旋转体动平衡测试数显装置的研究毕业论文.doc

唐 山 学 院 毕 业 设 计旋转体动平衡测试数显装置的研究毕业论文1 引言1.1选题的意义在机械设备中，旋转是一种很普遍的运动形式。日常见到的大部分机械都以转子作为工作的动力，如汽轮发电机组轴系、陀螺转子、风机、泵、压缩机等都以转子系统作为工作的主体。转子系统运行的平稳性决定机器运转时的可靠性，但机器运转时不产生振动是没有的，且不说制造安装工艺及环境条件等因素会引起转子系统不平衡振动，即使以上各方面都是很理想的，在一定条件下正确安装高精度的转子系统也会因为运行过程中磨损及负载冲击而产生较大的振动。振动过大危害极多直接造成机组事故，例如，汽轮机组高压端振动过大，可能引起危及保安器运作而停机；损害机组零件，如造成轴瓦和轴承的紧固螺钉、联接管道、传动机构等部件损害；造成机组动静部分摩擦或咬合，导致机组发生严重损坏而被迫停机；过大的振动将会使各个部件之间的联接发生松动，削弱轴承座、基础台板和基础之间联接的刚性，甚至使基础松裂、建筑物共振，造成严重事故。 研究表明，旋转机械产生振动的主要原因是由于转子具有不平衡的惯性力或惯性力矩，其在高速旋转机械中这一现象显得更为突出。由于结构材质、均匀以及制造安装误差等原因，转子中惯性主轴或多或少的偏离其旋转主轴。当转子转动时，转子各微元质量的离心惯性力所组成的力系不是一个平衡力系，这种情况就称为转子具有不平衡。因此，研究本课题对提高校正转子的校正效率及校正精度，以及提高其自动化程度具有重要意义。1.2动平衡技术的发展动平衡技术是随着旋转机械的。发展而发展起来的在旋转机械发展初期，由于机器的工作转速低，对平衡精度的要求不高，只需对转子进行静平衡即可。随着机器工作转速的不断提高，对平衡的要求也日益严格。静平衡已经不再适应工业发展的需要，由此，动平衡技术开始产生、发展并日益成熟起来。 动平衡机是动平衡技术的一个重要组成部分，其作用是测量并校正转子的不平衡1。第一台动平衡机的出现至今已有一百多年的历史，而动平衡的迅速发展主要还近几十年的事。二十世纪四十年代，平衡工序一般在纯机械式的动平衡设备上进行，用千分表观测振幅以估算不平衡量的幅值，用机械系统谐振方法判断不平衡相位。但是上述测量方法不能准确得到不平衡量的幅值和相位。 从二十世纪五十年代开始，随着电子测量技术迅速发展，动平衡机的电子测量系统逐渐取代了机械测量系统。从国外的平衡机发展过程来看，德国的平衡机制造业历史悠久，一直处于领先地位。我国对平衡机的研制和开发是从1958 年开始的，平衡机制造业取得了迅速发展。目前，国内的平衡机产品均已达到系列化生产，平衡机标准已全部采用国际标准，这都标志着国内的平衡机制造业已接近国际先进水平。根据国家试验机质检中心的检测结果，国产平衡机的两项技术指标(即最小可达剩余不平衡量Umar 和不平衡量减少率URR）与国际先进水平已很接近。随着旋转机械转速的不断提高，对平衡技术的要求也越来越高，因此，新的技术不断产生，微机控制的窄带自动跟踪数字滤波等技术已经成功的应用于动平衡机测试系统。近年来，智能化动平衡测试系统已经成为研究和发展点。2 总体方案设计2.1动平衡测试系统 由转子平衡的力学原理可知，要平衡一个转子必须测量出它在预先选定的校平面的不平衡量的大小和相位，然后用加、减重量的方法进行校正，使转子达到衡。其测量原理是利用转子在旋转过程中，由于不平衡所产生的离心力引起平衡摆架系统振动，通过传感器将此机械振动量变成电信号，然后经过滤波放大、平面分离、定标等过程，最后在仪器上显示出不平衡量的大小和相位。测试系统从传感器得到的电信号，由于不可避免的机械干扰，除了不平衡量起的主振动以外，还包含各种干扰信号2。特别在不平衡量比较小的情况下，杂乱干扰信号比主信号还要强。因此，要想从这些干扰信号中将微弱的不平衡信号精确的提取出来，所设计的测量系统必须具有优良的选频滤波性能。此外，为了提高平衡精度，还要求测量系统具有足够的灵敏度，以便把微小的不平衡量值测量出来。但是，高灵敏度和稳定性在一定程度上是相互牵制的。在测试系统设计和调试中必须保持系统长期稳定工作的前提下，使其具有高的灵敏度。同时测试系统还要足调整方便，显示直观等要求。