（仪器科学与技术专业论文）基于arm7的机械故障诊断仪.pdf

摘要 针对当前国内状态监测与故障诊断领域对高精度 高速率要求的信号分析仪器 的需求 本文设计研发出基于a r m 7 采用a t 姬l 公司的a t 9 1 s u m 7 s 2 5 6 芯片 的机械 故障诊断仪 按照功能划分 机械故障诊断仪分为数据采集器 动平衡仪 动态分析仪三个组 成部分 其中动平衡仪主要应用影响系数法 又叫测相平衡法 对机械转子由于不平 衡造成的故障进行分析和校正 数据采集器和动态分析仪主要将光电传感器采集的模 拟信号转换成数字信号 再对数字信号进行傅立叶变换 f f t 通过频谱分析来进行 故障诊断和分析 同时该机械故障诊断仪采用u s b 通信将数据传到p c 机 机械故障诊断仪的技术指标为 振动测量和频谱分析频率响应在l o h z i o k h z 动 平衡转速范围在1 8 0 2 4 0 0 0 转 分 自动量程和手动量程可选 频谱分析频程按1 2 5 分档共8 档 振动测量和频谱分析的最大量程和最高分辨率分别为 加速度峰值 2 5 0 m s 2 和0 i m s 2 速度有效值2 0 0 m s 和0 1 啪 s 位移峰峰值5 0 0 0 u r n 和l u m 包 络有效值2 5 m s 2 和0 1 m s 2 电压有效值1 0v 和0 1m v 振动测量精度5 可接多 种类型传感器 速度 电涡流 压电加速度等 8 阶椭圆抗混滤波 转速跟踪带通滤波 可充电池供电 连续工作1 0 小时以上 体积小 2 1 0 1 3 0 4 0 m m 重量轻 1 2 0 0 9 关键词 影响系数法故障诊断u s b 通信 t h ee q u i p m e n tb a s e d0 1 1a r m 7 a t 9 1 s u m 7 s 2 5 6c h i pm a d ei na t m e l l 啊t l i c h c a nb eu s e di nd i a g n o s t i c a t i n gm e c h a n i c a lf a i l u r ei sd e v e l o p e dt om e e tt h er e q u i r e m e n to f h i g l lp r e c i s i o na n dh i g hs p e e ds i g n a la n a l y s i se q u i p m e n t i nt h ef i e l do fs t a t ew a t c h i n g a n df a i l u r ed i a g n o s t i c a t i n g a c c o r d i n gt of l i n c t i o n t h ee q u i r m e r i tu s e di nd i a g n o s t i c a t i n gm e c h a n i c a lf a i l u r e c a nb em a d eu po fd a t ac o l l e c t o r d y n a m i cb a l a n c ei n s t r u m e n ta n dd y n a m i ca n a l y s i s i n s t m m e n t a ss o o na sd y n a m i cb a l a n c ei n s t r u m e n ti sc o n c e r n e d i n f l u e n c ec o c 历c i e n t m e t h o di su s e dt oa n a l y z e da n dp r o o f r e a dt h e m e c h a n i c a lf a i l u r cw h i c hi sc a u s e do fi m b a l a n c e a ss o o na sd a t ac o l l e c t o ra n dd y n a m i c a n a l y s i si n s t r u m e n ti sc o n c e m e d w em a i n l yt r a n s l a t et h ea n a l o gs i g n a l sd e t e c t e df r o m p h o t o e l e c t r i cs e n o ii n t od i g i t a ls i g n a l s t h e nm a k ef f tt o w a x dt h ed i g i t a ls i g n a l st og c t f i r e q u e n c yc h a r tt oa n a l y z e da n dp r o o f r e a dt h em e c h a n i c a lf a i l u r e a tt h es a m et i m e t h ed a t a i nt h ee q u i p m e n tu s e di nd i a g n o s t i c a t i n gm e c h a n i c a lf a i l u r ec a nb et r a n s m i tt ot h ep c a d o p t i n gt h eu s bc