智能动平衡测试装置设计

摘要本文设计了基于MCS-96系列8098的智能动平衡测量系统。利用振动传感器采集信号，通过单片机处理，用RS-232C串口实现与PC机通讯来实现远程测量。硬件局部分为控制局部和不平衡信号处理局部。控制局部主要包括8098单片机、存储器扩展、键盘接口、数码显示和输入/输出控制接口等电路。这局部电路主要实现信息输入、存储、输出、显示等系统逻辑方面的功能。不平衡信号处理局部由基准信号电路和振动信号电路组成。基准信号电路用于测量转速、为测量相位提供基准以及为带通滤波器的中心频率提供跟踪脉冲。振动信号电路用于不平衡信号的跟踪滤波、放大等。软件局部主要包括系统的初始化、自检、量程选择、平衡参数设置、定标系数确定、动平衡测量、键盘中断处理、数码显示等模块。利用单片机8098在数据处理方面的突出优势，使系统具有一定的高可行性和高性价比。该方案还具有通用性，可用于工业控制、金融、交通行业、具有很广阔的开展前景。关键词：单片机振动传感器动平衡测量AbstractDesignedbasedonMCS-96Series8098SmartBalancemeasurementsystem.Useofvibrationsignalscollectedbysensors,processingthroughtheMCU,withRS-232CserialinterfaceandPC-communicationtoremotemeasurement.Hardwareisdividedintocontrolpartandunbalancedsignalprocessing.Controlsectionincludes8098singlechip,memoryexpansion,keyboardinterface,digitaldisplayandinput/outputcontrolinterfacecircuit.Thispartofthemaincircuittoachieveinformationinput,storage,output,anddisplaysystemsoflogicfunctions.Unbalancedsignalprocessingcircuitandthevibrationsignalfromthereferencesignalcircuit.Referencesignalcircuitformeasuringspeed,andprovidethebasisformeasuringthephaseaswellasthecenterfrequencybandpassfiltertoprovidetrackingpulse.Vibrationsignalcircuitfortheunbalancedsignaltrackingfilter,zooming.Softwarecomponentsincludesysteminitialization,selftest,rangeselection,balanceparametersettings,calibrationcoefficientsdetermined,dynamicbalancemeasurement,keyboardinterrupthandling,thedigitaldisplaymodule.UseindataprocessingComputer8098theoutstandingadvantagesofthesystemhasahighfeasibilityandcost-effective.Theprogramalsohasaversatile,canbeusedforindustrialcontrol,finance,transportationindustry,hasverybroadprospectsfordevelopment.Keywords:microcontrollervibrationsensorsdynamicbalancetest目录TOC\o"1-3"\u第1章绪论 -1-1.1选题意义 -1-1.2动平衡技术的开展 -2-1.3本文研究的主要内容 -3-第2章平衡理论和测试系统 -4-2.1转子平衡理论 -4-2.1.1 转子的分类 -4-2.1.2转子动平衡的动力学根底 -5-2.1.3转子动平衡的几个要点 -7-2.1.4影响系数法 -8-2.2 动平衡测试系统 -10-2.2.1动平衡测试仪的开展与现状 -10-第3章硬件系统的设计 -13-3.1概述 -13-3.2系统的CPU -14-3.2.1系统微处理器的选型 -14-3.2.2 封装及主要引脚功能描述 -15-3.3 单片机存储系统的扩展 -16-3.3.1程序存储器的选取 -17-3.3.2数据存储器的选取 -18-3.3.3电路设计和说明 -19-3.4单片机输入/输出接口的扩展 -21-3.4.1键盘接口电路 -21-3.4.2数码显示接口电路 -24-3.5控制局部总体结构 -25-3.5.1 地址译码 -25-3.5.2测量系统总体框图 -27-3.6模拟局部电路设计 -28-3.6.1基准信号的获得与处理 -28-3.6.2振动信号的硬件处理 -30-3.6.3 量程选择电路的设计 -34-3.7本章小结 -34-第4章软件系统的设计 -35-4.1软件系统的总体设计 -35-4.1.1系统的总体结构 -35-4.1.2软件编程语言的选择 -37-4.2系统初始化及自检模块 -38-4.2.1系统初始化 -38-4.2.2系统自检 -38-4.3 量程选择 -38-4.4平衡参数设置 -38-4.5动平衡测量模块 -39-4.5.1转速测量 -40-4.5.2不平衡量大小和相位确实定 -42-4.5.3幅相影响系数测量程序 -46-4.6键盘中断处理模块 -47-4.7数码显示模块 -48-4.8本章小结 -49-第5章总结 -50-致谢 -51-参考文献 -52-附录1：智能动平衡测试装置设计原理图 -54-第1章绪论1.1选题意义在机械设备中，旋转是一种很普遍的运动形式。日常见到的大局部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；造成机组动静局部摩擦或咬合，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、根底台板和根底之间联接的刚性，甚至使根底松裂、建筑物共振，造成严重事故。转子的振动是多种多样的，常见的振动故障为转子质量不平衡、轴线不中、轴弯曲、轴裂纹、轴承松动、根底变形、油膜涡动、高次谐波振动、随机振动等。由振动故障诊断统计说明，引起振动过大的激振力中有90％源于的不平衡力，所以转子的动平衡处理是最重要的消振工作之一。研究说明，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。动平衡是根据转子-支承系统的动力学特性，测量与转子-支承系统有关测振点振动的幅值和相位信息进而对转子进行不平衡校正，使转子-支承系统的振动减小到允许的范围以内。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动平衡技术的开展动平衡技术是随着旋转机械的。开展而开展起来的在旋转机械开展初期，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开展的需要，由此，动平衡技术开始产生、开展并日益成熟起来。动平衡机是动平衡技术的一个重要组成局部，其作用是测量并校正转子的不平衡。第一台动平衡机的出现至今已有一百多年的历史，而动平衡的迅速开展主要还是近几十年的事。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开展，动平衡机的电子测量系统逐渐取代了机械测量系统。从国外的平衡机开展过程来看，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开展。目前，国内的平衡机产品均已到达系列化生产，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开展点。1.3本文研究的主要内容本课题主要完成刚性转子的动平衡测量系统的实现。其中主要包括单片机控制系统的硬件结构及特点，软件结构、功能、以及假设干关键技术的实现。本论文的主要工作如下：(1)总结动平衡的根本理论、刚性转子的平衡原理、测量不平衡的影响系数法等。(2)仪器硬件系统的设计：包括单片机控制电路、矢量平衡控制电路、存储器扩展电路、键盘接口电路、数码显示电路、振动信号电路、基准信号电路等。主要完成基准信号的提取、振动信号的预处理和采集。(3)仪器软件系统的设计：包括系统初始化及自检模块、量程选择、平衡参数设置、动平衡测量模块、键盘中断处理模块、数码显示模块。主要介绍动平衡测量模块需要完成转速测量、DFT变换、不平衡量计算、影响系数测量的功能。第2章平衡理论和测试系统2.1转子平衡理论转子的分类大体上转子可以分为两大类：刚性转子和柔性转子。如果转子的工作转速远于一阶临界转速，此时不平衡离心力相对较小而转子的刚度较大，挠曲变形可以忽略(不平衡力引起的挠曲变形与转子偏心量相对较小)，这种转子称为刚性转子。反之，不平衡力引起的挠曲变形不能忽略的转子那么称为柔性转子(或称为挠性转子)。但是从平衡的角度来讲国际标准协会的五级分类更为细致。五级分类如下：第一级：刚性转子。转子设想为刚性的，其不平衡可以在任何两面(任意选定)上校正，校正后，其不平衡可以在转速升至最大运转速率后仍无有意义的变化。第二级：准-柔性转子。转子不能设想为刚性的，但却能在低速平衡机械中加以适当的平衡。第三级：柔性转子。转子无法在低速平衡机械中加以平衡，而需要使用到某些适宜的高速平衡技术。第四级：柔性固轴转子。转子可以归类为一级、二级或三级的转子，但本身却附加着具有挠性的构件，如风扇叶片。第五级：单速挠性转子。转子可以是第三级的转子，但因某种缘故只于一个使用转速下加以平衡而已。刚性转子与柔性转子的动力学特征有很大的不同，因而它们的平衡方法差异很大。转子动平衡的动力学根底一、转子不平衡状态的研究任何一个转子作匀速转动时，体内无数个质点都将产生惯性力，组成一个惯性力系；要确定这个转子是否为平衡转子，必须根据其惯性力系合成的结果而定，利用力学中的力系向任一点简化的原理来分析。