（测试计量技术及仪器专业论文）便携式数据采集分析系统的研究与设计.pdf

塑垩查堂堡兰竺堡壅兰! q 垒3 q 璺 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 利用率有重大意义。便携式数据采集分析仪是旋转机械状态监测中的重要工具， 广泛的应用于各个行业。本文在分析其在国内外发展趋势基础上，结合现代工 业企业旋转机械状态监测的新需求，设计并实现了一套新型的基于嵌入式系统 的便携式数据采集分析仪。 本系统选取了以a r m 7 t d m i 处理器为核心的软硬件开发平台，采用嵌入 式系统设计方法进行了软硬件的设计开发。该系统包括现场点检数据采集和管 理、实时频谱分析、故障诊断、数据回放、串口通讯、系统参数设置和管理等 模块，可以支持多种类型传感器。本系统不但可以测量振动信号，还可以测量 环境温度。 本文详细介绍了系统的总体设计，硬件电路的设计和软件的设计。硬件的 开发结合了e d a 技术和i c 技术的发展，通过硬件描述语言编程将部分数字电 路集成到可编程器件中，增加了可编程应用的灵活性，降低了系统功耗和系统 综合成本，提高了系统的可靠性和安全性。软件的开发是面向过程的，强调模 块化编程，开发周期短，可维护性好，并体现了软件的实用性和通用性。本文 对轴系简易的故障诊断模块的构成及推理过程进行了探讨。本文还介绍了系统 的测试方法，通过对系统的测试和调试，系统的设计达到了预期的要求。 关键字：旋转机械，便携式数据采集分析仪，a r m ，c p l d ，故障诊断 浙江火学硕十学位诧文 a b s tr a c t t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go f r o t a t i n gm a c h i n e r y c 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 c r e a s et h eu s eo fd e v i c e s 。t h e p o r t a b l ed a t ac o l l e c t o ra n ds i g n a la n a l y z e r i sa l l i m p o r t a n tp a r to ft h ec o n d i t i o n m o n i t o r i n go fr o t a t i n gm a c h i n e r ya n d i su s e di nt h ef i e l do f m e 籼i n g 。t h e t h e s i s n a r r a t e st h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ep o r t a b l ed a t ac o l l e c t o ra n ds i g n a la n a l y z e r a c c o r d i n g t ot h en e w r e q u i r e m e n to f t h em o d e r nc o n d i t i o nm o n i t o r i n go f r o t a t i n g m a c h i n e r y , i tb r i n g sf o r w a r dan e wp o r t a b l ed a t ac o l l e c t o ra n ds i g n a la n a l y z e rb a s e d o l le m b e d d e d s y s t e m t h e s y s t e mc h o o s e s aa r m - b a s e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r e p l a t f o r ma n dd e s i g n s u s i n gd e s i g nm e t h o do fe m b e d d e ds y s t e m t h es y s t e mi n c l u d e sd a t aa c q u i r e m e n t ， m a l - t i m e a n a l y s e ，d e v i c e e x a m i n a t i o n ，a c c e s s o r i a lf a u l t - d i a g n o s i s ，d a t aa n a l y s e a g a i n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，s y s t e mp a r a m e t e rs e t t i n ga n d d a t am a n a g e m e n t i tc a n u s es e v e r a lk i n d so f s e n s o r i ta l s oc a l lm e d i c t e m p e r a t u r e t h i st h e s i sp r e s e m sh o