2.2电力拖动系统由原动机带动生产机械运转称为拖动。以电动机为原动机的拖动方式称为电力拖动。电力拖动系统是当前各种拖动方式中最主要的拖动方式。一方面，是因为电能的生产、输送和分配比较方便，电动机的种类和规格很多，性能各异，可以充分的满足各类生产的需要；另一方面电机易于控制，便于实现自动化。有的生产机械电动机与工作机构可以采用同轴连接，直接拖动，这种系统称为单轴电力拖动系统，简称单轴系统。有的生产机构或因其转速与电动机的转速不同，或因其运动形式不一而需要在电动机与工作机构之间增加传动机构，例如齿轮箱和蜗轮、蜗杆等，这种系统称为多轴电力拖动系统，简称多轴系统。简单的生产机械当中的小容量电动机可以用开关和断路器等手动控制电器实行手动控制，而较大容量的电动机，尤其要求启动、反转、制动和要求有诸如短路保护、过载保护和欠压保护等的电动机就需要采用接触器、继电器和可编程控制器等来实行自动控制。因此控制设备也是电力系统中不可缺少的部分。 在电力拖动系统中，有的电动机可以直接由电网供电，有的需要专用的电源设备供电，例如交流电机的变频电源、直流电动机的不控或可控整流电路等。综上所述，电力拖动系统由图2.1所示的几个部分组成。电源电动机控制设备传动机构工作机构图2.1电力拖动系统2.2 总体方案论证控制部分总体结构如图2.2所示。光电编码器8得到基准信号以及经过基准信号电路处理送入8098的高速输入端HSI得到转子的转速，经过倍频电路倍频后用于跟踪带通滤波器的中心频率；振动传感器得到转子的不平衡信号，经过振动信号电路处理后送入8098的ACH端(即P0口)进行A/D转换，得到转子的相位、幅值信息，8098的P3口为数据/地址复用线,一方面经过地址锁存器74LS373 锁存后与2764、6264、8279芯片连接的地址线连接，另一方面直接和它们的数据线连接。8098的P4口为高8位地址线，其中A14A8直接和2764的高7位地址线相连接，A15和2764的片选端/CE相连接进行片选A12A8直接和6264的高4位地址线相连接；另一方面，A15A13和A11A9经过片选译码电路分别与6262、8279和彩色液晶显示器的片选端/CE相连接进行片选。图2.2 系统总体框图3 硬件系统的设计3.1 概述控制系统的硬件设计中，应兼顾仪器的性价比。根据这一原则，确定微处理器的型号。本次设计的动平衡测试系统，以性价比较高的MCS-96系列的8098单片机为主控核心。它扩展了32K8大容量的EPROM固化程序和8K8的静态RAM存储 A/D 变换结果和缓冲临时数据。硬件部分分为控制部分和模拟信号电路部分，其中控制部分主要包括8098单片机、存储器扩展电路、键盘接口电路和液晶显示接口电路；这部分电路主要负责信息输入、处理、运算、输出、存储、显示等系统逻辑方面的事务。系统还配有RS-232C串行通信口，可将采集到的振动数据传给PC机,作进一步的分析处理.模拟信号处理电路部分主要由振动传感器、光电编码器、振动信号电路、基准信号电路组成；这部分电路负责原始信息的过滤、提取、变换等。其整体结构如图3.1所示：光电编码器光电信号处理器振动传感器振动信号处理器振动传感器8098单片机并行接口其他控制程序存储器数据存储器串行接口数码显示器键盘图3.1 整体结构图3.2 系统的CPU本次智能化动平衡测试仪的系统微处理器选用的是INTEL的高性能16位单片机8098。和MCS-51系列相比，8098从以下几个方面提高了系统的性能3: (1) CPU的算术逻辑单元不是采用常规的累加器结构,而是采用完全不同的面向寄存器的结构,消除了MCS-51系列CPU结构中存在的累加器的瓶颈效应，加速了数据交换能力，提高了CPU的吞吐力，增强了运算、处理数据的灵活性，提高了CPU的工作效率。 (2) 256字节的寄存器中，232字节是通用寄存器，24字节是专用寄存器，且每个通用寄存器都具有累加器的功能，这就意味着8098CPU中有232个累加器可以使用，远比MCS-51系列CPU的累加器多。这样就有可能为中断服务过程中的局部变量制定专门的寄存器，避免了中断服务过程中需要保护寄存器现场和恢复寄存器现场所支付的软件开销，同时由于采用24个专用寄存器来直接控制I/O功能部分，加快了输入/输出的速度。