设有一不平衡的刚性转子，其质量为m以等角速度ω绕一固定轴旋转，取其转轴上任一点o为坐标原点，转轴为z轴，并作出相应的ox及oy轴。转子质心坐标为C〔ox，oy，z〕设质心C对旋转轴z的矢径为r那么由动力学原理知,将该惯性力系向坐标原点o简化(o点称为简化中心),一般可以得到一个力(称为力系的主矢)和一个力偶M(称为力系向o点简化的主矩),这个主矢作用于o点并等于力系中所有各力的矢量和,而主矩等于力系所有各力对o点的矢量和,即公式〔2-1〕和〔2-2〕:〔2-1〕〔2-2〕式中，为质点产生的离心力，大小为，其指向离心方向，为矢径的方向，故公式〔2-3〕：〔2-3〕计算可得公式〔2-4〕：〔2-4〕其中m为转子质量。简化的主矢的大小和方向和转子质心的离心惯性力相等，只不过作用于o点同时，其大小与方向和简化中心o点的位置有关。惯性力系向o点简化的主矩可写为公式〔2-5〕：〔2-5〕式中，、及为主矩在坐标轴的投影，其大小等于力系所有各力对该轴之矩的代数和，他们都和o点的位置无关。〔2-6〕〔2-7〕〔通过z轴〕〔2-8〕式中，和均称为转子的惯性积或转子的离心转动惯量。所有公式〔2-9〕：〔2-9〕由上述分析可知，转子的惯性力向任一点简化的结果一般得到一个力〔即主矢:,作用于o点,方向和平行〕和一个力偶〔即主矩〕。转子在旋转时，主矢和主矩方向都在变化，其矢量随同转子一同旋转成为引起轴承振动的激发源。所以，转子平衡的充分必要条件是：惯性力系向任一点简化的主矢和主矩都为零，即公式〔2-10〕：〔2-10〕由=0，那么，这说明旋转轴必定通过质心C由，那么，满足此条件的转轴z在力学中称为惯性主轴，通过质心的惯性主轴称为中心惯性主轴。因此，欲消除转子对轴承的动压力必须旋转轴和中心惯性主轴重合。虽然旋轴重合，除非转子对旋转轴为中心的质量分布对称。所以，一般转子几乎都是不平衡的，需要重新调整转子的质量分布，即在某个局部加重或去重，使转子的中心惯性主轴和旋转轴一致。这时，其惯性力系能够满足〔2-10〕式，转子称为平衡的转子。二、刚性转子的动平衡刚性转子因其动刚度相当大，由不平衡离心力引起转子的挠曲在转子工作和平衡时可以忽略，因此可以用刚体力学的方法来处理其动平衡问题，这时平衡转速一般选的远低于第一临界转速，故又称为低速平衡。所以平衡刚性转子的不平衡力与不平衡力矩仅需一个或两个校正面即可。刚性转子的平衡方法主要有两种：其一是将刚性转子放在动平衡机上进行动平衡。即工艺平衡法；其二是对刚性转子进行现场整机动平衡。根据转子沿轴向的宽度又分为单校正平面平衡与双校正平面平衡。转子动平衡的几个要点一、校正面的选择消除转子的不平衡，使其处于平衡状态的操作叫做平衡校正，平衡校正是在垂直与转子轴线的平面上进行的，该平面称为校正平面。只需要在一个校正平面内校正平衡的方式称为单面平衡，在两个或多个校正平面内进行校正的方式称为双面或多面平衡。对于初始不平衡量很大，旋转时振动过大的转子，在做动平衡之前要做单面平衡，以消除静不平衡。在这种情况下，有时由于校正平面位置选不当(即重心不在选择的校正平面内)，校正静平衡后反而会使力偶不平衡增大。因此，校正最好是在重心所在的平面内进行，以减小力偶不平衡。假设重心所在的平面不允许去重时，一般应在位于重心所在平面两侧的两个平面内进行。假设知道转子的重心位置，可按如下方法求得两个平面上的校正量。设被测不平衡量为U，设离左、右校正面的距离分别为a和b，换算在左右两平面的校正分量为那么根据力学平衡方程有公式〔2-11〕：}}〔2-11〕对于刚性转子而言，一般采用双面平衡法，即可在任意选择的与轴线垂直的两个校正面内进行平衡。在可能的条件下，应尽量增加两校正平面的距离和校正半径，以取得校好的平衡效果。而对于曲轴之类的转子，由于不平衡量校正的角度位置受到限制，用两个校正平面达不到平衡效果，因此一般采用三面或五面的方式进行平衡。对于实际工作转速接近或超过临界转速的转子，在工作状态下已经呈挠性，故在平衡时必须考虑旋转引起的挠曲。当实际工作转速接近临界转速时，可用多转速两个以上校正面平衡；当转子转速远远超过一阶临界转速时，就必须采用四个校正平面以上的平衡法。二、校正平面数目和轴向位置的选取至于校正平面轴向位置的选取、主要考虑以下两点：(1)能使平衡重量在相应振型下产生较大的平衡效果；(2)在平面上加重的可能性和方便性；但是在实际平衡中，选取的校正平面不仅要平衡一阶和二阶，而且还要平衡三阶振型，要满足以上两个条件是比拟困难的。所以校正平面实际选取一般尽可能均布在转子的有效长度内，这样近似地满足上述两个条件，而且对于减少高阶不平衡量也有利。三、校正方法平衡校正就是改变转子的质量分布，使其中心惯性主轴与旋转轴线相重合而到达平衡。常用的校正方法有调整校正质量、加重或去重等。调整校正质量是通过拧入或拧出螺钉以改变校正重量的半径；或在校正面的滑槽内调整两个或几个配重块的位置，改变配重矢量和的大小和方向而到达平衡；或转动与转子同轴的两个偏心块的相对位置来改变矢量和的大小和方向而到达平衡。四、转子的动平衡精度对于一个质量为m，偏心距为e的转子，当它以角速度旋转时，产生的不平衡离心力为。