l i s t i cd e s i g no ft h es y s t e m ，h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g n ，t h ed e s i g no f h a r d w a r ei n t e g r a t e ss e v e r a ld i g i t a lc i r c u i t si n t oc p l dw i t h v e r i l o g h d lb a s e do n t h ed e v e l o p m e n to fe d aa n di ct e c h n o l o g y , a n di ti n c r e a s e t h ep r o g r a m m i n g a g i l i t y , r e d u c e st h es y s t e m c o s tm a d p o w e rd i s s i p a t i o n ，a n de n h a n c e t h es y s t e mr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y t h ed e s i g no fs o f t w a r ei sp r o c e d u r e o r i e n t e d ，a n d t h em o d u l ep r o g r a m m i n gc a ns h o r t e nt h ed e v e l o p i n gt i m ea n dm a k ei te a s yt ob e r e b u i l ti sa d o p t e d t h i st h e s i sd i s c u s s e st h et h e o r yo f e x p e r ts y s t e ma n dt h em e t h o d o f r o t a t i n gm a c h i n e r y f a u l td i a g n o s i s i ta l s od i s c u s s e st h em e t h o d o f t e s t i n g ，a n dt h e s y s t e md e s i g na c h i e v e sp r o s p e c t i v er e q u i r e m e n tb yd e s i g n i n ga n dt e s t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：r o t a t i n gm a c h i n e r y , p o r t a b l ed a t ac o l l e c t o ra n ds i g n a la n a l y z e r , a r m ，c p l d ，f a u l td i a g n o s i s i i 浙江大学硕士学位论文 第一耄绪论 1 1 课题的应用背景 随着现代大工韭豹发震，大型、小型酌旋转机械设备的应用范围越来越广 泛，对于石油、化工、电力、冶金等行业生产的正常进行及熬个工艺流程起卷 决定性的作南。然而l 主i 于机械故障造成设备侉机或其他严重事故屡有发生，往 往造成巨大的损失。因此，及时检修以消除关键设备的潜在机械故障楚歪关重黉 的。 设备维修俸毒是後关键设罄安全运行夔主要绩麓。早裁豹设备缨修钵铡蘩 本上是事后维修，即设备发生故障以厢再进行检修。随着流稷化工业的推广， 这释落后熬管淫模式徒往会遥威重大豹经济揆失，困诧又逐步稚雩亍定籁维修澍 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， 定期稔修实际上既不经济又不合理，簸大的问题是无法解决“维修不愁”和“维 修过剩”二者之间的矛盾。由此，将预防性定期维修逐步过渡到“状态维修” 已经成为提高生产率的一条重要的途径，也魑现代设备管理的需要。 誊霆器豹运褥状态簸测与赦障诊叛技术是保谖大型掇缀安全遮行，防止恶蛙事簸 的有效手段。它可以及时发现桃组的运行故障先兆，诊断产生故障的原因，为生产 帮维黪提袋决策依据，阏时氇避免了定期检穆零| 起靛生产箨顿。闵诧，对关键设备 进行实时在线状态监测可以产生巨大的经济效益： ( 1 ) 。可以避免严燕的突然事故，从丽提高设备的安全运行率，增加产值。 ( 2 ) 即使机组发生故障，也可以从系统提供给我们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，缩短梭修时间，提高检修质量。 ( 3 ) 。在枧组目常运露时，如果在搬组严耋擐坏的黪期发残赦障黪藏耀，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 至l 最小。 在线监测领域中，既有远程计算机网络监测系统，也有现场实时数据分析 稻敲障诊断系统。前者可班浏时箍测大量的税组，而且保存数据狠方便，后者 则灵活多变，可以在前者没有涉及到的地方进行动念随机测擞，大大弥补了姚 者的不足。 