(3) MCS-96系列单片机的指令系统相对于MCS-51系列单片机来说，不仅运算速度快，而且编程效率高，在完成同样的任务时，所编的程序字节数一般比8位单片机用的要少，且运算速度一般要快56倍。(4) 8098芯片中，增加了一个外设事务服务器PTS，专门用于处理外设中断 和MCS-51系列中的中断服务过程相比，PTS服务大大减少了CPU的软件开销。3.3 单片机存储系统的扩展一个单片机硬件系统的设计包括两个部分6：一是系统扩展，即单片机内部的功能，如RAM、ROM、I/O口、定时/计数器、中断系统等不能满足系统要求时 ，必须在片外进行扩展。二是系统配置，即按照系统功能配置外围设备，如键盘、显示器、A/D、D/A变换等。本仪器功能多，有信号采集、数据处理、数学运算、中断等。仅仅依靠8098芯片提供的系统资源是不够的，必须进行扩展。根据系统的需要，进行储存器的扩展和I/O的扩展。其中存储器的扩展包括数据存储器和程序存储器的扩展。MCS-96单片机主要是通过P3口和P4口进行扩展的，P3和P4口均具两种种功能，既可以作为漏极开路输出的双向口，也可以作为系统总线引脚，用作系统总线是指把它们用作对存储器操作时的地址总线和数据总线，P3口和P4口的引脚编号为P3.7P3.0以及P4.7P4.0,用作地址总线时,P3口引脚编号分别AD7AD0,P4口引脚编号为A15A8,其中字母A代表地址,D代表数据.用作系统总线时,P3口用作数据/地址复用线,既传送数据信息,也传送地址信息.3.3.1 程序存储器的选择如图3.2：VPPA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2VSSD3D4D5D6D7/CEA10/OEA11A9A8N.C/PGMVCC 2764图 3.2 2764PROM 芯片的引脚图2764是一种8K位的可改写只读存贮器，有28个引脚，采用双列直插式封装方式，正常工作时采用单一的+5V电源，其芯片引脚如图3.3所示，引脚功能如表3.1所示。表 3.1 2764引脚功能A12-A0/CE/OED7-D0/PGMN.C地址线片选输出允许数据输出编程未联接 2764采用HMOS工艺技术制成，因而速度快，存取时间可达200ns。在28个引脚中，编程脉冲/PGM独占一个，为使用提供了方便。第26引脚N.C空着未用。编程写入时，电压Vpp为+21，若超过+22V,芯片可能烧坏。3.3.2 数据存储器的选择图 3.3 6264 芯片引脚图用作数据存储器扩展的器件一般是随机存储器，RAM，RAM分为静态和动态两种类型4。由于静态RAM具有使用方便，抗干扰性能好，加上其集成度高，容量大价格低，它在微处理应用系统中广泛使用。系统选用静态RAM6264作为扩展数据存储器，用来存放临时数据和定标参数。该芯片引脚如图3.3。其引脚含义如下 A12A0：地址输入线 D8D0：八位双向数据线 ：数据输出允许线 :片选输入线 :写允许信号线 VCC、VSS、GND：电源脚 3.3.3 电路设计和说明在存储器扩展电路中，用到了地址锁存器74LS373，其引脚图如图3.4所示。它有一个使能端G，一个输出控制端，8个输入端D7D0,8个输出端Q7Q0。74LS373的功能见表3.2示。图3.4 74S373锁存器引脚图表3.2 74S373锁存器功能图输出控制端（）使能端（）输入端（）输出端（）LHHHLHLLLHXQ0HXXZ注:H=高电平,L=低电平,X=不定态,Q0=建立稳定输入条件Q的电平,Z=三态输出的关闭状态。CPU设计为外部8位方式运行，数据总线为D7D0，地址线为A7A0加上A15A8构成的16位地址总线，其中，D7D0和A7A0复用构成AD7AD06。当地址允许锁存信号ALE上升为高电平以后，P4口输出高8位地址，P3口输出低8位地址；ALE下降为低电平以后，P4口的输出信号不变，而P3口浮空，低8位地址信息消失，因此，低8位地址必须在ALE降为低电平之前用外部地址锁存器来锁存。2764和6264各有不同的片选信号，保证读出和写入信号的唯一性。