统计经验说明，大量由于振动而引起机器破坏是同转速和偏心矩的乘积成正比，故引入公式〔2-12〕：〔2-12〕A-速度计量单位，其实质是由于存在不平衡导致质心偏移而产生的转子质心速度，通常也将A称为动平衡精度，A值越小那么平衡精度越高。国际标准化协会将转子的质心的速度由0.4mm/s到4000mm/s分成十一个等级，每相邻两级之比为2.5称为动平衡精度等级。化工机械常用的动平衡精度等级是G6.3即平衡精度A=6.3mm/s.影响系数法对于刚性转子可以在一个平衡转速、两个与转轴垂直的校正平面上进行平衡进行动平衡时要在与转轴垂直的两个校正平面上安放试探质量，在两个测量平面内测量振动，然后求出每个校正平面的试探质量对每个测量平面的影响系数并列出动平衡方程，最后求出校正质量的大小及其安放位置。具体方法如下：(1)在机器上选定两个测点，通常选在左右两个轴承端盖上，如有不接触的传感器备用，也可以选在轴颈上或转子上。用振动测量仪测得这两点的振动值作为平衡前的原始值.是矢量,它包括幅值(振动幅值或速度幅值)和相位角。通常在转子上做标记作为计算相位角的基准，同时设法给出基准的脉冲信号，作为测量振动相位的基准。(2)根据转子的结构选取左、右两个校正平面Ⅰ、Ⅱ，加重半径分别设为和在平面Ⅰ上加试重(其质量为相对于转子上的参考标志的方位角，顺时针计算为)，在同一平衡转速下测得左、右测点的振动为。显然，矢量及为平面Ⅰ上试重所引起的轴承振动变化，称为试重的效果矢量。方位角为零度的单位试重的效果矢量称为影响系数即公式〔2-13〕和〔2-14〕：〔2-13〕〔2-14〕(3)取走在平面Ⅱ加试重(质量为方位角为半径为)。同样测得左、右测点的振动为，从而算得效果矢量和以及其影响系数;即公式〔2-15〕和〔2-16〕(2-15)(2-16)(4)左、右校正平面中的不平衡量可由下式求得式〔2-17〕和〔2-18〕：(2-17)(2-18)(5)用解析法解得此矢量方程组的，其模表示左、右校正面上不平衡的大小，幅值表示的相位。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，使转子到达衡。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、平面别离、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，由于不可防止的机械干扰，除了不平衡量起的主振动以外，还包含各种干扰信号。特别在不平衡量比拟小的情况下，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。动平衡测试仪的开展与现状工业上存在多种动平衡测试仪器，概括起来，主要有以下几种：一、指针式动平衡仪如光电矢量瓦特计和测振仪组成的动平衡测试装置。它主要利用瓦特计良好的选频特性，从测振仪拾取的复杂振动信号中，提取转子的不平衡信号，借助指针或光点来显示不平衡信号的振幅与相位。该仪器的优点是能够同时显示振幅与相位但读数误差较大。由于是电磁机械式，结构复杂、笨重不适合于携带且没有运算功能。二、数字式动平衡仪如闪频式动平衡仪，它主要由测振仪和闪频灯组成。由测振仪测得的振动信号，经选频放大器提取转子的不平衡振动信号。不平衡信号一路通过绝对值电路，经A/D变换，由数码管显示振动幅值。另一路通过限幅电路，经微分和整流后，变成脉冲信号触发闪频灯瞬时发光，该脉冲信号刚好同出现振幅最大时的瞬间相对应。由于闪频灯闪光频率同转速同频，当用闪频灯照转子时，由于视觉残留现象，旋转的转子看上去似乎静止不动。假设事先在转子上做好等分的数字标记，就可以确定不平衡信号的相位。该仪器稳定可靠，测相直观。但测相误差较大，可达，且没有运算功能。三、基于PC机的动平衡仪该类动平衡仪以PC机为核心，用A/D卡对振动信号和基准信号进行采样。通过相关分析，提取不平衡信号的振幅与相位。该类仪器信号处理能力强、测试精度高，且有很好的用户界面，操作简单方便。但如采用普通的PC 机，携带不便，不适合现场使用。而采用便携式电脑，由于适配的A/D卡价格昂贵，使得仪器本钱陡增，限制了仪器的推广。四、基于微处理器的动平衡仪该类动平衡仪以微处理器为核心，外带扩展电路对振动信号和基准信号进行采样、处理。通过相关运算，提取不平衡信号的振幅和相位。由于单片机具有体积小、功能强、工作性能可靠等优点，同时与外围芯片结合使用，使得动平衡测试系统向着小型化、智能化、精密化方向开展。本课题测试系统的特点鉴于上述各种动平衡仪的特点，研制了以单片机为内核的智能动平衡仪。以往研制的以单片机为内核的动平衡仪大多采用8位CPU作为系统的主控核心，以发光二极管显示器或小屏幕单色液晶显示器作为显示器件。从而测试系统的整体性能不高，人机交互性不好，为了克服以上缺点，设计了新型智能化动平衡测试仪，该测试系统具有以下两个突出的特点：一、采用16位单片机为系统的主控核心由于要求系统必须能快速处理10位的A/D转换、滤波、DFT运算，本系统选用INTEL高性能16位单片机8098为测控系统的心脏，它支持两操作数、三操作数指令，具有单位指令执行时间短、A/D转换快、二分频时钟等特点，从而使系统体性能有很大的提高。