基于振动、温度和声信号的旋转机械综合监测系统.doc

基于振动、温度和声信号的旋转机械综合监测系统摘 要 旋转机械在工作过程中其物理参数如振动、温度和噪声等会发生变化，传统的监测方法是基于单一信号如振动信号或者声信号。但在诊断精度等方面还有不足。本文提出基于振动、温度和声信号的综合监测方法。实验结果表明，基于振动、温度和声信号的综合监测方法，能够有效提高故障诊断的精度，并能够实时监测旋转机械的工作状态以及故障预警。关键词：DSP USB 数据采集 旋转机械 状态监测COMPREHENSIVE MONITOR SYSTEM FOR ROTATING MACHINERY BASED ON VIBRATION, TEMPERATURE AND NOISEAbstract The physical parameters，such as vibration, temperature and noise will be changed in the working rotating machinery. The traditional monitoring method is based on simple signals such as vibration, or noise. However, there is some difficulty in precise diagnosis. The union monitoring method based on vibration, temperature and noise is proposed in this paper, and the experimental results show that the proposed method is able to not only improve the precision of fault diagnosis with great efficiency, but also to monitor the real-time conditions of rotating machinery and fault prediction. Key words：DSP, USB, Data Acquisition,Rotating Machinery,Condition Monitoring0 引 言随着USB接口技术的飞速发展，它已经广泛应用于各行各业中。因此，将USB接口技术应用机械设备的状态参数采集和故障诊断中必然会成为一种趋势。机械设备在长期运行中可能会出现机械、电气等方面的故障, 伴随这些故障必然产生振动、噪声、温度、压力等物理参数的变化, 我们可以借此来判断机械设备的工作状态并对其进行状态监测和故障诊断1 夏庆观.数控机床故障诊断M .北京:机械工业出版社, 2004.。高速数据采集系统一般由DSP芯片和高速总线搭建而成，目前常用的方法有4种：基于PCI总线的数据采集系统、基于PLD的高速数据采集系统、基于DSP和USB接口的数据采集系统以及基于USB和串行A/D转换的数据采集系统2 刘泽西，程晶晶，孔力.基于USB2.0接口的高速实时数据采集系统J.测控技术，2007，（2）:34-37。由于实时状态监测大容量数据高速传输的需要，基于DSP的数据采集便成了首选。DSP采用了多总线的哈佛结构、专用的硬件乘法器、多级流水线操作和专用的DSP指令等方法使其获得了高速并行处理能力, 能够实时地完成复杂的控制算法。而USB总线技术具有速度快(USB协议2.0支持最高传输速度可达480Mbps)、支持热插拔和扩展方便(USB上最多可以连接127个外部设备)即插即用等优点3 戴小俊，丁铁夫，郑喜凤.基于USB和DSP的数据采集系统的设计J.电子技术应用，2007，（1）:84-8634 Wu X.High Speed Data Acquisition System Using USB InterfaceJ. Journal of Electronic Measurement and Instrument,2004,(2):1151-1155.5 刘宁艳，路宏敏，刘科祥.基于DSP的高速数据采集系统的研制J.电子设计应用，2004，（1）:46-48.。本文在以上各种方法的基础上，确定了基于DSP和USB接口的机械状态监测系统的方案。1 系统硬件设计 机械状态监测系统一般由数据采集、数据处理和故障预警三部分组成。数据采集的硬件主要由1片DSP芯片、1片CPLD、4片AD转换器和USB芯片构成。其系统结构如图1所示。AD7899DSP*CPLDUSBPC图1 系统结构图DSP芯片采用TI的TMS320VC55096 TMS320C55x DSP CPU Reference Guide.Texas Instruments Inc.,2004.。它是TI公司生产的第三代高性能低功耗DSP芯片。CPLD芯片采用ALTERA公司的EPM3256，用来作为数据输入输出的缓冲和控制。DSP与CPLD之间的通信采用多通道缓冲串口DMA方式。具体流程如图2所示7 欧建平，任建文，楼生强.CPLD与TMS320VC55x的McBSP接口设计J.通信技术与设备，2002，（6）:12-14。AD转换器采用AD7899，它是一种快速、低功耗、单5V供电的逐次逼近型14位ADC，可在125以上温度环境中工作。USB芯片采用CYPRESS公司的CY7C68001，它符合USB2.0标准，最高传输速度可达480Mbps8 Cypress Semicondusror EZ-USB FX2 Technical Reference manualZ.2001。输出DSP输入FIFOFIFO移位寄存器移位寄存器计数器逻辑控制图2 CPLD与DSP接口图在搭建好系统的硬件平台后，就可以进行固件程序设计和接口通信程序设计了。硬件底层程序设计时需要考虑数据的采样和控制，DSP与USB的数据与命令交换以及USB驱动程序设计。最终实现的目的要在进行应用软件设计时方便的调用开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输通道、设置A /D状态和数据采集端口等功能。2 应用软件设计本数据采集系统应用于旋转机械的状态监测,每块数据采集板共监测旋转机械的振动、温度、噪声和转速等信号。如果串接更多的数据采集板，就可以监测旋转机械更多位置以及更多的状态参数。应用程序是运行在上位机上,采用的是标准的Windows图形界面风格。它的主要功能是完成数据的采集、处理、动态显示、回放、分析、故障报警设置、故障预警以及打印等功能。主机端应用程序采用VC+6.0编写.应用程序实现数据采集的过程是:首先必须用CreateDevice函数创建一个设备对象句柄hDevice，取得设备的控制权。然后将此句柄作为参数传递给其他函数，如InitDeviceAD可以使用hDevice句柄以初始化设备的AD部件并启动AD设备，ReadDeviceAD函数可以用hDevice句柄实现对AD数据的采样批量读取。通过适当的逻辑结构便可以实现设备的连续数据采集。最后通过ReleaseDevice释放设备。由于大容量数据实时高速传输的需要，使用多线程处理便成了首要之选。在这里，开辟了数据采集线程SampleThread(LPVOID pParam)和数据处理DataProcThread(LPVOID pParam)两个线程并且采用二级数据缓冲的设计方案。最初，数据处理线程不做任何工作，而是在Win32 API函数WaitForSingleObject的作用下进入睡眠状态，此时它不消耗CPU任何时间，当数据采集线程取得指定长度的数据到用户空间时，则再用Win32 API函数SetEvent将指定事件消息发送给数据处理线程，则数据处理线程即刻恢复运行状态，迅速对这批数据进行处理，如计算、在窗口绘制波形、存盘等操作。数据缓冲的设计方案简单来讲就是开辟一个两维数组如ADBuffernNum, 其中Num为数据采集线程每次采集的数据长度，n则为缓冲队列的成员个数。采用上述方案之后，就可以保证数据连续不间断的采集，并可以进行监视和分析了，图3是应用软件的界面图。图3 系统界面图3 实验结果及分析为了得到精确的测量结果，实际测试中需要注意很多具体问题,比如传感器的布置，以及测试数据的放大、滤波和消噪等9 王俊峰，张玉生.机电一体化检测与控制技术M. 北京:人民邮电出版社, 2006.。 本次设计在旋转机械的转动轴上安装加速度传感器和光电传感器，在机械装置的发热点或者油液中安装温度传感器以及在机座上布置测量声信号的传感器，再将采集到的信号经调理后输出给数据采集系统进行数据采集, 然后经USB接口传送给上位机。最后，应用软件可以把采集到的各通道的信号保存下来做进一步分析，也可以设置报警限制，进行实时的状态监测。图