其连接电路如图3.6所示。图3.5 储存器与8098接线图3.4 单片机输入输出接口扩展3.4.1 键盘接口电路 一、 键盘管理模块的选型 该仪器的键盘管理模块选用Intel 8279芯片，完成键盘输入各项功能命令以及设置常数的功能。8279芯片是一种专用于键盘和显示器的接口芯片，它最大的特点是自身能提供扫描信号，可代替CPU完成对键盘和显示器的控制、管理，减少相应的程序量，从而减轻CPU的负担，提高其工作效率。它可对64个开关矩阵组成的键盘进行自动扫描，接受键盘上的输入信息存入其内部的FIFO(先进先出) RAM，并在有键输入时向CPU请求中断。二、8279的内部结构8279芯片主要由下述部件构成 (1) 控制逻辑：控制与定时寄存器用于存放键盘及显示的工作方式以及由CPU编程决定的其它操作方式。(2) 扫描计数器：该计数器有两种工作方式，一种是编码工作方式，按二进制计数4位计数器状态从扫描线输出，经外部译码器译出16位扫描线。另一种是译码工作方式，扫描计数器的低两位译码后经扫描线输出。(3) I/O控制和数据缓冲器：I/O控制线是CPU对8279进行控制的引线。双向三态数据缓冲器将芯片内部总线和外部总线DB0DB7连接。用于传递CPU和 8279之间的命令、状态和数据。(4) 按键输入控制：该部分完成对键盘的自动扫描，锁存来自键盘的输入信息查找闭合键，消除键抖动，并将按键输入的数据写入内部FIFO RAM阵列 。 三、8279引脚及功能说明118279采用40引脚的双列直插式芯片，引脚图如3.7所示图3.6 8279芯片引脚图(1) 与CPU总线接口部分 D0D7：双向、三态数据总线，用于CPU与8279之间传递命令和数据。CLK：来自系统的时钟，用于产生内部时钟。RESET：复位引脚。高电平有效。其复位状态为16字符显示。：片选信号，为低电平时，8279才能工作。 A0：数据选择输入线。当A0=1时，表示输入、输出命令或状态；A0=0，表示传送数据。 :读、写控制信号。 IRQ：中断请求信号。 (2) 数据显示接口部分 OUTA3OUTA0：A组显示信号输出线。 OUTB3OUTB0：B组显示信号输出线。 :为显示消隐(熄灭)控制线。(3) 键盘接口部分 SL3SL0：键盘扫描线及显示位选控制线。 RL7RL0：键盘回复线。 SHIFT：位移输入线。 CNTL/STB：控制/选通输入线。 四、电路设计及说明 键盘接口电路图如图3.8所示。图中SL2SL0作为键盘列线的位选线，RL3RL0用作键盘的行线，/CS为8279的片选信号，通过译码电路与8098的P4口相连产生片选信号。8279的数据线为8位，与单片机8098的P3口相连，负责CPU和8279之间变换地址，数据和状态信息。RST来自复位电路，给8279提供复位信息。/WR、/RD来自CPU的读、写信号为8279提供读写信息8279的A0与锁存器74LS373相连。图中74LS138为3.8译码器，由8279的SL2SL0译出8根扫描线，选用前6根作为键盘的列，RL3RL0作为键盘的输入线，8279读入RL3RL0可知是否有键按下。然后通过中断转入相应的中断服务程序。ALEP38098P4.5P4.7/RD/WREXTINT74LS373A0RL3RL2RL1RL0CLK8279/CS/RD/WRIRQCNTL OUTB0B3SHIFTVSS OUTA0A3SL0SL1SL2+5V013245673130292827262524G1G2AG2B74LS138 图3.7 键盘接口电路3.4.2 数码显示接口电路 智能仪器仪表的显示器通常采用LED(发光二极管显示器)，因为 LED成本低，与单片机接口灵活。但LED只能显示数字和少量简单字符，而不能显示汉字形等。数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0 9、字符A F、H、L、P、R、U、Y、符号“-”及小数点“.”。数码管的外形结构如图3.9所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。