浙江大学砸上学位论文 随着现 弋嵌入式系统科学瓣迅速发展，特剐是l c j s c ( 精简指令集处理器) 技术、半定制a s i c 披术、存储技术和多媒体技术的发展，给便携式设备的发 展提供了一条光明的j 鳆路。高速宽带的处理器给测量分析带来了效率，缩短了 必要的等德时阙。在这个多媒体时代，声音图像技术大大增强了便携设签懿入 机交飘友好性，给仪器操作人员带来了很大的方便。因此，制作一台现代化、 毫缝熊浆矮携式振凌溅试分褥佼，已经成为兰务之惫。 1 2 国内外发展情沉 国外从六十年代初就开始对旋转机械的振动机组、故障特征、振动信号提取及 敲障诊断信号缝理送行了研究，发展了一系列诊断旋转视械敲障的技术。知常用的 冲击脉冲法，波峰系数法，谱分析判别法等。从七十年代后期开始，一些故障诊敝 仪器逐步进入别工程实用阶断，如瑞典s p m 仪器公司的s p m 系列，美国i 亚特兰大公 司鲍m 6 0 0 0 系列，热拿大c s i 公司鲍c s l 2 1 1 5 、c s l 2 4 0 0 ，美国本特到公毒l 黪d d m 与 a d r e 系列等等。但仪器价格较为昂贵，蕻性能价格比毕巍不高。从八十年代开始， 国淘诲多褰等学校与磺究援擒，对囊转穰摄熬蕊灏积诊戮菠术 乍了较多静分褥与安 验室研究，国内厂家已有类似产晶推出。但大多数产品的软件是綦于d o s 平台的， 功能上与用户躺要求藕差甚远。 随着以设备监测技术为基础的设锅管理思想从大型设备逐步深入到中型和 小型设备的管理中，由于成本因素和设备对象自身的特点，= j 慝年来国内外出现 了基予以上比较成熟的旋转橄械状念蟾测和故障诊叛技术敬巡捡式在线状态黢 测系统和巡检式离线救测及管理系统。其中比较典型的有：美国b e n l y 公司的 t m 2 0 0 0 巡捡式在线簸测与售爨管理系统；r t d 公司、埝尔滨大学稆大连瑗工大 学等院校合作开发的辽化d m s 2 0 0 0 巡梭式在线监测与信息管理系统等。 缀观罾内外情况，我稻可戳看崮状态蓝浏仪器设餐的开发有二个明显酶发 展趋向： 1 对各种类型豹旋转机械进行f ；j 常维护、监测，使得其向小型化、便携式、 通用化方向发展。这种类型鲍小仪器只嚣要现场的工人携带农赛上定瓣从枫缝 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 蜃( 这静软传一般国弦在系绞内部) 。孬透过辑配曩懿通蠲仪器接口，壹雾i e e e - - 4 8 8 、r s - - 2 3 2 等与备种计算机相连，以便将取回的的数据作进一步的数据处 浙江大学硕士学位论文 理，充分利用高一级计算机的数据资源。这类仪器发展很快，如s a s d 的产品m 7 7 7 系统就是与p c 机相配来作进一步的数据处理的。此外，德国s c h e n c k 公司的 v i b r 0 - f f t4 0 系列产品也属此类。 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： ( 1 ) 配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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 监控系统网络化。充分利用i n t e r n e t 或i n t r a n e t 的资源，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、结合各种类型的数据库，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。 1 3 传统便携式振动测试分析仪的特点和发展 在旋转机械测量领域，便携式振动测试分析仪凭借其轻巧方便，适用范围 广，灵活性高，测量对象多的特点成为了这个领域的主力。传统的振动测试仪， 采用了8 位或1 6 位的m c u 作为其核心，用加速度传感器( 或别的传感器) 采 集振动物理信号，通过模拟调理电路，数字调理电路将信号量化( 数字化) ，然 后利用处理器对数据进行时域和频域的分析。这类设备的特点是： ( 1 ) m c u 功能弱。主要表现在工作主频低，数据总线宽度比较窄，数据 运算能力差。 ( 2 ) 数据存储量小。早期很多使用s r a m 等易失性存储器，不仪存储容量 很小，而且一旦掉电，会遗失数据。 ( 3 ) 人机交互效果差。由于没有强劲的多媒体硬件支持，图像显示颜色单 调，分辨率低，单位面积的信息表达量低，这个缺点大大遏制了仪表的现场实 时分析功能。 浙江大学颂士学位论文 ( 4 ) 体积太，携带不够方便。由于大量数字电路靠芯片堆积，而且芯片的 封装尺寸也比较大，所以整机体积较大。 ( 5 ) 工作模式简单。往往只有测餐某种数据或做菜个频谱分析的功能，灵 活性魄较差。对不同搜月单位瓣不通黉要，溅足能力不是。 ( 6 ) 上层软件支持少。上层软件不光要读取测量数据，还要对数据进行管 理，毽蘧数攒瘁必不萄少。魏终，还要有强大豹离线分毒厅功戆。这些郄是老仪 器无法提供的。 藏舞，现场振动测试分拼和故障诊断对设备的婺求越来越高。育# 寸候设餐 需要猩很多的时间内采集多组数据，然后对每组数据都做f f t 运算，这样大的 运算熊对老仪器来说，需要搬长的时间，速度慢得让人无法等待。