二、采用彩色液晶显示屏系统采用YD-711彩色液晶显示模块作为显示器件。不仅可以显示各种字体的彩色中西文，还能以彩色图形显示转子形状等，显示的内容更为丰富和直观，人机交互性好，提高了仪器的智能化程度。有自动矢量平衡控制系统系统配置自动矢量平衡系统，在不平衡量被测得后，该系统会对不平衡器件进行补偿，是系统最终到达稳定平衡的状态，从而也能验证测量结果的正确性。第3章硬件系统的设计3.1概述作为一台智能型仪器,本系统的硬件局部在设计时要到达如下要求：(1)、有较强的数据处理能力。由于微处理器具有计算和控制能力，可采用与传统仪器不同的测量原理，简化仪器的硬件电路，并增加仪器的功能，提高仪器的精度和稳定性。同时，采用软件对测量数据进行补偿，排除或减少干扰信号引起的误差，大大提高了测量精度，也降低了对模拟电路的要求。(2)、结构标准、易于改造和更新换代。在硬件改动较小的情况下，改动软件，就可以增加新的功能。(3)、较强的接口功能。接口是CPU与外界的连接电路，对于不同的接口，仪器的功能也大不相同，本文所设计的测试仪器中的接口包括并行I/O口、计数器、A/D变换及通信接口。(4)、友好的人机界面。以键盘实现数字、命令的输入，以数码显示器实现数据的显示。控制系统的硬件设计中，应兼顾仪器的性价比。根据这一原那么，确定微处理器的型号。本次设计的动平衡测试系统，以性价比拟高的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。硬件局部分为控制局部和模拟信号电路局部，其中控制局部主要包括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；这局部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.模拟信号处理电路局部主要由振动传感器、光电编码器、振动信号电路、基准信号电路组成；这局部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系统微处理器的选型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:(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存放器的结构,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字节的存放器中，232字节是通用存放器，24字节是专用存放器，且每个通用存放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效劳过程中的局部变量制定专门的存放器，防止了中断效劳过程中需要保护存放器现场和恢复存放器现场所支付的软件开销，同时由于采用24个专用存放器来直接控制I/O功能局部，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5~6倍。(4)8098芯片中，增加了一个外设事务效劳器PTS，专门用于处理外设中断和MCS-51系列中的中断效劳过程相比，PTS效劳大大减少了CPU的软件开销。封装及主要引脚功能描述8098采用48引脚双列直插式封装如图3.2所示图3.28098引脚图引脚功能如下：VCC：主电源(+5V)。VSS：数字地。共2个VSS引脚，它们都必须接地。VPD：RAM备用电源(+5V)。VREF：片内A/D转换器的参考电压(+5V)。ANGND：A/D转换器的参考地，通常应与同电位。XTAL1：片内振荡器中反相器的输入，也是片内时钟发生器的输入。XTAL2：片内振荡器中反相器的输出。：复位信号输入端。：存储器选择输入端。ADV/ALE：地址锁存允许/地址有效输出。RD：对外部存储器的读信号(输出)。：对外部存储器的写信号(输出)。READY：准备就绪信号(输入)。HIS：高速输入部件的信号输入脚。HSO：高速输出部件的信号输出脚。P0口：4位高输入阻抗脚，这些引脚既可作为数字输入口，也可作为A/D转换的模拟输入口(ACH4ACH7)。P2口：4位多功能口。它们除了可用作标准的I/O口外，还可以用作其它特殊功能。P3口和P4口：具有漏级开路输出8位双向口。这些引脚用作多路复用地址/数据线总和地址总线，它们的引脚内部具有很强的上拉作用。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局部：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P3.7~P3.0以及P4.7~P4.0,用作地址总线时,P3口引脚编号分别AD7~AD0,P4口引脚编号为A15~A8,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.