图3.8 数码管引脚图数码管工作原理：共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起。通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。本设计选用了四块共阳极数码管组成了显示模块，如图3.10所示。图3.9 数码显示电路3.5 模拟部分电路设计 3.5.1 基准信号的获得与处理 该电路由光电隔离组成 如图3.14所示 图 3.10 基准信号处理电路图光电编码器输出的信号，经过光电隔离电路处理，获得一与输入信号同频的方波信号，然后将方波信号直接送入8098单片机的高速输入端HSI.0，用于测量转子的转速。一、提取基准信号的意义 (1) 转速测量的需要：转速的测量是通过对基准脉冲信号计数来实现。(2) 提取不平衡相位的需要：由动平衡原理知，要进行动平衡必须准确地测得不平衡振动信号的振幅和相位，其中相位为振幅与基准信号上升沿之间的夹角。基准信号为相位的测量提供相位基准。(3) 提取不平衡振动信号的需要：由测振传感器拾取的振动信号是转子不平衡故障及其它故障引起的各种振动和环境噪声的总和。为了有效地对机器实施动平衡，就必须将振动信号进行选频滤波，把有用的不平衡振动信号从混杂的振动信号中提取出来。为提高仪器的自动化水平，便于同一机器在不同转速下实施动平衡，智能动平衡仪采用了中心频率可由基准信号控制的跟踪滤波器MF10CCN，因此要求要有稳定可靠的基准信号。基准信号的提取方法:本系统采用光电编码器产生基准信号。光电编码器的工作原理如图3.15所示。U1的工作电压为930V范围可任选，光栅盘上的光栅辐条组成了光栅码盘，R1和 R2为限流电阻，V1和V2分别是发红外光的二极管和光敏三极管。当转子旋转时，光栅转盘也随之旋转。由V1、V2和光栅转盘的联合作用，光敏三极管输出N个电脉冲信号。由此可知，由光电编码器输出的U的频率f是由转速n决定的，有f=nN为光电编码器输出信号和转轴的转速n的关系。 图3.11 光电译码器工作原理图3.5.2 振动信号的硬件处理如图3.12所示，为振动信号的硬件处理过程。由于从振动传感器输出的正弦振动信号中含有丰富的谐波成分，为了从很强的干扰信号中提取有用的不平衡信号，首先使信号通过低通滤波电路，然后通过程控放大、跟踪滤波电路，将信号中的高频干扰成分滤除后由ACH端口输入到8098单片机内部，进行A/D转换。采用开关电容有源滤波集成电路构成四阶带通滤波器，基准信号经 100倍频后作为滤波器的外部时钟，它与其它跟踪滤波器相比，具有稳定性高、结构简单、易于整定等优点。下面从测振传感器的选择、振动信号的预处理等几个方面详细讨论电路的设计过程。程控放大程控放大跟踪滤波跟踪滤波倍频处理光电隔离振动信号1振动信号2低通滤波低通滤波基准信号单片机图 3.12 振动信号的硬件处理图一、测振传感器的选择 测振传感器是把被测对象的机械振动量(位移、速度、加速度)转换为与之相对应的电量(如电流、电压)的器件。用于振动测量的传感器种类较多，下面介绍几种常用的测振传感器的工作原理。1、压电式传感器 工作原理是利用压电材料的压电效应，将被测对象的机械振动量转换为电量的变化。压电式传感器具有体积小、重量轻、精度高及灵敏度高、工作频率范围广等优点。主要缺点是传感器的灵敏度随环境温度、湿度的变化和压电材料本身的时效而变化，必须经常校准。2、磁电式速度传感器工作原理是利用电磁感应原理将传感器可动圈与固定圈的相对速度转换为电压输出。主要优点是永久磁铁感应出电动势，传感器本身不需要电源；容易获得高灵敏度，可测微小变化；输出信号大，输出阻抗低，电气性能稳定性好，不受外部噪声干扰。对后接电路无特殊要求，且电路简单。主要缺点是动态范围有限。综合上述传感器的特点，系统选用磁电式速度传感器用于振动的测量，并用双芯屏蔽线将信号传输到仪器。磁电式传感器的输出信号易受外界脉冲的干扰，采用双芯屏蔽线有利于增强系统的抗干扰能力，提高振动信号的信噪比。二、振动信号的预处理的关键电路 1、一阶低通滤波电路图3.13所示为一阶低通滤波电路，其传递函数为：用取代s，且令，得出电压放大倍数为： 图3.13 一阶低通滤波电路2、放大电路放大电路采用的是阻容耦合共射放大电路，如图3.14图中C1用于连接信号源与放大电路，电容C2用于连接放大电路和负载。