o m m u n i c a t i o n m e a s u r e m e n ta c c u r a c y f r e q u e n c yr e s p o n s ea c c l l r a c vj nv i b e r a t i o nm e a s u r ca n d f r e q u e n c yc h a r ta n a l y s ei s1 0 h z 1 0 k h z r o t a t i o ns p e e dr a n g e sf r o m1 8 0r m i n u t et o2 4 0 0 0 r m i n u t e a u t o r a n g ea n dm a n u a l r a n g es e l e c t a b l e f r e q u e n c yi nt h e f r e q u e n c yc h a r t a n a l y s ei sd i v i d e di n t o8g r a d e s t h em e a s u r er a n g ea n dt h er e s o i v i n gp o w e r a c c 2 5 0 m s 2 0 1 m s 2 v e l2 0 0 m m s 0 1 m m s d i s p5 0 0 0 l i m l u m h f a2 5 m s 2 0 1 m s 2 v o l1 0v 0 1m v v i b e r a t i o nm e a s u r ep r e c i s i o ni s5 k e yw o r d s i n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o d f a i l u r e d i a g n o s t i c a t i n g u s b c o m b n i c a t i o n 长舂理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的硕士学位论文 基于a r m 7 的机械故障诊断仪 是本人在指导教师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明 引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名 三巨遂强 2 必 兰月 堑目 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 长春理工大学硕士 博士学位论文版 权使用规定 同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文 作者繇栅上瞬土月监日 指导导师签名 1 1 引言 第一章绪论 设备故障诊断的任务 5 l 是监视设备的状态 判断其是否正常 预测和诊断设备的 故障并消除故障 指导设备的管理和维修 状态监测的任务是了解和掌握设备的运行状态 包括采用各种检测 测量 监视 分析和判别方法 结合系统的历史和现状 考虑环境因素 对设备运行状态进行评估 判断其处于正常或非正常状态 并对状态进行显示和记录 对异常状态做出报警 以 便运行人员及时加以处理 并为设备的故障分析 性能评估 合理使用和安全工作提 供信息和准备基础数据 故障诊断的任务是根据状态监测所获得的信息 结合已知的结构特性和参数以及 环境条件 结合该设备的运行历史 包括运行记录和曾发生过的故障及维修记录等 对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报和分析 判断 确定故障的性质 类 别 程度 原因 部位等 指出故障发生和发展的趋势及后果 提出控制故障继续发 展和消除故障的调整 维修 治理的对策措施 并加以实施 最终使设备复原到正常 状态 1 2 状态监测与故障诊断的意义和目的 机械故障诊断是本世纪六七十年代产生并发展起来的 i 综合性边缘学科 随着 现代设备的日趋大型化 复杂化 自动化和连续化 设备一旦发生故障 给生产和质 量以至人们的生命财产安全造成的影响往往大的难以估计 国内外曾经发生的各种空 难 爆炸 断裂 倒塌等恶性事故 造成了人员的伤亡 产生了严重的社会影响 即 使是经济生产中的事故 也因生产过程不能正常运行或机器损坏而造成巨大的经济损 失 为使这一占有重要地位的设备维修工作更加高效而科学 就必须对维修对象 设备的劣化 故障状态 故障部位及其原因有正确的了解 另一方面 信息传感技术 信号处理技术以及现代测试技术等有关学科的发展 特别是电子计算机技术的飞速发 展 为设备故障诊断提供了极大的技术支持 促进了机械故障诊断技术迅速发展 现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面 一是设备设计与制造的各项技 术指标的实现 另一方面就是设备安装 运行 管理 维修和诊断措施的实施 事实 上 如果加强状态监测与故障诊断工作 许多事故可以防患于未然 从而减少故障停 机率 延长设备检修周期 大幅降低维修费用 缩短维修时间 极大地提高经济效盏 据统计 在采用诊断技术改善设备维修方式的方法后 事故率可减少7 5 维修费用 可降低2 5 5 0 我国仅1 9 8 7 年一年通过故障诊断技术应用所取得的经济效益就达到 了数百亿元 