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旋轉機械狀態監測、故障診斷與在線預測技術、是近年來研究的熱門課題,它是對運行信息進行數據采集、特征提取和模式分配等工作,發展趨向是狀態監測與故障診斷的智能化（監測設備的強大實時信號處理能力）、系統化（強調多故障征兆信息的融合：多傳感器融合技術）、早期化（變在線采集與離線分析為在線連續采集與實時處理,變預防性維修為視情維修）和網絡化（應用基于internet的遠程檢測和專家聯合診斷技術）。因此,針對大型旋轉機械監測系統信號種類繁多、頻帶寬、動態范圍大,瞬時性強等特點,并以多種類、多通道傳感器信號高速高精度連續采集、實時狀態特征提取和測試數據壓縮的高性價比、網絡型ats（automatic testing system）為研制目標,筆者對該技術進行了較為細致地探索。 需求分析及總體設計思路 基于以上分析,大型旋轉機械狀態特征實時提取與測試數據壓縮（處理）系統應具有以下性能：應包括通信控制模塊、高速連續采集、高精度連續采集、多功能傳感器調理采集與實時處理模塊以及智能時間頻率測量模塊等,各模塊并行工作,且自帶高性能dsp,以是現在連續采集的同時進行測試數據壓縮等處理,通信控制模塊對內實現同步控制和綜合觸發,對外有網絡接口和海量數據緩存設備。高速、高精度、多功能傳感器連續采集與實時處理模塊分別對傳感器信號或電壓信號進行調理、濾波、連續采集、實時處理（數字濾波、特征提取和數據壓縮處理等）和同步傳送等,智能時間頻率測量模塊用于轉送等脈沖式傳感器信號測量,也可接入ttl信號直接進行時間計數和頻率測量。既可作為專用旋轉機械狀態檢測、特征提取和測試數據實時壓縮、又可作為通用測試平臺。 虛擬儀器（vi）整合了計算機、智能測試、模塊及總線的標準化以及數字信號處理（dsp）等技術,是建立在標準化、模塊化、積木化的硬件與軟件平臺上的一個完全開放的系統,這種vi/ats系統的體系結構如圖1所示。  系統研制 針對大型旋轉機械特征提取和測試數據實時壓縮需求分析和開放性體系結構設計、結合pc104嵌入式系統功能強、體積小、兼容性好、工作穩定、適應性強,特別是具有產品化的網絡通信和海量存儲固態盤接口等優點,整合vxi總線、多dsp（sharc）并行處理,高速緩存、vi以及網絡技術等先進技術,按照測量、控制、通信、計算機（mc3）一體化系統的思路,本著先進、實用、可靠和經濟的原則,筆者自主研發的具有實時特征提取和測試數據壓縮能力的高性價比ats如圖2所示。 在圖2中,（1）為系統機箱前視圖;（2）為系統機箱后視圖;（3）為八通道大動態范圍計數器程控模擬前端調理卡;（4）為智能計數器卡;（5）為多功能傳輸器調理及采集板;（6）為儀器內部底板總線;（7）為零槽通信控制卡;（8）為四通道高速連續采集及實時處理卡;（9）為四通道高精度連續采集及實時處理卡。 ◇零槽通信控制卡研制 筆者應用研華科技公司的pcm-3346 486 dx66-based模塊,并通過pc104 isa總線與高性能shirc adsp2106x相結合的方式研發了基于pc104嵌入式系統的零槽通信控制卡。 在該系統中,dsp作為pc104嵌入式系統的協處理器,可通過儀器總線對內管理各儀器模塊,并和pc104基于fifo一起緩沖數據池進行高速數據交換和通信控制,以支持突發式海量數據傳輸。大容量sdram可實現4m×32bit的同步數據緩存。通過高速同步串口（sport0）,可與其他系統實現分布式同步互聯;也可借助pc高速通信控制卡實現對本卡的監控調試和通信控制。對內借助總線驅動隔離和邏輯控制電路,與從功能模塊卡建立起模塊選擇（idx）、同步觸發、時鐘復位、讀寫、狀態反饋等常用儀器狀態控制信號的連接,零槽主控dsp可實現從模塊dsp/mpu的多種串行通信模式：sport1以tdm的方式可實現與最多32個從設備的高速同步通信,通過可編程io腳flagx,可模擬實現uart、i2c、spi三種常用串行通信接口,從而便的與低端mpu進行通信交換。 adi公司的sharc adsp2106x提供了共享總線所必要的控制握手信號線/br1-6、ack、/sw以及片內總線仲裁功能,功能使最多6片adsp2106x無需外部控制電路直接相連就可以組成一個存儲空間統一、dsp相互之間既緊密耦合又相對獨立、數據傳送效率極高的共享總線式并行處理系統,此外還可以通過hpi以矢量中斷驅動的方式建立主從多dsp并行處理系統,作為ats的“神經中樞”,pc104嵌入式系統主要包括cpu模塊和系統擴展模塊,cpu模塊提供標準鍵盤鼠標、crt、硬盤和10/100m以太網絡接口等,借助網絡接口對外可將機內數據快速傳送給主計算機和接收遠程控制指令,筆記本結構硬盤也可以對測試數據進行海量存儲。