图3.14 阻容耦合共射放大电路3、A/D转换的基准电压电路 A/D转换的输出结果为： 式中V 为模拟信号电压，为A/D转换的参考电压源电压，为模拟地电位。可见 ，A/D转换的精度与有很大的关系，为了保证A/D转换的精度，采用以LM336为核心的精密电压源，通过调节电位器保证输出电压的精度 。其电路如图3.15所示：图 3.15 参考电压源4、 程控信号放大电路 传感器输出的电压信号比较小，与AD转换输入端口不匹配，必须在AD转换前加一个信号放大电路，选用超低漂移高精度运算放大器OPO7。又由于通道数较多，各通道参数的精度、量程不同，因此，监测到的信号需要根据不同的通道，选择合适的放大倍数，更好地完成信号的放大处理，为AD转换器提供更为精确的采集信号。 图3.16为放大电路，采用4路选择开关CD4052芯片来选择放大倍数Ki。用图3.18中的74LS273的Q7，Q8输出端口控制CD4052芯片，选择X0，X1，X2，X3，实现电阻R1，R2，R3，R4的切换，进而实现改变放大倍数的目的。放大倍数：Ki=Ri/R(i=1，2，3，4)本文取R1=R2=R3=R4=100K图 3.16程控信号放大电路3.5.3量程选择电路的设计 为了提高仪器的精度,使预处理的振动信号在A/D转换的量程范围内,通常需要进行量程切换。一般的动平衡仪器量程选择是人工进行的，首先测出振幅的最大值，根据其大小选择合适的量程。对于不同量程的切换，软件中并未作出相应的处理，为了计算方便，往往原始振动测量和试加重测量是在同一量程下进行的，由于A/D转换在1/2量程至满量程之间的转换精度最高，使原始振动和试加重振动测量处于同一量程档，无疑降低了测量精度。因此不但要使送入A/D转换的信号在其量程范围内，而且应尽量使信号在1/2量程到满量程之间，以取得较好的转换精度。在软件设计中将不同量程下测得的原始振动幅值和试加重振动幅值统一到1档,无需再人工进行换算,同时把量程划为10、1、0.1三档。这样在进行动平衡时，系统自动更换量程，同时将量程档在屏幕上显示，实现原始振动测量与试加重测量可以在不同的量程档进行，使精平衡更为有意义。4 软件系统的设计为了节约成本并增加仪器的功能，设计过程中，能由软件实现的功能尽量由软件实现。软件系统需要实现的功能有完成系统的初始化、转速测量、DFT变换、平面分离、影响系数测量、显示等，因此软件系统的内容较多。本章将分别对软件的框架，各个功能模块一一介绍。4.1 软件系统的总体设计4.1.1 系统的总体结构如图4.1图 4.1 软件系统总体流程图根据仪器所需实现的功能，按模块化设计思想，软件系统共分为五大功能模块：(1) 系统初始化及自检模块 (2) 量程选择 (3) 平衡参数设置 (4) 动平衡测量模块 (5) 键盘中断处理模块 (6) 数码显示模块 4.1.2 软件编程语言的选择 PL/M语言是一种高级语言，它是由Intel公司设计，主要应用于Intel公司生产的单片微机和微处理器系统软件和应用软件的开发。其主要优点如下10：(1) 可读性好，程序设计和调试方便 作为高级语言，它更接近和体现人的思想。PL/M语言属于结构化设计，程序是模块化结构，层次清晰，便于理解和阅读，它能够使用于实际问题更为接近的数据类型和数据结构，如布尔变量、字符、数组结构、位操作等。一条PL/M语言相当于数条汇编语句，而且程序出错的可能性小，大大减少了编程和调试的工作量。(2) 代码转化率高，占用内存容量小，运行速度快 PL/M语言直接对单片机所用硬件进行操作，直接支持中断管理和服务。同时具有四级优化功能，消去没有用到的代码和过程重复使用的代码，并优化跳转操作优化寄存器管理等。使用PL/M语言编写的程序，即使涉及I/O操作，其代码转换效率也可与有经验的人员直接编写的汇编语言相媲美。(3) 提供了作为语言组成部分的内部过程和功能强大的浮点运算库。其内部过程的语言代码精练，与其它硬件开发语言相比较，完成同样的功能所占用的存储器空间减少，同时，PL/M语言对浮点运算库的连接是有选择的，只连接程序涉及的内容，使程序十分简洁。