因此 设备故障诊断技术在保证设备的安全可靠运行 以及获取巨大的 经济效益和社会效益上 其意义是十分明显的 故障诊断的目的是 1 能及时地 正确地对各种异常状态或故障状态做出诊断 预防或消除故障 对 设备的运行进行必要的指导 提高设备运行的可靠性 安全性和有效性 以期 把故障损失降到最低水平 2 保证设备发挥最大的设计能力 制定合理的检测维修制度 以便在允许的条件 下充分挖掘设备潜力 延长服役期限和使用寿命 降低设备全寿命周期费用 3 通过检测监视 故障分析 性能评估等 为设备结构修改 优化设计 合理制 造及生产过程提供数据和信息 1 3 状态监测与故障诊断的发展现状 测量信号和动态数据的处理与分析 是设备故障诊断的前提和基础 它们代表了 系统的状态和特征 与其他方法相比 振动诊断技术由于具有理论基础雄厚 分析测 试设备完善 诊断结果准确可靠 便于实时诊断等诸多优点而在机械故障诊断的整个 技术体系中居于主导地位 机械设备和结构系统在运行过程中的振动及其特征信息是 反映系统状态及其变化规律的主要信号 通过各种动态测试仪器拾取 记录和分析动 态信号 是进行系统状态监铡和故障诊断的主要途径 机械设备故障诊断仪器和系统的开发是为该项技术 设备故障诊断技术 的发展 服务 注重于信号的采集和处理方法的研究 并逐步开始以微机为架构 开发出不同 类型的以频谱分析为主的振动信号分析系统 随着机械行业对信号处理技术的认识和 掌握 以及微型计算机 单片机 单板机的普及 开始出现以微机 单板机 单片机 为核心结构的用于现场测试使用的监测和分析系统 机械设备故障诊断仪就是面向现场的手持式振动采集分析仪器 随着设备高度密 集型产业的规模不断扩大 以及自动化 智能化仪器的广泛推广 机械设备故障诊断 仪在设备检测 故障诊断中应用越来越广泛 性能也不断提高 其在工业生产中发挥 的作用也越来越得到企业的承认 最初的机械设备故障诊断仪由国外厂商推出 采用8 位单片机为核心 随着微电 子技术的不断发展 新的单片机不断问世 十六位 三十二位单片机的也为数据采 集器生产厂家所采用 近日 采用具有d s p 功能的数据采集器也已投入市场 伴随 着高性能单片机的采用和用户技术要求的不断提高 机械设备故障诊断仪的功能也 越来越完善 机械设备故障诊断仪功能的发展主要体现在以下几个方面 首先 采 样通道由单通道发展到双通道 多通道 采样频率 分辨率 精度逐步提高 为分 析功能的加强提供了前提条件 第二 分析功能也由简单的测振发展到较完善的 信号分析系统 时域分析 频域分析 矢量分析 传函分析 相关等分析手段为故 障诊断提供了丰富的数据 三维谱 起停车分析曲线等直接面对旋转机械故障诊断 的分析功能的引入更使机械设备故障诊断仪进入一个新领域 第三 频率分辨率越 来越高 细化功能越来越强 信号分析的结果越来越精确 从而更准确地判断出故 2 障的原因 第四 显示能力的进一步加强 机械设备故障诊断仪通常采用液晶显示 液晶显示器也由单一的数字显示过渡到图形显示 液晶显示器的点阵数也不断提 高 显示越来越清晰美观 可以说 机械设备故障诊断仪的发展已进入了一个新阶 段 目前 市场上国外的机械设备故障诊断仪产品有美国e n t e k 公司的d 1 2 2 0 0 d p l 5 0 0 等 丹麦b k 公司的系列产品 国外产品进入我国市场较早 但就当前市 场而言 没有占据市场的主要份额 主要原因是高昂的价格和非汉化的操作界面使 其推广受到限制 九十年代以后国内开始自行开发研制机械设备故障诊断仪 并迅速发展 水平不 断提高 有的产品已形成系列 并以价格优势占据市场主导 目前 国内生产机械设 备故障诊断仪的厂家很多 多以高校或科研院所为主 或以之为依托 大部分未形成 规模 如 西北工业大学 西安热工所 大连理工大学 航空总公司六三三所等 都 有机械设备故障诊断仪的开发及销售 由于国内的机械设备故障诊断仪生产多采用i n t e l5 t 系列或i n t e l9 6 系列 c p u 是国内数据采集器在许多方面有难以克服的缺点 与国外同类产品相比 国 内数据采集器性能指标有较大的差距 这主要表现在以下几个方面 1 运算能力差 速度慢 精度低 尤其是浮点运算能力限制了技术指标的进一 步提高 2 存储容量小 受c p u 本身特性的限制 对存储容量的增加缺乏有效的手段 存储容量对数据采集器的功能影响很大 数据存储空间的限制使械设备故障诊断仪 所能记录的点数 参数个数减少 每次采集的点数也受到限制 从而影响分辨率和 精度 而很小的程序空间 限制了械设备故障诊断仪分析功能的扩展 影响了械设 备故障诊断仪在故障诊断中作用的发挥 3 分辨率低 细化功能差 这主要受采样频率 分析点数等的限制 同时影响 了械设备故障诊断仪的分析精度 4 显示功能弱 使用不方便 目前国内较好的械设备故障诊断仪显示系统多采 用了点阵的图形液晶 但点阵较低 图形粗糙 许多械设备故障诊断仪只采用数字 或字符显示 无法满足频谱分析的要求 基于以上原因 各科研单位及械设备故障诊断仅生产厂家正积极开发新一代的械 设备故障诊断仪 如采用高性能的嵌入式芯片 或带有数字信号处理功能的芯片等 1 4 本论文研究目的和任务 国内信号分析仪的发展现状使得加快基于a r m 7 的信号分析仪器的理论研究 设计开发满足高精度 高速率要求的信号分析仪器 就成为当前国内状态监测与故 障诊断领域的一个重要课题 研究与实践证明 基于a r m 7 的信号分析仪器在技 术上是可行的 