因此，便携 式设餐的实时瞧要求，已经缀明确的摆在了我们露蘸。 为了解决实时性问题，选择功能强大的m c u ，可以起到一定的改善作用。 妇栗逡嗣了意速麴m c u ，还怒无法达到我翻要求豹实瓣佳程度。那么，裁有必 要考虑将算术运算部分从软件实现改成硬件实现。方法上既可以选用d s p 芯片， 毽可以蹋s o c 援末采实现。褥裘是s o c 技术，它已缀成为当今a s i c 发展静 一个热点，越来越多的i c 设计企业开始走这条道理。 1 4 本课题的任务和目标 本课题的提出主囊是针对酒泉诵铁公司大基的风机、电机的运行状态在线 监测和辅助教障诊叛。本课题定位于便携式搬动测试分据仪，具各存鼹设套裁 测点信息、测壤数据、显示时频图和故障诊断的功能，并可以通过与上位机的 逶谖功疑下载巡捡路缀表露上臻溅量数据，戮矮戆够逶蓬鼹躐网或广躐网峦离 线设备状态监测与信息管理系统对设备和测量数据进行集中管理。适台于由众 多设餐组残酌工翌生产线；分数分布豹设备群；一般生产翻遗企韭的中小型设 备。 本课题的任务是瑟在一块以a r m 7 t d m i 为内核的硬件平台上，开发出一台便 携式掇动测试分析仪。主要工作包括设计数撼采集电路板，设计通讯硬 牛和邋 讯协议，制作仪表外壳，编写硬件底朦驱动程序，对憋个系统进行测试和标宅 等。这台测试分板仪在蓑其本实验室d m 6 0 0 2 蘩测振仪麴瑟有功爱熬篓穗上，改 进和增加部分功能，如更美观清晰的时频图像、快速的计算能力、串行数据通 浙江大学倾上学位论文 讯功麓。这台新仪器不仅在功能上大大增强，而且体积小，携带方使，具有类 似p 1 ) a 外形。 系统的基本要求如下： 1 对旋转极城蛉振动( 2 h z 一5 k h z 以蠹的正弦振动) 遴行实时瓣在线鳖 测，支持多种桊型的传感器测艇。 2 麓逶避与上袋缀的串嚣数据邋潺功戆，下载爱户凝摇实际，涛凌缌建懿设 备巡枪计划，对设备群进行巡检点测墩和随机点测量，并可以将测量数据上传 给主霞謇毛。 3 运用数字信号处理知识对采集数据进行分析，从而对振动情况作出分孝厅 和诊断。 4 。具有数据回放功能，能将保存在设备露储器中的测量蠖在设套上再次显 示出来，进行数据的褥次分析。 5 ，凌耗小，体积，l 、，携带方侵，羚型美瓣。 5 浙江大学硕士学位论文 第二章系统的总体设计 2 1 嵌入式系统的设计方法 一。叛久式系绞设诗方法交纯翡背景 嵌入式系统设计方法的演化总的来说是因为应用需求的牵引和i t 技术的 推动。 1 随着微电子技术的不断刨薪和发展，大规模集成电路的集成度帮工艺水 平不断提高。硅材料与人类智慧的结合，生产出大批擞的低成本、高可靠性和 褰糖瘦戆微电予结擒模块，接动了一个全耨黪技术镢域积产选靛发震。在藏鏊 础上发展起来的器件可编程思想和微处理( 器) 技术可以用软件来改变和实现 疆终豹凌能。徽处理糕秘各耱可编程大怒摸集成专嗣邀路、半定螽l 器中等鹣丈蘩 应用，开创了一个崭新的应用世界，以至广泛影响着并在逐步改变着人类的生 产、生活和学习等社会活动。 2 ，计算机硬件平台性能的大幅度提高，使很多复杂算法和方便使用鲍界骶 得以实现，大大提高了工作效率，给复杂嵌入式系统辅助设计提供了物理基础。 3 。裹性熬的e d a 综合开发_ i 具( 平台) 缮列长足发展，聪星其叁淤他霸磐 能化程度不断提高，为复杂的嵌入式系统设计提供了不同用途和不同缴别集编 辑、布蜀、东线、编译、综合、模整、测试、验 歪蟊器磐缟耧等一幸拳像熬易予 学习和方便使用的开发集成环境。 4 硬孛# 擒透语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 的发展为复杂泡 予系统设计提供了建立各种硬件模型的工作媒贪。它的描述能力和抽象能力强， 给硬件电路，特别是半定制大规模集成电路设计带来了重大的变革。碍前，阁 褥较多鳇有已成为i e e e 为s t d l 0 7 6 标准鲍v h d l 、i e e es t d l 3 6 4 标准懿v e r i l o g h d l 和a 1 t e r a 公司企业标准的a h d l 等。 囱予h d l 熬发曩耱蠡准德，整赛主出瑷了一毯羁粥h d l 送行各穆集残毫路 功能模块专业设计的公司。其任务是按常用或专用功能，用h d l 来描述集成电 臻静动戆窃结聿勾，并经过不同缀翱静验证形成不丽级涮的i p 内核模块，供芯冀+ 设计人员装配或集成选用。i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 内核模块是一种预先 设计好的甚至已经过验证的具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有 6 浙江大学醐上学倪论文 凡稀不嗣形式。i p 内核模块有行为( b e h a v i o r ) 、结构( s t r u c t u r e ) 和物理 ( p h y s i c a l ) 3 缀不同程度的设计，对戚有主要攒述功能行为的“软i p 内核( s o f t i pc o r e ) ”、完成结构描述的“固i p 内核( f i r mi pc o r e ) ”和基于物理描述并 经过王芑验 正懿“硬i p 蠹核( h a r di pc o r e ) ”3 个层次。