4.2 系统初始化及自检模块 4.2.1 系统初始化 整个软件系统采用两级中断方式实现，及键盘中断和定时器中断，其中定时器中断的优先级高于键盘中断的优先级。软件系统启动8098的相关寄存器和其它设备（如LCD、8279等）进行初始化，并设置键盘和显示器的工作方式，然后进入等待键盘中断的状态，如果此时有按键按下，就向CPU发出中断请求CPU根据按下键的键值，作出与之相对应的反应，然后执行相应的功能。4.2.2 系统自检 单片机系统开机以后，可以先进行自检，系统正常工作转入其它程序执行，否则就报警。自检程序主要检查： 程序存储区本身和存放的程序是否被破坏以及单片机系统工作是否正常。 检查数据存储区的好坏和数据线及地址线有无短路、开放等故障。4.3量程选择系统启动后，当按下量程选择功能键时，系统首先进行振动峰值测量，从左、右传感器测得的振动信号经过采样，送入8098的P0口进行A/D转换，然后与已事先清零的存储单元内的值进行比较，若大于存储器中的原值，则将该值作为最大值保存在存储器中。经过一定的采样时间后，取得最大值。根据此最大值选择合适的量程档，并发出对应的控制指令，自动更换量程，同时将量程值在屏幕上显示出来。4.4 平衡参数设置 参数设置模块的功能就是进行参数输入，实现人机对话。作为一台智能化动平衡测试仪，必须具备参数输入功能，可直接从键盘上输入各校正面上的试加重大小和相位这些常数。另外，对于一组结构形式、转速、支承条件相同的转子，其对应的影响系数也相同，于是，一个转子作过动平衡后，计算出来的影响系数可直接用于其同类型的转子，而不必对每个转子都进行定标，直接输入转子的类别号，调用该转子的影响系数就可进行平衡。4.5 动平衡测量模块 动平衡测量模块的工作流程如图4.2所示。完成转速测量、不平衡量计算、影响系数测量的功能。 图4.2 转速测量流程图 4.5.1 转速测量 转速测量的方法很多，主要有M法、T法、M/T法。它们的测量原理如图4.3所示。 (1) M法测速 M 法测速是在相等给定的间隔内读取基准脉冲的个数，该法适用于高速测量。在给定的时间间隔Tc内计数值为，则转速为: (2)T法 T法测速是先测出基准脉冲的周期T,在T内对固定的基准采样脉冲频率f进行计数，该法适合于低速测量。在T时间内计数为，则：转速为： (3)M/T法 M/T法是在M法的基础上吸取了T法的优点的一种测速方法，其测量转速的过程为：在基准脉冲的上升沿启动定时器(定时长度为 )，同时记取基准脉冲的个数()和基准采样脉冲的个数()。测量时间到，先停止对基准脉冲的计数，等待下一个基准脉冲上升沿到来时，再停止对基准采样脉冲计数，以保证测得整个基准脉冲；所设定的基本测量时间可避免T法因转速过高导致测量时间减少的缺点；同时读取基准采样脉冲的个数可避免M法因转速降低导致精度变差的缺点。测量时间为： 转速为： 从上面对M、T、M/T测速法分析可知，高速时M/T法测速性能与M法相同低速时与T法相同。为了使智能化动平衡测试仪能精确的测量转速，系统采用M/T法。其实现的方法为：光电编码器获得的基准脉冲信号送入8098的高速输入端口HSI.0，设置HSI.0为正跳变触发方式。以定时器T1(在8098芯片中，定时器T1为时间基准记录外部事件发生的时间及其状态。图 4.3 M 法 T 法 M/T 法示意图1， 自动循环计数,可作为高速输入HSI的时间基准。仪器的系统时钟为12MHz，8T为）来控制基准信号的采样频率f，定时器T1每隔对基准信号监测一次，即对基准信号的采样频率f=500KHz。采样的周期Tc通过对中断次数的计数来控制，系统中取Tc=2s。当系统启动后，在转速基本测量时间程度Tc内，定时器T1每隔向CPU 发出中断请求，中断计数器加1，在定时中断处理程序中循环检测是否为基准脉冲的上升沿，若是，则基准脉冲个数计数器加1。当Tc定时结束时，只停止对基准脉冲的计数，得到计数值。而Tc结束后基准脉冲的第一个脉冲前沿来到时，才停止中断计数器的计数，得到计数值，其测量时间.此时,可以得到转子的转速 。4.5.2 不平衡量大小和相位的确定 旋转机械无论是转子、轴承座或者其它部位，其振动波形一般来说不是单一频率的简谐波，而是各种频率的波形叠加后合成的振动。