具有极其光明的前景 北京市盛迪振通科技有限公司是一家集研发 生产 销售和维护为一体的便携 3 式振动数据采集分析设备制造商 从8 0 年代末自主研制开发国产自有品牌的高精 度 便携式微型振动数据采集分析设备 凭借卓越的产品质量 低廉的销售价格和 完善的售后服务 奠定了自己在市场中不可动摇的地位 在国内广大企事业单位中 享有极高的声誉 该公司从9 0 年代后期开始着眼于基于a r m 的信号分析仪器的 开发 但一直由于硬件电路工作不够稳定 功耗较大等问题 没能够形成最后产品 本次论文的目的就是与振通公司合作 吸取前面设计的不足之处 针对客户反映的 问题及建议 对硬件重新设计 设计目标有以下几点 1 c p u 的选择要具有体积小 速度快 低功耗的特点 大寻址空间 应有1 m 以 上的直接寻址能力 合适的i 0 口空间及通讯能力 同时要考虑到与公司已 开发软件的兼容性及今后发展的要求 2 外围器件的选型在工作稳定 低功耗的前提下 尽可能选择大容量 高精度 高速率的器件 基于以上的要求 本论文任务包含以下内容 按照要求完成包括c p u 在内的 所有器件的选型 硬件电路原理图及p c b 板图的绘制 最小系统及硬件电路的调 试 系统程序及底层驱动编写 调试 信号处理算法的确定和程序的编写等 4 第二章系统总体设计方案 2 1 动平衡部分基本原理 一 关于不平衡的基础知识 机械故障诊断仪中的动平衡部分主要应用影响系数法对故障进行诊断和校正 转子不平衡分为静不平衡和力偶不平衡 如图2 1 所示 静不平衡力偶不平衡 o 图2 1 引起不平衡的原因很多 主要包括转予结构不对称 材质不均匀 制造误差 安装误差 运行中零部件的变形 移位 结垢 破损 不平衡的危害有几方面 转 子振动和应力大 运行不安全 恶化环境 浪费能源 产品数量和质量下降等 不平衡故障的特征包括振动频率主要是转速频率 转子每转一圈振动一次一 单峰频谱 波形近似为正弦波 水平和垂直方向的相位相差9 0 振幅随转速提高 而增加 判断出机械振动故障是因为不平衡引起的之后 就可以影响系数法 又叫测相 平衡法 进行分析校正 二 影响系数法原理 1 单平面校正 对薄状另件 在平衡面上配置重块来消除轴承的振动 设转子的不平衡矢量为u o 由此不平衡产生轴承上的振动矢量为a 0 初始测量得到振动矢量a o h o a o u o 2 1 1 a 0 为影响系数 表示为不平衡矢量对轴承振动的影响 当试验结构条件 转速一定时a o 为不变的矢量 在校正平面上已知位置加一己知试 5 f b lo 将k 重u 1 时 轴承振动矢量为 试测一得到振动矢量a 1 h l a o u o u 1 2 2 2 由上面的两个式子可得 a l h o a o u o a o u o u 1 2 3 即 a o a 1 u l 3 由上式可得 u o h o a o 2 4 平衡量u m o 的大小与不平衡量u o 的大小相等 方向相反 2 双面校正 设转子的左 右平面上不平衡量为u 0 1 和u 0 2 左 右支承上的振动矢量分别为 a 0 和b 0 初始测量 可得到左 右支承上的振动矢量分别为a 0 和b 0 a o a l 州o l a 2 母u 0 2 b o b l u o l b 2 州0 2 2 5 2 6 2 试测一得到振动矢量h 0 1 和b 0 1 若在校正平面i 的已知角位置加上u 1 则两 支承的振动为 h o l a l u o i u 1 a 2 u 0 2 2 7 b o l b l u 0 1 u 1 b 2 u 0 2 2 8 3 试测二得到振动矢量h 0 2 和b 0 2 若在校正平面i i 的已知角位置加上u 2 去掉u 1 则两支承的振动为 h 0 2 a l 掌u o l a 2 u 0 2 u 2 2 9 b 0 2 b l 札 0 1 b 2 聿 u 0 2 u 2 2 1 0 从上面的式子里可以计算出影响系数a 1 a 2 b 1 b 2 以及u 0 1 和u 0 2 5 平衡量u m a o u m b o 的大小分别与不平衡量u o u 0 2 的大小相等 方向相反 单面平衡的作图解法如图2 2 图2 2 6 飞 作a 0 和a 1 求其差为a 卜a 0 矢量a i a o 和a 0 之间的夹角为咖 把试重q 按巾的方向转动一巾角 此即为校正重的正确方位 校正重p 的大小为 q 南 2 1 1 三 单面动平衡的工作流程 单面平衡采用了影响系数法 又叫转子的单面测相平衡法 顾名思义 在测量转 子基频振动的幅值时 还需要对基频振动的相位进行测量 对转子进行单面动平衡的 工作流程如图2 3 具体步骤为 图2 3 7 首先测取转子在工作转速下的初始基频振动矢量a 0 选择合适的试重m 加到转子上 测量加试重后转子在相同转速下的振动矢量a l 转子上应加平衡重量 矢量形式 按下式计算 q 嘲 a o a i a o 2 1 2 由于转子不平衡离心力与转速有关 动平衡过程中 所有的振动测量都应保证在同一 转速下进行 双面动平衡的工作流程 几乎所有的单跨转子的平衡都可用双面动平衡法实现 单面平衡也是双面平衡的 一个特例 进行转子的双面动平衡时 需要两个加试重平面以及两个测试点 双面动 平衡采用的仍然是影响系数法 与单面动平衡不同的是 在其中的一个面上加试重时 需要同时对两个测点的振动进行测量 即要考虑交叉效应 这样 双面动平衡法将有 四个影响系数 如图2 4 具体步骤为 测量两个测点的初始振动 