程序存储器的选取如图3.3：VPPVPPA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2VSSD3D4D5D6D7/CEA10/OEA11A9A8N.C/PGMVCC2764图3.32764PROM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3.12764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，假设超过+22V,芯片可能烧坏。数据存储器的选取图3.46264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。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3.4。其引脚含义如下A12~A0：地址输入线D8~D0：八位双向数据线：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3.5所示。它有一个使能端G，一个输出控制端，8个输入端D7~D0,8个输出端Q7~Q0。74LS373的功能见表3.2示。图3.574S373锁存器引脚图表3.274S373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D7~D0，地址线为A7~A0加上A15~A8构成的16位地址总线，其中，D7~D0和A7~A0复用构成AD7~AD0。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3.6储存器与8098接线图3.4单片机输入/输出接口的扩展键盘接口电路键盘管理模块的选型该仪器的键盘管理模块选用Intel8279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：控制与定时存放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DB0~DB7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：该局部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FIFORAM阵列。三、8279引脚及功能说明[17]8279采用40引脚的双列直插式芯片，引脚图如3.7所示图3.78279芯片引脚图(1)与CPU总线接口局部D0~D7：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)数据显示接口局部OUTA3~OUTA0：A组显示信号输出线。OUTB3~OUTB0：B组显示信号输出线。:为显示消隐(熄灭)控制线。(3)键盘接口局部SL3~SL0：键盘扫描线及显示位选控制线。RL7~RL0：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SL2~SL0作为键盘列线的位选线，RL3~RL0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SL2~SL0译出8根扫描线，选用前6根作为键盘的列，RL3~RL0作为键盘的输入线，8279读入RL3~RL0可知是否有键按下。然后通过中断转入相应的中断效劳程序。ALEALEP3¿Ú8098P4.5~P4.7/RD/WREXTINT74LS373A0RL3RL2RL1RL0CLK8279/CS/RD/WRIRQCNTLOUTB0~B3SHIFTVSSOUTA0~A3SL0SL1SL2+5V0ƬѡÒëÂëµç·13245673130292827262524¼üÅÌG1G2AG2B74LS138图3.8键盘接口电路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本钱低，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3.9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，那么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，那么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3.10数码显示电路3.5控制局部总体结构地址译码系统中需要寻址的存储器芯片有：2764、6264以及键盘的控制接口芯片8279、数码显示器。其中2764的容量为64K，地址范围为0000H~7FFFH。6264的存储容量为8K，地址范围为8000H~9FFFH。只用一个74LS138芯片，无论从A0~A15这16根地址线中任取3根地址线译码，均不能很好的译出所需的片选信号。所以，在设计中采用2片74LS138芯片来解决这个问题。74LS138是一种3-8型译码器，其引脚图如〔图3.11〕所示，引脚可分为三组：使能端(控制端)、输入端和输出端。输出端是低电平时为有效信号。使能端由G1、G2A和G2B组成，输入端为A、B、C，输出端为Y7~Y0。图3.1174LS138译码器引脚图如图3.12所示,取A13,A14,A15作为74LS138的地址输入线，74LS138的Y4用来片选存储器6264。