这稳当予集成电路( 器 件或部件) 的嘏坯、半成品和成品的设计技术。软i p 内核通常是用某种f l d l 文 本提交臻户，它已经运雩亍去缀凌；_ 饶纯穗功麓验涯，键萁孛不含有任何其俸静 物理信息。据此，用户可以综台出正确的门电路级网袭，并可以进行质续结构 设诗，具有最大静灵活性，可黻缀容翁施倍韵予e d a 缀合工其与萁证矫部逻辑 电路结合成一体，根据各种不同的半导体工艺，设计成具有不同性能的器件。 可以商品化的软i p 内核一般电路结构总门数都在5 0 0 0 门以上。但是，如果后 续设计不当，褰可能菇致整个缝果失败。软i p 内核又称作虚数器l 牛。硬i p 内 核是纂于某种半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和县体工敬，并已 经过工艺验_ l 委，其毒哥保证戆瞧篷。葵提供绘覆户浆形式是惫路兹遥绥褐整援 版图和全套工范文件，是可以拿来就用的全套技术。固i p 内核的设计深度则是 分子软i p 蠢孩帮硬 p 肉核之闻，除了完成硬i p 内核所有的设计外，还完成了 门电路级综合和时序仿真等设计环节。一般以门电路缴网表形式提交用户使用。 t i ，p h i l i p s 和a t m e l 等厂商就是通过i n t e l 授权，用其m c s | 5 l 的i p 内核模 块结含自己的特长开发蹬有个性的与i n t e lm c s l5 l 兼容的单片机。嚣熙始i p 内核模块有各种不同的c p u ( 3 2 6 4 位c i s c r i s c 结构的c p u 或8 1 6 位微控制器 擎f l - 毫运，懿8 0 5 1 等) 、3 2 6 4 位d s p ( 魏3 2 0 c 3 0 ) 、d r a m 、s r 鲻、e e p r o m 、 f l a s h m e m o r y 、a d 、d a 、m p e g j p e g 、u s b 、p c i 、标猴接口、网络单元、编译 嚣、编码解鹳器帮搂羧器俘模袋等。丰富静i p 肉棱模块库为茯速建设诗专翔 集成电路和单片系统以及尽快占领市场提供了旗本保证。 s 软件技术的进步，特鄹是嵌入式实对操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m 的推出，为开发复杂嵌入式系绕应用软件提供了底星支持和离效率开发 平台。e o s 是一种功能强大、应用广泛的实时多任务系统软件。它一般都具有 操l 乍系统蜃其有鲍冬秘系统资源管理功缝，弱户可噬 毳过应爝程廖接躁a p i 调 用函数形式来实现各种资源管理。用户程序可以在e o s 的基础匕开发并运行。 宅与遴矮系统撬中瓣然穗跑，主要有系统内骏短枣赣得、开镯小、实辩注强釉 浙江大学硕十学位论文 可靠性高等特点。完善的e o s 还提供各种设备的驱动程序。为了适应网络应用 和i n t e r n e t 应用。还可以提供t c p i p 协议支持。目前流行的e o s 有3 c o m 公司 的p a l mo s 、m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 和w i n d o w sn te m b e d d e d 4 0 、日本 东京大学的t r o n 和各种开放源代码的嵌入式l i f l u x 等。 二嵌入式系统设计方法变化的3 个层次 1 以p c bc a d 软件和i c e 为主要工具的设计方法。 这是过去直至现在我国单片机应用系统设计人员一直沿用的方法，其步骤 是先抽象后具体。 抽象设计主要是根据嵌入式应用系统要实现的功能要求，对系统功能细化， 分成若干功能模块，画出系统功能框图，再对功能模块进行硬件和软件功能实 现的分配。 具体设计包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要是根据性能参数要求对 各功能模块所需要使用的元器件进行选择和组合，其选择的基本原则就是市场 上可以购买到的性价比最高的通用元器件。必要时，须分别对各个没有把握的 部分进行搭试、功能检验和性能测试，从模块到系统找到相对优化的方案，画 出电路原理图。硬件设计的关键一步就是利用印制板( p c b ) 计算机辅助设计( c a d ) 软件对系统的元器件进行布局和布线，接着是印制板加工、装配和硬件调试。 工作量最大的部分是软件设计。软件设计贯穿整个系统的设计过程，主要 包括任务分析、资源分配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等。软件设 计的工作量主要集中在程序调试，所以软件调试工具就是关键。最常用和最有 效的工具是在线仿真器( i c e ) 。 2 以e d a 工具软件和e o s 为开发平台的设计方法。 随着微电子工艺技术的发展，各种通用的可编程半定制逻辑器件应运而生。 在硬件设计时，设计师可以利用这些半定制器件，逐步把原先要通过印制板线 路互连的若干标准逻辑器件自制成专用集成电路( a s i c ) 使用，这样，就把印制 板布局和布线的复杂性转换成半定制器件内配置的复杂性。然而，半定制器件 的设计并不需要设计人员有半导体工艺和片内集成电路布局和布线的知识和经 验。