要求信号 传输的带宽要足够宽 p c i 接口非常适合将高速信号处理模块和计算机连接在 一起 所以本系统采用p c i 总线技术 实现与上位机的数据传输和交换 目前p c i 接口的设计一般采用两种方法 3 6 1 用可擦除可编程逻辑设备 e p l d 或现场可编程门阵列 f p g a 实现 这种方法具有很强的针对性 1 9 上海大学硕士学位论文 但是p c i 总线协议较复杂 设计p c i 控制接口难度大 开发时间长 成本较高 且很难在短期内达到系统稳定 2 采用通用接口芯片完成 常用的芯片有 a m c c 公司的s 5 9 x x 系列 p l x 公司的p l x 9 0 5 x 系列等 这种方法可将复杂 的p c i 总线接口转换为相对简单的用户接口 用户只要设计转换后的总线接口 即可 虽然这种方法不够灵活 但由于其对p c i 协议的良好支持 以及提供给 设计者的良好接口都大大减少了设计的难度和周期 用户可将主要精力放在系 统的开发上 所以本系统采用p c i 9 0 5 4 通用芯片完成p c i 接口功能 p c i 9 0 5 4 专用接口控制芯片 符合p c i 2 1 和p c i 2 2 规范 可同时支持3 3 v 和5 v 两种信号环境 提供了两个独立的可编程d m a 控制器 内部有6 个可编 程f i f o 以实现零等待突发传输及l o c a l 总线和p c i 总线之间的异步操作 在 p c i 总线端支持3 2 位 3 3 m h z 传输速率最高可达1 3 2 m b s 在l o c a l 端可编程 实现8 1 6 3 2 位的数据宽度 支持复用 非复用的3 2 位地址 数据 时钟最高可达 5 0 m h z p c i 9 0 5 4 提供了3 个物理总线接口 p c i 总线接口 e e p r o m 接口 l o c a l 总线接口 p c i 总线接口比较简单 只需按照p c i 扩展板上定义的引脚分配情 况将彼此对应的信号连接在一起即可 e e p r o m 用来存放p c i 9 0 5 4 的配