另取A9，A10，A11作为74LS138的地址输入线，和74LS138的Y7选通线一起工作，产生Y0，Y1，Y2，片选信号，其中Y0用来片选8279芯片，Y1用来片选数码显示器，Y2~Y7用于系统其它I/O设备的片选。程序存储器2764占用前64K地址0000F~7FFFH，用地址线A15直接作为其片选信号而连接在片选脚/CE上。当A15为低电平时，选通2764芯片，当A15为高电平时那么选通其余的芯片，从而完成片选的工作。各芯片的地址分配表如3.3表所示。图3.12扩展电路片选电路图表3.3地址分配表表地址容量芯片0000H~07FFH32K272568000H~9FFFH8K6264E000H~E0FFH0.5K8279E200H~E3FFH0.5K液晶显示器测量系统总体框图控制局部总体结构如图3.13所示。光电编码器[20][21]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A14~A8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A12~A8直接和6264的高4位地址线相连接；另一方面，A15~A13和A11~A9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3.13系统总体框图3.6模拟局部电路设计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3.14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9~30V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3.15光电译码器工作原理图振动信号的硬件处理如图3.16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3.16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3.17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3.17一阶低通滤波电路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3.18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3.18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3.19所示：图3.19参考电压源4、程控信号放大电路传感器输出的电压信号比拟小，与A／D转换输入端口不匹配，必须在A／D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，选择适宜的放大倍数，更好地完成信号的放大处理，为A／D转换器提供更为精确的采集信号。图3.20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=100KΩ图3.20程控信号放大电路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，根据其大小选择适宜的量程。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。3.7本章小结本章从传感器的选型，电路的设计，主要芯片的选型以及其使用方法入手详细讨论了信号采集、存储器、输入/输出接口扩展、键盘和显示器与系统之间通信等问题。硬件设计中采用锁相倍频控制的中心频率可调的带通滤波器对振动信号进行跟踪滤波，采用光电编码器获取基准信号。第4章软件系统的设计为了节约本钱并增加仪器的功能，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、平面别离、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系统的总体结构图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：(1)可读性好，程序设计和调试方便作为高级语言，它更接近和表达人的思想。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效劳。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存放器管理等。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局部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拟，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的相关存放器和其它设备〔如LCD、8279等〕进行初始化