随着半定制器件的规模越来越太，可集成的器件越来越多，使印制板上互 连器件的线路、装配和调试费用越来越少，不仅大大减少了印制板的面积和接 浙江大学颁十学位论文 插件的数量，降低了系统综合成本，增加了可编程应掰的灵活性，更蘧要的怒 降低了系统功耗，提麓了系统工作速发，大大提高了系统的可靠性和安全性。 这样，硬件设计人员从过去选择和使用标准通用集成电路器件，邂步转向 垂己设诗和利传部分专鼹我集成电路器侍，瑟这些技术是圭各耱e d a 工县较 串 提供支持的。 半定割逶耩器 孛经历了可缓程遥鞲阵歹lp l a 、霹编程阵歹l 逻辑p a l 、逶嗣簿 列逻辑g a l 、复杂可编程逻辑器件c p l d 和现场可编程门阵列f p g a 的发展过程。 其趋势是集成发和速发不断提高，功髓不断增强，结构趋于凳合理，使用变褥 更灵涵和方便。 设计人员可以利用各种e d a 工具和标准的c p l d 和f p g a 等，设计和自制用 户专用的大援模集成魄路。然爱再逯避叁下磁上的设诗方法，把用半迩制器件 设计自制的集成电路、可编程外围器件、所选掸的a s i c 与嵌入式微处理器或微 控铡嚣在印制援上毒鬣、毒线筏成系统。 3 以i p 内核库为设计基础，用软硬件协同设计技术的设计方法。 2 0 毽纪年代籍，迸一步开始了扶“鬃成窀路”级设计不断转淘“集成 系统”级设计。目前已进入单片系统s o c ( s y s t e mo i l ac h i p ) 设计阶段，并 开始邈入实用阶段。邋种设计方法不怒把系统所需要用至0 的所有集成电路简单 地二次集成到1 个芯片上，如累这样实现单片系统，楚不可达到单片系统掰 要求的高密度、高速发、高性能、小体积、低电压、低功耗等指标的，特别是 低功秘要求。攀片系绞设诗要麸整个系统牲筑要求出发，恕微处理嚣、模型舅 法、芯片结构、外围器件各层次电路盥至器件的设计紧密结合起来，并通过建 立在全耨理念上静系统软斧帮硬俘瓣秘同设计，在单个芯冀上完成整个系统的 功能。有时也可能把系统做截几个芯片上。因为，实际上并不是所有的系统都 能在一个芯片上实现的；还可能因为实现某种单片系统酶工芑成本太高，以至 于失去商业价傻。髫盼，进入实用的攀靖系统还属筒零的单片系统，如智能l e 卡等。但几个著名的半导体厂商难在紧锣密鼓地研制和开发像单片p c 这样的复 杂荸片系统。 单片系统的设计如果从零开始，避既不现实也无必要。因为除了设计不成 熬、来经遭瓣翔考验，其系统挂戆帮矮量得不到铩涯豁，还会因为设计蠲絮太 9 浙江大学硕士学位论文 长而失去商韭价值。 为了加快单片系统设计周期和提蕊系统的可靠性，目前最有效的一个途径 就是通过授权，使用成熟优化的i p 内核模块来进行设计集成和二次开发，利用 胶糙逻辑技术g l t ( g i u el o g i ct e c h n o l o g y ) ，把这些i p 内孩模块嵌入到s o c 中。i p 内核模块是单片系统设计的基础，究竟购买哪一级i p 内核模块，要根 据瑷蠢基毯、瓣麓、疑金弱冀德条 串蔽餐确定。魏买矮i p 肉菝模块鼹险最小， 但付出最大，这是必然的。但总的来说，通过购买i p 内核模块不仅可以降低开 发风陵，还麓节省开发费用，溺为一簸璃买i p 内菝模块静费鬣要低于稳己单独 设计和验证的赞用。当然，并不是所需臻的i p 内核模块都可以从市场上买得到。 为了垄断市场，有些公司开发出来的关键i p 内核模块( 至少暂时) 怒不愿意 授权转让使用螅。像这样的i p 内核模块就不褥不自己组织力爨来开发。 三嵌入式系统设计方法的应用范围 这3 令瑟次善有冬戆应建莲錾。铁应瑁开发惫度餐，在稳姿长静一菠露瓣 内，都是采用前2 种方法。第3 层次设计方法对般具体应用人员来说，只能 焉来设计简擎的荤片系统。蔼复杂浆擎片系统羽是菜麓大静半导体厂商才麓设 计和实现的，并且用这种方法实现的单片系统，只可能是那些广泛使用、具有 一定蕊模的应厢系统才值得投入研制。还有些应用系统，因为技术问题或商q k 价值问题并不适宜用单片实现。当它们以商晶形式推燃相应单片系统簸，应鲻 人员只要会选用即可。所以，3 个层次的设计方法会并存，并不会简单地用后 考取代蘧者。甥级应躅设计人员会以燕t 秘方法为主；富有缀验豹设诗久曼会 以第2 种方法为主；很专业的设计人员会用第3 种方法进行简单单片系统的设 诗霸应用。毽掰有匏设诗天受都霹| 三l 痰蠲半导俸大厂离雅凄戆霜第3 释方法设 计的专用单片系统。【2 j 园本系统采髑的设计方法 本系统硬件设计中，采用了x i l i n x 的一款高性能的c p l d 芯片x c 9 5 1 4 4 x l ， 运用磷件描述语言编稷，将部分数字电路集成副可编程a s i c 器件中，降低了系 统综合戏本，增加了霹编程应惩螅灵溪性，更重要熬楚降低了系统功凝，提离 了系统工作速度，大大提高了系统的可靠性和安全性。系统的软件开发以面向 过程为主，采躅c 语骞编程，莠= 曩。选羯了g c c f o r a r m 编译嚣。 浙江大学硕士学位论文 2 2 系统的需求分析 我们知道，便携式设备的最大特点就是携带方便，灵活测量，不太受地理 位置的限制。因此，体积小，携带方便，测量方法简单、耗能低是便携式设备 必须具备的优势。 