第一面加试重 测量两个测点的振动 第二面加试重 测量两个测点的振动 计算出影响系数 给出平衡配重结果 如果已知道影响系数 则可越过步骤2 和3 直接输入影响系数 得到平衡配重结果 2 2 数据采集器和动态分析部分基本原理 数据采集器和动态分析部分主要以对传感器采集的电压信号经过信号处理以后进 行a d 转换 对转换完得到的数组进行f f t 做出信号的频谱 从而分析诊断机械故障 其中传感器可以选择电荷传感器和电压传感器两种测量方式 电荷传感器采集的信 号经过电荷放大器 积分电路得到了加速度 速度 位移 电压传感器采集电压信号 用以下测量参数与振动故障指标建立联系 d i s 位移峰峰值 即振动正 负两个方向间的最大振动距离 常用于 机器零部间的间隙要求比较严格的场合 如在滑动轴承中运行的叶片转 子 峰峰值常用 作下标表示 如位移峰峰值常表示为d 或s 忡 v e l 速度有效值 又称振动烈度 是评价机器振动强烈程度的常用参数 它定义为 振动速度的均方根值 直接反映振动的能量 有效值一般用 作下标表示 速度 有效值常表示为v a c e 加速度峰值 峰值定义为振动偏离零位的最大幅度 一般以下标 表示 如加速度峰值常表示为a 9 0 4 9 0 7 采用的是等效峰值 或计算 峰值 它是由有效值乘以1 4 1 4 或平均值乘1 5 7 所得 h f a 高频加速度包络有效值 即滤掉了和转轴有关的各种低频分量后 8 的高频加速度信号的包络信号的有效值 它主要反映了由于滚动轴承内 外环或滚动元件表面点蚀 剥落 裂纹等损伤所产生的冲击大小 v o l 电压 用于配接输出电压信号的其它传感器 如磁电式速度传感 器 电涡流位移传感器等 图2 4 9 对于上述各种测量方式和测量参数 必须根据所要监测的设备的特 点 各种参数的频率范围 对不同异常的敏感度来选择 下面的图表可供 参考 选择的首要原则是能够提供最大信息量 其次是实施方便 l 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 h z 戥市 参 位移 涑摩 数加谏席 不平衡 压力脉冲 齿轮 气穴 主要异常不对中滚动轴承冲击 滑动轴承叶轮通过时引起的振动迷宫式密封接触 图2 5 2 3 总体方案设计 根据市场的要求 确定系统要求为 1 数据采集器是采用电池供电的手持型仪器 在满足需要的前提下 要尽量选择 功耗低 体积小的元件 2 电路设计力求简洁 可靠 尽量采用集成度高的芯片 3 要求处理器的信号处理能力强 可扩展的寻址空问大 有良好的外围接口 便 于今后的进一步开发 4 有友好的人机界面 便于操作 5 适当的元器件价格 尽量降低开发和生产成本 c p u 是数据采集器的系统核心 它的选择将决定仪器的总体结构 开发系统 功能是否强大 工作是否可靠 是否便于开发 以及价格是否适当等多方面因素都 得综合考虑 经过多方面的调研与咨询 对目前市场上满足要求的处理器作如下比 较 5 1 系列单片机是8 位单片机 也是现在市场上最为流行的单片机之一 它具 有品种全 兼容性强 软硬件资料丰富等特点 且随着各大厂商纷纷推出了功能强 大的产品 使5 1 系列单片机的处理速度和集成度有了较大的提高 以现在市场上 大受欢迎的美国c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 为例 它的主频为2 5 m h z 片上集 成了6 4 k 字节的f l a s h 4 k 字节的高速r a m 个8 通道1 2 位的a d c 温度 传感器等 兼容诸如1 2 c s p i 等总线结构 其他公司还推出了一些集成c a n 总 线控制器或u s b 接口的5 1 系列单片机 这些功能的增加使得5 1 系列单片机在工 业控制领域具有较强的竞争力 但由于处理速度相对较慢且可扩展的空间较小 对 l o 于大量数据的处理就显得力不从心了 而诸如i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 系列的1 6 位 单片机也只是在处理速度上比5 l 系列有了一些提高 也并不能满足大量信号处理 工作的要求 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器 最适合用于对价位和功耗要求 较高的消费类应用 a r m 7 微处理器系列具有如下特点 具有嵌入式i c e r t 逻辑 调试开发方便 极低的功耗 适合对功耗要求较高的应用 如便携式产品 能够提供0 9 h i p s 吼z 的三级流水线结构 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集 对操作系统的支持广泛 包括w i n d o w sc e l i n u x p a l mo s 等 指令系统与a r m 9 系列 a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容 便于用户的产品升级换代 主频最高可达1 3 0 h i p s 高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用 本文选择的a t g l s u m 7 s 2 5 6 是a t m e l 公司3 2 位a r mr i s c 处理器小引脚数f l a s h 微处理器家族的一员 它拥有2 5 