操作平臺為windows 98/2000,用visual c++6.0編程,主要功能是通信控制、建立監測數據庫以及確保友好的人機界面等。這種零槽通信控制卡的實物圖片如圖3所示。 在圖3中,（1）為pc104嵌入式系統isa總線接口;（2）表示pc104系統;（3）為鼠標接口;（4）為鍵盤接口;（5）為crt接口;（6）為以太網絡接口;（7）為rs485同步互聯接口;（8）為儀器底板總線接口;（9）為儀器內部總線sport口緩沖驅動;（10）為sharc dsp;（11）為dsp引導flash;（12）為儀器總線接口驅動隔離及idx產生電路等;（13）為sdram同步緩存;（14）為pc104系統isa總線與dsp之間數據交換的讀&寫fifo;（15）為pc高速通信控制卡（isa插卡）;（16）為筆記本硬盤。 ◇ 高速連續采集與實時處理卡研制 圖4所示是一種四通道高速連續采集與實時處理卡的實物圖片,這種基于ad9260的四通道高速連續采集與實時處理卡主要包括信號程控選擇（mux）、程控放大（pga）、程控衰減（dcp）、直流電平偏置、抗混迭濾波（lpf）和自校正參考源（dac）等具有自檢和自標定功能的高精度大動態范圍程控模擬前端（afe,analog front end）,在isp1的控制下,可對大動態范圍（-10-+10v）帶寬電壓信號進行智能化精密調理,直流測量精度達到了0.05%fs。利用dsp及其他數字部件（mux）,通道輸入信號可切換為內部的dac,用dac產生特定的直、交流標定信號,不僅可以標定通道的增益與零偏,而且還可自檢模擬通道的功能正確與否,由高速adc、高性能dsp和高速緩存（fifo一級緩存和sdram二級緩存）三者構成一個靈活緊湊的實時信號處理結構,保證dsp充分發揮高密度、實時信號處理能力（數字濾波、特征提取和測試數據實時壓縮等）,同時實現高速緩存、連續采樣和同步數據傳送,基于sport接口,本卡既可以接受pc的監控調試和通信控制,又可進行分布式同步互聯,通過總線接口邏輯控制isp2和驅動隔離部分,可以sport、多sharc dsp共享總線或hpi等方式建立起與零槽通信控制卡的通信控制和數據交換。 圖4中（1）為四通道afe;（2）為mux;（3）為dcp;（4）為pga;（5）為四通道串行dac;（6）為四通道高速連續采集及一級緩存;（7）為fifo一級緩存;（8）為高速adc;（9）為adc輸入直流電平偏置及抗混迭濾波電路;（10）afe及daq控制isp1;（11）為flash;（12）為sdram二級同步緩存;（13）為基于sport的pc監控調試接口;（14）為總線接口邏輯控制isp2;（15）為sharc dsp;（16）為總線驅動及隔離;（17）為儀器底板總線接口。 ◇ 高精度連續采集與實時處理卡的研制 基于cs5397的四通道高精度連續采集與實時處理卡主要包括高精度大動態范圍程控afe,如3.2所述,為了實現理想的幅頻特性,系統采用前端模擬抗混迭濾波和后端dsp數字濾波相結合的工作方式,直流測量精度可達到0.01%fs。高性能dsp和sdram構成一個靈活緊湊的實時信號處理結構,保證dsp充分發揮高精度、實時信號處理能力,同時實現高速緩存、連續采集和同步數據傳送、rs485接口為高精度采集和處理模塊提供了與pc機的命令和數據交互、與其他測控模塊實現高速同步互聯的通道,通過總線接口邏輯控制isp2和驅動隔離部分,可通過sport、多sharc dsp共享總線或hpi等方式建立與零槽通信控制卡的通信控制和數據交換,圖5所示是高精度四通道連續采集與實時處理卡的實物圖。 圖5中,（1）為四通道afe;（2）為狀態指示led;（3）為afe及daq控制isp1;（4）為雙通道高精度串行dac;（5）為dsp引導flash;（6）為sharc dsp;（7）為基于rs485的pc監控調試接口;（8）為sdram同步緩存;（9）為總線接口邏輯控制isp2;（10）為總線驅動及隔離電路;（11）為adc輸入直流電平偏置及抗混迭濾波電路;（12）為儀器底板總線接口;（13）為四通道串行dac;（14）為pga;（15）為dcp;（16）為mux。 ◇ 多功能時傳感器調理采集與實時處理卡的研制 基于ad7710的多功能傳感器調理采集與實時處理卡可由13個部件組成,其中（1）為一級程控增益放大器（pga）;（2）為狀態指示（lde）;（3）為可調精密橋源電路;（4）為sdram同步緩存;（5）為dsp引導flash;（6）為sharc dsp;（7）為基于sport口的pc監控調試接口;（8）為總線接口邏輯控制isp2;（9）為總線驅動及隔離電路;（10）為afe及daq控制isp1;（11）為雙通道高精度串行adc（ad7710）;（12）為四通道串行dac（dac7614）;（13）為儀器底板總線接口。 該卡的主要功能是對應變、壓阻、熱電阻傳感器橋路或熱點耦輸出的微弱電壓信號進行精密采集和實時處理,為實現1-10000倍的程控增益倍數,模塊采用一級放大pga202（1,10,100,1000倍）和ad7710內嵌的二級pga（1-128倍）。四通道串行dac（dac7614）為各模擬通道提供調零信號;isp1實現pga/dac/adc的程控選擇;sdram為系統提供大容量高速同步緩存,rs485接口為高精度采集和處理模塊提供了與pc機進行命令和數據交互、與其他測控模塊實現高速同步互聯的通道,基于總線接口邏輯控制isp2和驅動隔離部分,可以sport、多sharc dsp共享總線或hpi等方式建立起與零槽通信控制卡的通信控制和數據交換。 ◇ 大動態范圍計數模擬前端程控調理與智能技術卡研制 智能計數器包括大動態范圍模擬前端程控調理卡和智能技術卡兩部分,為實現對大幅值范圍（±50v）和高帶寬（1hz-10mhz）的正弦波、三角波或鋸齒波三種周期性信號的程控調理。系統采用繼電器和電阻電容網絡首先對輸入信號進行隔直、程控衰減、經二極管限壓保護電路后,進行25倍的精密放大;高性能單片機msp430f149對半波整流輸出進行峰值檢測,據此對程控衰減倍數（1,1/10,1/100）進行自適應調整,緩沖整形電路輸出標準ttl電平送往計數器模塊。 計數器模塊采用isp硬件加dsp軟件相結合,可靈活實現超高范圍的高性能智能計數：累加技術范圍232-1,原則上計數器字寬不受限制,頻率測量精度可達到1×10-6;既可統一選擇外部閘門信號,又能通道1-8互為閘門信號。rs232接口為智能計數器卡的pc監控調試接口,智能計數器卡基于sport、模擬前端程控調理卡（mpu）基于spi通信接口通過儀器底板總線分別建立起來與零槽通信控制卡的通信控制和數據交換。 這種大動態范圍計數模擬前端程控調理與智能計數卡可由以下20個部件組成：其中（1）為隔直及輸入阻抗匹配;（2）為程控r&c衰減網絡;（3）為限壓保護電路;（4）為基于三極管的阻抗隔離電路;（5）為帶寬精密放大電路。（6）為帶寬放大器調零電路;（7）為半波整流電路;（8）為施密特觸發整形電路;（9）為峰值檢測輸出;（10）為緩沖驅動電路;（11）為單通道大動態范圍及其程控模擬前端調理電路;（12）為八通道計數模擬前端調理底板;（13）為計數信號數據驅動隔離;（14）為基于isp的8通道智能計數模塊;（15）為計數前端程控調理控制器板;（16）為基于rs232的pc監控調試接口;（17）為儀器底板總線接口;（18）為sport口緩沖驅動;（19）為sharc dsp小系統,包括dsp,fdash等;（20）為智能計數器卡。 結束語 數字信號處理解決方案（dsp）是數字化時代解決電子儀器開放式體系結構（osa）設計的必要技術環節。應用高性能dsp作為系統控制和數據處理的主芯片,構成多dsp分布式、并行處理系統,充分發揮系統實時信號處理和海量數據的吞吐能力,仿vxi/pxi先進總線技術,設計專門的背板式儀器總線,用于內部控制和數據交換,實現了模塊化、標準化、通用化的開放式結構,專門的儀器同步互聯接口和100m以太網接口,用于與其他測試系統同步互聯及pc機遠程操作與調試,便于大型分布式測試系統的組建與同步互聯、同步控制以及綜合觸發等。本系統得成功研制,對分布式同步互聯型測控網體系結構和高端ats的國產化等進行了有意的探索,在x代步兵戰車發動機綜合闡述動態測試、裝甲車載荷譜測試中取得了良好的應用效果,在大型旋轉機械連續采集和實時壓縮以及遠程狀態監測和故障診斷領域有著廣泛的應用價值;可實時地全部測試振動（應力）測量中最主要的9項評估指標;頻率精度、幅值精度、阻尼比、相位差、失真度、靈敏度、抗混迭濾波衰減陡度、模態參數和振型,各個高性價比功能模塊卡都可自成系統,可對各種常用工業傳感器信號進行高速高精度連續采集、實時處理和同步傳送,在智能儀器、ats和軍用ate中有可移植性。 |