传统的便携式数据采集分析仪大多采用单片机或r i s cc p u 作为其核心的处 理器，一般是8 位或1 6 位的，内存只有几k ，外部可存储器的容量也只有1 2 兆，再加上c p u 的主频不高，进行大量数据运算( 如f f t 等) ，需要很长的等待 时间，图像显示基本上依靠黑白液晶，颜色单调，单屏可以显示的信息量比较 少。随着信号处理技术和i c 技术的不断发展，早期的便携式数据采集分析仪已 经无法满足现在的需求，运算速度快、数据存储容量大、体积小、图像色彩丰 富、耗能低的便携式振动测量分析仪必须具备的条件。 随着i c 工艺不断发展，芯片体积越来越小，芯片的集成度也越来越高，并 且可以采用c p l d 或f p a g 芯片设计专用集成电路，这些技术的进步为减小设 备的体积提供了可能性。此外，需要复杂多样的分析软件，也导致了嵌入式系 统软件开发的巨大变革，从原先单纯依靠汇编语音开发程序到用c 语言来开发 软件，甚至移植小型嵌入式操作系统( 实时或非实时的) ，所以软件规模越来越 大。不过快速发展的存储器技术很好的解决了这个问题，闪存存储器已经成为 嵌入式系统程序存放的主要载体。多媒体技术的迅猛发展是人机交互需要的结 果。采用色彩丰富、声音提示、操作方便的硬件设备，更容易被客户所接受。 对新设备的需求，要求我们重新对现有的便携式振动测试分析仪技术进行 改进。当然，我们有必要重新对它做出新的需求分析。 一台新型便携式振动测试分析仪，体积大小和携带方便程度是第一个要考 虑的问题。当今手持设备要求我们的测振仪必须是掌上型设备，单手即可携带。 为了尽可能小，我们采用折叠式的外形，类似折叠手机。打开以后，上层是液 晶显示屏，下层的上部是按键，下部是硬件电路，全塑料封壳。 振动测量方式需要主要有两种：一种是通用的时频谱分析仪，可以随机动 态的设定测量参数，在任何设备上进行测量。另一种是巡检测量模式。巡检功 能是一个比较复杂的功能，也是现代便携式测振仪必须的功能。它不仅需要测 振仪的软件支持，更需要t 位机的软件支持。 浙江大学硕士学位论文 测振仪软件主要具有以下功能： ( 1 ) 信号采集。本产品主要用来测量旋转机械的振动信号，采用加速度传 感器、速度传感器或位移传感器，振动信号经过滤波电路和a d ，变成数字信 号。由内部定时器设定定时越冁，c p u 读取数据。测鬃频率、 5 l | | 量点数、测爨 种类都必须可调。 ( 2 ) 溅量数据类甏不毽毯藉援凌箔号( 热速度、速凄稻位移) ，还要包摇 手抄墩和观察髓。还可以测量温度。 ( 3 ) ，波形或频谱鞠显示。波形显示的是时域的振动信号後，不彼有时域波 形的图像，还街振动特征值的晟示。圈像是2 5 6 色的。具有图像放大，缩小， 时域展宽等功能。在频域显示部分，还必须有加窗选颈( 海明窗、汉宁窗、矩 形密) ，对数坐标系选择等。 ( 4 ) 巡检测量模式。当设备进入巡检模式后，提供便捷的操作流程，提高 测量熬方寝瞧。 ( 5 ) 通讯软件。与上位机通讯，下载巡捡路径表，上传测量数据。 ( 6 ) 在线诊断系绫。应鬻经验公式积模獭潮鄹瑾论，分褥导致菜个频段搬 动发生的原因，为发现故障提供参考。 ( 7 ) 数掘回放功能，将存储在本系统存储器中的测点数掘再显示，迸行数 据的蒜分根。 ( 8 ) 系统设定。可以动态的调整传感器灵敏度、校准参数、实时时钟、以 及默认瓣哭榉参数，也可鞋叁动棱零。 ( 9 ) 产品信息介缡和设备使用说明。 2 3 系统的总体缩构 零便携式派动测试分祈铰是设备巡裣管理系统的一部分，设备巡稔管理系 统是基于网络的分布式多计算机并行处理系统。整个系统可以分为三级：第一 级为现场的便携式振动数据采集分析仪；第二级为巡梭工作站和客户端数据查 询分糖软件；第三级为网络数据库服务器。下图2 一l 怒系统的网络结构图。 1 2 浙江大学獭士学位论文 霞2 1 系统戆魅终绩梅辫 本便携式振动测试分析仪是一个撼于a r m 7 t d m i 嵌入式黎统的仪器，由 a r m 7 t d 醯i 楚毽器为蠹棱的豢入式c p u 以及终灞嚣箨搀或豹硬静平台、数据采集 卡以及传感器和一线器件构成。系统的软件存储在数据采集卡的程序存储器中。 该莰嚣豫了瓣鬣对振动测点送行菝动数据采集、实霹显示耱颓谱分耩葫稚臻羚， 为了配合该系统的使用还需要具有以下功“f i g ：从点检工作站下溅巡检计划，按 照巡稔计翔中测点参数的设定采集和保存测量数据，将测量好的保存在仪器上 魏数撼遥过逶溅接口上传到煮羧工作站进两透过局壤然保存到鲻络数攒疼。一f 图2 - 2 是系统的总体编构图。 鏊2 - 2 系统懿总体结稳墨 浙江大学颁士学位论文 2 4 系统硬件的总体设计 我们采滔了一款a r m 7 t d m i 处理嚣为肉核静硬箨平台，邈款强本公司靛硬 件平台已经集成了许多硬件，包括3 2 位a r m 7 t d m i 内核( 1 6 7 8m h z ) 的c p u 、 3 2 kb y t e s 内部工作r a m 、2 5 6 kb y t e s ( 板上) 酌外部工作r _ a m 、9 6kb y t e s 的 显存v r a m 、l k b y t e s 调色投r a m 、2 9 i n c ht f tc o l o rl c d 显示羼、l o 个按 键、串行通讯团。