6 k 字节的高速f l a s h 和1 6 k 字节的s r a m 车富的 外设资源 包括一个u s h 2 0 设备 使外部器件数目减至最低的完整系统功能集 这个芯片具有体积小 功耗低 价格合理 存储容量大 速度快等特点 因此是性 价比较高的理想选择 根据系统要求 市场调研情况以及相关器件的发展水平 确定了系统的硬件结 构各组成部分如下 c p u 采用a t 9 1 s u m 7 s 2 5 6 5 5 m h z 的时钟频率 程序存储器采用a t 9 1 s u m t s 2 5 6 片内2 5 6 k 字节高速f l a s h 数据存储器采用a t 9 1 s u m 7 s 2 5 6 片内1 6 k 字节的高速s r a m 和一片n a n d f l a s h a t 4 5 d b 6 4 2 其容量为8 1 9 2 页 1 0 5 6 字节 页 利用a t 9 1 s u m t s 2 5 6 片内u s b 器件端口u d p 通过u s b 口与上位机通讯 采用t 6 9 6 3 c 型号2 4 0 1 2 8 点阵的液晶显示分析结果 采用非编码的薄膜键盘进行功能选择 第三章硬件系统的设计 硬件系统的设计包括三部分 第一部分为电源供电系统 它包含了电池 电源 开关和必要的d c d c 变换器 以便为系统的各个部分提供所需的动力 第二部分 为模拟电路部分 包括a d 的前置电路即模拟信号的采集 选通 放大 滤波 第三部分为数字电路部分 包括a r m 微控制器 逻辑控制芯片 数据存储器 键 盘 液晶显示电路和通讯接口等功能模块 下面分别加以介绍 3 1 电源系统的设计 作为一个系统的原动力 电源常常被认为是整个系统的心脏 电源配置时应充 分考虑到干扰的隔离与抑制 另外对于不同的信号调节电路中的芯片 如运算放大 器其电源有特殊要求 随着变换电路选用一些特殊芯片时 也要求有特殊的供电 因此 应根据电路配置状况很好地解决电源供给问题 d c d c 变换器是信号拾取通道中的理想化固体电源 它们可以为信号拾取通 道的各种模拟电路提供隔离电源 并可以将电路浮置起来而与其它地线无关 d c d c 变换器的输入回路与输出回路是隔离的 这样通过选用d c d c 变换器就切 断了系统主电源与信号拾取通道电源间的干扰渠道 有效地实现了电源隔离 对于 用电池供电的系统来说 最大的问题是随着电池的使用 其储存的能量逐渐消耗 将产生电压不稳的问题 不但会引起系统工作不正常 严重时甚至可能导致元器件 的损坏 在电池供电系统中选择开关型d c d c 转换器可以获得较高的效率和较低 的热耗 从而可有效延长电池的使用寿命 同时通过在输出级添加适当的滤波电路 还能够将输出电压纹波降至较小的范围 常见的d c d c 转换器有三种 即脉冲频率调制 p f m 限流型脉冲频率调 制和脉冲宽度调制 p w m 它们三者的主要区别在于电感的选择 输出纹波的大 小以及输出噪声的宽窄 脉冲频率调制电路中电感的选择比较困难 其输出纹波和 输出噪声在不同负载时有较大的变化 限流型脉冲频率调制电路中电感的峰值电流 固定 而且输出纹波峰值电流固定 比标准的p f m 低得多 但是其输出的噪声随 负载变化而变化 脉冲宽度调制的电路只需简单的低通滤波器就能大大降低输出电 压的纹波 而且开关频率固定 噪声带宽很窄 通过比较可以看出 针对不同性能 要求的系统选用不同的稳定可靠的稳压器件来提供稳定的电压源是非常重要的 本文研究的机械故障诊断仪属于手持式便携设备 一般采用电池供电 电压在 6 5 v 左右 将6 5 v 通过电平转换芯片转换成5 v 给逻辑控制芯片 数据存储器 键盘 液晶供电 5 v 转换成3 3 v 给a r m 7 芯片a t 9 1 s u m 7 s 2 5 6 的f l a s h i 0 a d 电压调节器的供电 而电压调节器的输出为1 6 5 v 左右 为a t 9 1 s u 1 7 s 2 5 6 内核和p l l 供电 3 i 1 电源结构 整个系统的供电结构如图3 1 图3 1 3 1 2 开关机电路 考虑到电池没电或者其他原因突然关机时数据可能没有保存而造成损失 设计 了一种能够检测到关机的开关电路 根据用户的要求 要求开和关用一个键实现 并且能够实现软关机 针对这个要 求 本论文采用了图3 2 所示的方法 粹涮线 广一一一 一一一1 x 图3 2 图3 2 中 x 为按键 y 是由a r m 控制的开关 开状态 当x 按下 a r m 与5 v 电源接通 系统上电 系统一上电即执行控制程 序将y 闭合 实现开机 关状态 在系统上电运行时 d s p 扫描x 键的状态 当x 为低时 连续扫描x 当x 由低变高 即按键拾起时 由d s p 将y 断开 实现关机 若要实现软关机 在运 行过程中直接用命令将y 断开即可 3 2 模拟电路的设计 模拟电路部分主要完成模拟信号的采集 选通 放大 滤波 将传感器探测到的 信号变换成a t 9 l s u m 7 s 2 5 6 中a d 能够转换的信号范围内 为a d 采样打基础 3 2 1 传感器的选择 选用传感器时 要考虑灵敏度 使用频率范围 动态范围和质量大小等性能参 数是否符合测试的要求 通常在满足频率范围和质量要求的前提下 选用灵敏度高 的传感器 测量振动信号时 通常可以选用电涡流位移传感器或压电加速度传感器 嘲 电涡流传感器是利用电涡流感应原理来测量振动位移的电参数变化型非接触式 