合成振动中除了频率等于转速的基频信号(即不平衡信号)外，还有一些倍频分量以及其它的一些随机振动分量基频信号主要是由转子的质量不平衡引起的，因此，要准确求出不平衡信号的幅值和相位，就必须准确求出基频信号的幅值和相位。设振动信号为x（t），为了求得转子的基频信号，在程序中必须对从不平衡信号通道得到的振动信号进行离散傅立叶变换(DFT)。根据采样定理，采样信号的频率必须大于被采样信号的两倍，在一个周期中，进行等间隔采样N点，采样所得的时域信号序列为：x(0),x(1),x(2),，x（N-1），对该序列进行DFT为 （4-1）其中K=0,1,2，.N-1为谐波次数；N=0，1，2.N-1为采样点数；当K=1时，X(1)为DFT的基波分量。由上式可以得出： （4-2）可以求得幅值，信号初相位，其中。但是由于DFT计算出的幅值和相位并不是不平衡信号的幅值和相位，二者有一定的相对数值关系，其计算过程如下：设x（t）代表一个周期为的周期性连续函数，x（t）可展开成傅立叶级数，其傅立叶级数的系数为，是离散谱，为离散频谱相邻两谱线的角频率间隔k为谐波序号。则周期信号的复数傅立叶级数为： （4-3） 式中的傅立叶级数系数为： (4-4)令t=nT(T为采样间隔)，则有dt=T，上式可变为： （4-5）离散傅立叶变换为： （4-6）比较这两式，可以看出利用DFT的基本定义式(4.5-6)计算一个周期信号的傅立叶级数时，频谱的正常幅度等于DFT所求出的频谱分量乘以1/N。傅立叶级数的三角形式为： （4-7），其中。式中为常值分量，为n次谐波的幅值，为相角，为基频。比较傅立叶级数的两种展开形式可知：复指数形式的频谱谐波幅值为三角波形的频谱幅值的一半。由此可知，三角函数形式的频谱的正常幅度等于DFT所求出的频谱分量的频谱分量乘以2/N(N为-周期的采样点数)。由以上分析可知 不平衡信号的幅值和相位可由以下公式求出 (4-8)上面求出的相角为信号的初相角,并不是信号对应的相位（为相对于基准的相对相位角度)。当时，；当时，。由上述计算过程可以得到转子左、右测点的动载荷分别为和。但是要得到左、右校正平面不平衡量大小，还需进行平面分离。设左校正面的不平衡量为,使不平衡信号通道I的输出为,不平衡信号通道II的输出为；右校正平面的不平衡量为,使不平衡信号通道I的输出为，不平衡信号通道II的输出为，则： (4-9)式中,：左校正平面上单位不平衡量引起左支承点的振动； ：右校正平面上单位不平衡量引起左支承点的振动； :左校正平面上单位不平衡量引起右支承点的振动； ：右校正平面上单位不平衡量引起右支承点的振动； 、称为幅相影响系数。当测得左、右支承点的振动后，可按(4.5-10)式求出左、右校正平面的不平衡量。 (4-10)(4.5-10)式中,。用软件实现平面分离，比传统的方法简单，并且提高了平面分离度，在YYW-300型动平衡机上实验，平面分离度高达100:2。不平衡量的幅值和相位的计算流程如图4.4所示。其计算过程为：在转速测量程序中测出转子的基频周期后，将此周期均分128份，获得整周期的间隔采样，在下一基准信号出现时立即启动A/D转换，通过软件标识设置A/D转换时振动信号的起始点(起始点即HSI.1的一次中断，标识一个振动信号周期的结束和下一个振动信号周期的开始)。由HSO.1端口控制采样，实现整周期采样，得到128个采样值后，由以上(4.5-1)(4.5-8)各式计算出不平衡信号的幅值和相对相位，再按(4.5-9),(4.5-10)式进行平面分离，得到转子左、右校正平面不平衡量的大小和相位。图 4.4 幅值和相位计算流程图4.5.3 幅相影响系数测量程序 在测量中，幅相影响系数的求法为：先测得1、2两点的原始振动为,然后只在左校正平面上加试重,测得左、右支承的振动分别为。则由引起的振动量分别为： （4-11）由于转子支承系统可近似看作一个线性系统，将代入(4.5-11)式中得： （4-12）由此可以求得。类似的，在右校正平面上添加试重，就可以求出幅相影响系数。测量完成后，将幅相影响系数及其转子的类别号送入EEPROM保存，