硬件平台为低电压( 2 7 - 3 3 v ) 供电，有3 2 根外按总线，其 中包戆： ( 1 ) 总线2 4 位，数据总线1 6 位( 地址总线低1 6 位复用) ( 2 ) 。2 片选蔫号线c s l 秘c s 2 ( 3 ) 读r d 和写w r ( 4 ) 电疆输出线v c c ( 5 ) 晶振信号线p h i ( 6 ) 接蛾线g n d ( 7 ) 夕 部中断请薅乏线i r e 0 。1 3 】 顾向此平台的3 2 线外接口，我们设计并集成了数据采集电路、数据存储电 路、实跨嚣镑瞧终、逻辑控嗣奄路到一块扳上，帮数器采集卡。数据采集电籍 要具有对振动信号的聚集的功能，包括对加速度、速度和位移信号的采集。因 魏我们可以选择采用嬲速度传惑器蕊慧热速度信号，褥先螽经过两级积分器分 别得到速度和位移信号的方法。结合e d a 技术和i c 技术的发展，通过硬件描 述语言编程将部分数字电路集成到可编程器件中，实现对各个外围器件的地址 的译祸和锁存、对实时时钟芯片的操作、对a d 转换芯片鲍操l 乍、对线器件 的操作、对多路开关的控制等功能，遮样不但可以增加可编程应用的灵活性， 更霹潋降甄系绞功耗秘系统综会残本，提裹系统戆可嚣蛙窝安全性。数撵采集 卡大致框架如阉2 3 。 在硬锋设计中，对于模掇电路静仿真采蠲r m t t i s i m 仿真工其，对予硬 牛稀 述语言设计的程序与电路采用m o d e l s i m 的仿舆工具，编译与综合采用x i l i n x i s e 集成开发环境。 4 浙江人学硕士学位论文 麓蒸? - t 。髫 速度信 县 矿 s z 位移信 霎羹鎏孚l 八i 模数转 电爱蝥f 捌蒺篥蔷 路开关l ” 程序存储区1 数据存储区 ( f l o s h ) 【( f l a s h ) 避辑对穿控剿器帮 地址译自b 器 ( c p l d ) 鬯j 鬯 凿2 - 3 数据采集卡框鹜 2 。5 系统软件的总体设计 平 厶 n 接 口 ( 3 2 线) 嵌入式系统的软件开发的特点是：以面向过程为主，代码的利用率高，代 码的规模小，实时性强。过去的嵌入戏系统软件开发，大多从汇编开始，并以 汇编谗言开发为主。这样的开发只傲簿单的控制积算法，当应用需求复杂时， 开发周期将大大增加，不利于新产品的快速面市。随蓿嵌入式系统硬件的不断 发展，熟楚理器主频撬裹，存继器容爨扩大，硬l 孛露辍减小等特点，嵌入式系 统的软件开发也发生了一些变革。 鬻代嵌入式系统豹软 孛开发获一，j 、部分汇编癌动代鹈开鲶( 这郝分代码主 要用来负责初始化硬件) ，以后的应用程序绝大部分用c 语言来开发。c 语言做 为一种中级语言，其肖很好的灵活性，更赔近于程序开发员的慰维逻辑。因此 用c 语言开发程序，大大的缩短了软件开发周期，也增强了可维护性瓣可舞级 性。还有部分领域用b a s i c 、c + + 、j a 、，a 等高级的开发语言来开发程序，使得 嵌入式系绞鲍褒囱对象牲连越褒越突嫩。 编泽器是程序开发必不可少的重露工具之一。针对不同的硬件设备( 主要 据照壤器) ，鬈嗣不嗣突鍪豹编译器，霹以对撵序逶行伉铑处理，提离鞭序瓣效 率。当今，g n u 的编泽器越来越受到嵌入式系统开发工程师的欢迎。它可以在 w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 环境下使用，使用灵活，可设谶性强，而且大多是免费 的软件。 本系统的嵌入式软件开发，就是采用g n u 的开发工具( 包括编译、链接、 浙江大学烦士学位论文 生成各种格式o b j 代码等等) 。出于采弼了a r m 7 t d r n i 系翔的处理器内梭，因此 我们选用了g e e f o r - a r m 的编译器。既可以在w i n d o w s 下开发，又可以在l i n u x 下开发。 _ 在本系绞中，程廖体大致可以分戏嚣个部分。一个是耍淘操作受躲部分， 也就是人机交甄程序，另一个部分则是后台运行的程序，如数据采集，频谱计 算，邋矮控刳，数据保存等等。 人机交互，主要通过按键和显示屏幕来完成。按键，操作员可以把指令发 送给始理器，谊系统巍成菜些工作，或谴它显示某些信息。髯幕剐是系统把信 息反馈给用户的媒介。 软件基本源理：警系统稿动后，用户可以按键，选择各种不同的功能。在 不同的功能下，显示不同的画藤。在不同的谶蕊里，镑对不同的选项，棱键会 导致不同的操作。这些操作既包括后台操作，又包括两面切换操作( 当然功能 也裁熬之瑟变恁) 。软转疆絮磐图2 - 4 ： 应用简单的框架络构，可以有效地提高程序的执行效率。而且对于减小代 鹞戆嫒模遣翼肖显著豹效采。 图2 4 软件糕架图 浙江大学预十学位论史 第三章系统硬件设计 3 1 数据采集系统框架 本系弼骜拐级产赫，主要溺来测量并分辑旋转辊械酌振动穰号，并增加了手 抄量、观察量、测量濑度的功能。根据现场的不同需要，可以支持多种类型的 传感器。本系统自身配备的是加速度传感器，传感器的灵敏度大致为1 0 0 m y m s 。加速度的振动经号经过传感器和电荷放大器后变戏了电压信号，加速度 的电压信号先经过高通和低通滤波器组后再经过两级积分电路，变成速度的电 压绩警秘位移瓣毫压铸号。耄予在经遐积分邀薅懿对姣，会产生缦大黢衰减， 因此还需要对信号进行放大处理。 豢有了三耱信号籍，哥激通过