传感器 其最大优点就是线性度好 在其线性范围内 灵敏度不随初始安装间隙而 改变 同时它的使用频率范围宽 抗干扰能力强 不受介质影响 结构简单 这给 测量带来了极大的方便 因而得到了广泛的应用 尤其是在汽轮机 压缩机 离心 机等旋转机械的振动监测方面 压电式加速度计是利用某些具有压电效应的晶体作 为机电转化元件而构成的传感器 它属于高内阻弱信号传感器 引线 屏蔽等周围 环境影响大 比如电磁场 辐射等对其灵敏度会产生影响 体积小 重量轻 灵敏 度高 频率范围宽等特点使其广泛应用在振动测量领域 本系统根据需要选用了这 两种传感器 并且设计了相应的信号调理电路 增加了应用的范围 通常在进行动平衡过程中 需要进行相位和转速的测量 对于这类信号的获取 通常选用电涡流传感器和光电传感器 电涡流传感器测量相位时 需要在转子上设 置一个凸键或凹槽 每当转子转过标记时就产生一个脉冲 使用时 需对转子进行 加工 对转子本身的刚度 结构会产生一些影响 而光电传感器测量相位和转速时 只需在转子的涂黑表面上粘贴反光带 由光电传感器产生脉冲信号 使用简单 因 此系统选用光电传感器进行转速和相位的测量 3 2 2 振动信号的采集 数据采集是信号分析的基础 它所取得的信号能否正确反映被测对象的真实状 态 与采集电路的实时性与测量精度密切相关 对机械振动信号的采集 我们选用 压电式加速度传感器作为测振传感器 加速度电荷传感器采集过来的电荷信号经过 电荷放大器转换成电压信号 此即加速度电压信号 经过一次积分电路 得到速度电 压信号 再经过一次积分电路 得到位移电压信号 同时加速度电压信号经过高通滤 波得到高频的包络信号 电压传感器直接采集到所需的电压信号 此五路信号可以经 过数字选择开关进行选通 其中的数字选择开关采用m a x 5 1 5 8 采用单电源5 v 供电 其引脚图3 3 如下 1 4 图3 3 可以计算出v o u tt v r e fxn b 1 0 2 4 x2 其中n b 为程序中设置的数字量 数字 量n b 与模拟电压v o u t 的对应关系如下 d cc o n t e n t 舢l o g o u t p u i s 8 l s b 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 f 剖t z 1 00 0 0 0o 0 0 1 0 0 0 l 蔷l t z 1 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 3 k r 面5 1 2 卜z k 0 1 1 1 11 1 1 0 0 0 培 鬻扣 o o o o o oo 0 0 1 o o o i k 陆 0 0o o o f o o 0 0 0 o v m a x 5 1 5 8 与单片机连接图3 4 如下 图3 4 其中c s 为芯片选择信号 s c l k 为时钟 d i n 为程序中设置的串行输入的数据n b 3 2 3 振动信号的处理 经过采集并选通的信号要经过放大和滤波 放大采取两级发大器放大和一级程控 放大器 i a x 5 1 5 8 发大 滤波使用数字滤波器芯片l t c l 0 6 9 数字滤波器芯片l t c 0 6 9 是单一5 v 供电 1 0 0 k h z 以下的线性低通滤波器 其引脚 图3 5 如下 黼 v o u r v v t c l 舶9 7 h eh e v 喇 c l i 图3 5 其中v i n 为输入信号 r o u t 为输出信号 f c l k 为程序中设置的低通滤波值 3 3 数字电路的设计 3 3 1a t 9 1 s 堋7 s 2 5 6 介绍 本文采用的a t 9 1 s u m 7 s 2 5 6 具有很高的性价比 主要体现在以下几个方面 一 采用r i s c 体系结构 传统的c i c c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 复杂指令集计算机 结构有 其固有的缺点 即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集 为支持这些 新增的指令 计算机的体系结构会越来越复杂 然而 在c i s c 指令集的各种指令中 其使用频率却相差悬殊 大约有2 0 的指令会被反复使用 占整个程序代码的8 0 而余下的8 0 的指令却不经常使用 在程序设计中只占2 0 显然 这种结构是不太 合理的 基于以上的不合理性 1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了r i s c r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 精简指令集计算机 的概念 r i s c 并非只是简单地去减 少指令 而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上 r i s c 结构优先选取使用频最高的简单指令 避免复杂指令 将指令长度固定 指令格 式和寻地方式种类减少 以控制逻辑为主 不用或少用微码控制等措施来达到上述目 的 到目前为止 r i s c 体系结构也还没有严格的定义 一般认为 r i s c 体系结构应具 有如下特点 采用固定长度的指令格式 指令归整 简单 基本寻址方式有2 3 种 使用单周期指令 便于流水线操作执行 大量使用寄存器 数据处理指令只对寄存器 进行操作 只有加载 存储指令可以访问存储器 以提高指令的执行效率 除此以外 a r m 体系结构还采用了一些特别的技术 在保证高性能的前提下尽量缩 小芯片的面积 并降低功耗 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行 从而提高指令的执行效率 可用加载 存储指令批量传输数据 以提高数据的传输效率 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理 在循环处理中使用地址的自 动增减来提高运行效率 1 6 二 支持两种指令集 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集 a r m 指令集和t h u m b 指令集 其中a 瑚指令为3 2 位的长度 t h u m b 指令为1 6 位长度 t h u m b 指令集为a r m 指令集的 功能子集 但与等价的a r m 代码相比较 可节省3 0 4 0 以上的存储空间 同时具 备3 2 位代码的所有优点 三 具有容量大 速度高的f l a s h 和s r a i 具有6 4 k 字节的片内高速f l a s h 存储器 共5 1 2 页 每页1 2 8 字节 在最坏的条 件下可以3 0 姗z 的速度进行单时钟周期访问 预取缓冲器可以实现t h u m b 指令的优化 使处理器以最快的速度执行指令 页编程时间为4m s 包括页自动擦除 全片擦除时 间为1 0m s 1 0 0 0 0 次的写寿命 1 0 年数据保持能力 扇区锁定功能 f l a s h 安全 锁定位 适合量产的快速f l a s h 编程接口 1 6 k 字节的片内高速s r 心 可以在最高时 钟速度下进行单时钟周期访问操作 四 具有丰富的外设资源 1 i 存储器控制器 m c 一嵌入式f l a s h 控制器 异常中断 a b o r t 状态及未对齐 m i s a l i g n m e n t 检测 复位控制器 r s t c 一上电复位和经过工厂标定的掉电检测 一提供复位源信息以及给外部电路使用的复位信号 时钟发生器 c k g r 一低供耗r c 振荡器 3 到2 0 删z 的片上振荡器和一个p l l 电源管理控制器 n c 一可以通过软件进行电源优化 包括慢速时钟模式 低至5 0 0h z 和空闲 i d l e 模式 一三个可编程的外部时钟信号 先进的中断控制器 a i c 一可以单独屏蔽的 具有8 个优先级的向量式中断源 一两个外部中断源和一个快速中断源 可以防止虚假 s p u r i o u s 中断 调试单元 d b g u 一2 线u a r t 支持调试通讯通道中断 可通过程序来禁止通过i c e 进行访问 周期性间隔定时器 p i t 一2 0 位可编程的计数器 加上1 2 位的间隔计数器 时间窗看门狗 w d t 一1 2 位受预设值 k e y 保护的可编程计数器 一为系统提供复位或中断信号 一当处理器处于调试状态或空闲模式时可以停止计数器 实时定时器 r t t 1 7 一3 2 位自由运行的具有报警功能的计数器 一时钟来源于片内r c 振荡器 一个并行输入 输出控制器 p i o a 一3 2 个可编程的复用i o 每个i o 最多可以支持两个外设功能 一输入电平改变时 每个i o 都可以产生中断 一可以独立编程为开漏输出 使能上拉电阻以及同步输出 i 1 个外设数据控制器 p d c 通道 一个u s b2 0 全速 1 2 l b p s 设备端口 一片上收发器 3 2 8 字节可编程的f i f o 一个同步串行控制器 s s c 一每个接收器和发送器都具有独立的时钟和帧同步信号 一支持i s 支持时分多址 一支持3 2 位数据传输的高速连续数据流功能 两个通用的同步 异步收发器 u s a r t 一独立的波特率发生器 i r d a 红外调制 解调 一支持i s 0 7 8 1 6t o t 1 智能卡 硬件握手信号 支持r s 4 8 5 一u s a r t l 支持全功能的调制解调嚣信号 主 从串行外设接口 s p i 一8 n 1 6 位可编程的数据长度 4 个片选线 一个3 通道的1 6 位定时器 计数器 t c 一3 个外部时钟输入端 每个通道有两个多功能i o 弓i 脚 一倍速p w m 发生功能 捕捉 波形模式 递增 递减计数 一个4 通道的1 6 位p 嘲控制器 p w m c 一个两线接口 t w i 一只支持主机模式 支持所有的a t m e l 两线e e p r o m 一个8 通道的l o 位模数转换器 其中4 个通道与数字i o 复用 i e e e1 1 4 9 1j t a g 边界扫描支持所有的数字引脚 5 v 兼容的i o 包括4 个高达1 6m a 的大电流驱动i o 电源 一片上1 8 v 电压调节器 可以为内核及外部元件提供高达1 0 0m a 的电流 一为i o 口线提供电源的3 3 vv d d i o 以及独立的为f l a s h 供电的3 3 vv d d f l a s h 一内核电源为1 8 vv d d c o r e 并具有掉电检测 b o d 功能 全静态操作 极限条件下 1 6 5 v 8 5 4c 高达5 5 姗z 封装为6 4 脚的l q f p 五 功耗低 3 3 2 外部存储器系统设计