（儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）基于arm7的機(jī)械故障診斷儀.pdf

摘要 針對(duì)當(dāng)前國內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷領(lǐng)域?qū)Ω呔?高速率要求的信號(hào)分析儀器 的需求 本文設(shè)計(jì)研發(fā)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 的機(jī)械 故障診斷儀 按照功能劃分 機(jī)械故障診斷儀分為數(shù)據(jù)采集器 動(dòng)平衡儀 動(dòng)態(tài)分析儀三個(gè)組 成部分 其中動(dòng)平衡儀主要應(yīng)用影響系數(shù)法 又叫測(cè)相平衡法 對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)子由于不平 衡造成的故障進(jìn)行分析和校正 數(shù)據(jù)采集器和動(dòng)態(tài)分析儀主要將光電傳感器采集的模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) 再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換 f f t 通過頻譜分析來進(jìn)行 故障診斷和分析 同時(shí)該機(jī)械故障診斷儀采用u s b 通信將數(shù)據(jù)傳到p c 機(jī) 機(jī)械故障診斷儀的技術(shù)指標(biāo)為 振動(dòng)測(cè)量和頻譜分析頻率響應(yīng)在l o h z i o k h z 動(dòng) 平衡轉(zhuǎn)速范圍在1 8 0 2 4 0 0 0 轉(zhuǎn) 分 自動(dòng)量程和手動(dòng)量程可選 頻譜分析頻程按1 2 5 分檔共8 檔 振動(dòng)測(cè)量和頻譜分析的最大量程和最高分辨率分別為 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 絡(luò)有效值2 5 m s 2 和0 1 m s 2 電壓有效值1 0v 和0 1m v 振動(dòng)測(cè)量精度5 可接多 種類型傳感器 速度 電渦流 壓電加速度等 8 階橢圓抗混濾波 轉(zhuǎn)速跟蹤帶通濾波 可充電池供電 連續(xù)工作1 0 小時(shí)以上 體積小 2 1 0 1 3 0 4 0 m m 重量輕 1 2 0 0 9 關(guān)鍵詞 影響系數(shù)法故障診斷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 歷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 長舂理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的碩士學(xué)位論文 基于a r m 7 的機(jī)械故障診斷儀 是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下 獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果 除文中已經(jīng)注明 引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成 果 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本 人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 作者簽名 三巨遂強(qiáng) 2 必 蘭月 塹目 長春理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解 長春理工大學(xué)碩士 博士學(xué)位論文版 權(quán)使用規(guī)定 同意長春理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的 復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)長春理工大學(xué)可以將本學(xué)位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 也可采用影印 縮印或掃描等 復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文 作者繇柵上瞬土月監(jiān)日 指導(dǎo)導(dǎo)師簽名 1 1 引言 第一章緒論 設(shè)備故障診斷的任務(wù) 5 l 是監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài) 判斷其是否正常 預(yù)測(cè)和診斷設(shè)備的 故障并消除故障 指導(dǎo)設(shè)備的管理和維修 狀態(tài)監(jiān)測(cè)的任務(wù)是了解和掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài) 包括采用各種檢測(cè) 測(cè)量 監(jiān)視 分析和判別方法 結(jié)合系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀 考慮環(huán)境因素 對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估 判斷其處于正常或非正常狀態(tài) 并對(duì)狀態(tài)進(jìn)行顯示和記錄 對(duì)異常狀態(tài)做出報(bào)警 以 便運(yùn)行人員及時(shí)加以處理 并為設(shè)備的故障分析 性能評(píng)估 合理使用和安全工作提 供信息和準(zhǔn)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 故障診斷的任務(wù)是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)所獲得的信息 結(jié)合已知的結(jié)構(gòu)特性和參數(shù)以及 環(huán)境條件 結(jié)合該設(shè)備的運(yùn)行歷史 包括運(yùn)行記錄和曾發(fā)生過的故障及維修記錄等 對(duì)設(shè)備可能要發(fā)生的或已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)報(bào)和分析 判斷 確定故障的性質(zhì) 類 別 程度 原因 部位等 指出故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢(shì)及后果 提出控制故障繼續(xù)發(fā) 展和消除故障的調(diào)整 維修 治理的對(duì)策措施 并加以實(shí)施 最終使設(shè)備復(fù)原到正常 狀態(tài) 1 2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的意義和目的 機(jī)械故障診斷是本世紀(jì)六七十年代產(chǎn)生并發(fā)展起來的 i 綜合性邊緣學(xué)科 隨著 現(xiàn)代設(shè)備的日趨大型化 復(fù)雜化 自動(dòng)化和連續(xù)化 設(shè)備一旦發(fā)生故障 給生產(chǎn)和質(zhì) 量以至人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成的影響往往大的難以估計(jì) 國內(nèi)外曾經(jīng)發(fā)生的各種空 難 爆炸 斷裂 倒塌等惡性事故 造成了人員的傷亡 產(chǎn)生了嚴(yán)重的社會(huì)影響 即 使是經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的事故 也因生產(chǎn)過程不能正常運(yùn)行或機(jī)器損壞而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損 失 為使這一占有重要地位的設(shè)備維修工作更加高效而科學(xué) 就必須對(duì)維修對(duì)象 設(shè)備的劣化 故障狀態(tài) 故障部位及其原因有正確的了解 另一方面 信息傳感技術(shù) 信號(hào)處理技術(shù)以及現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)等有關(guān)學(xué)科的發(fā)展 特別是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā) 展 為設(shè)備故障診斷提供了極大的技術(shù)支持 促進(jìn)了機(jī)械故障診斷技術(shù)迅速發(fā)展 現(xiàn)代設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性取決于兩個(gè)方面 一是設(shè)備設(shè)計(jì)與制造的各項(xiàng)技 術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn) 另一方面就是設(shè)備安裝 運(yùn)行 管理 維修和診斷措施的實(shí)施 事實(shí) 上 如果加強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作 許多事故可以防患于未然 從而減少故障停 機(jī)率 延長設(shè)備檢修周期 大幅降低維修費(fèi)用 縮短維修時(shí)間 極大地提高經(jīng)濟(jì)效盞 據(jù)統(tǒng)計(jì) 在采用診斷技術(shù)改善設(shè)備維修方式的方法后 事故率可減少7 5 維修費(fèi)用 可降低2 5 5 0 我國僅1 9 8 7 年一年通過故障診斷技術(shù)應(yīng)用所取得的經(jīng)濟(jì)效益就達(dá)到 了數(shù)百億元 因此 設(shè)備故障診斷技術(shù)在保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行 以及獲取巨大的 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益上 其意義是十分明顯的 故障診斷的目的是 1 能及時(shí)地 正確地對(duì)各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷 預(yù)防或消除故障 對(duì) 設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行必要的指導(dǎo) 提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性 安全性和有效性 以期 把故障損失降到最低水平 2 保證設(shè)備發(fā)揮最大的設(shè)計(jì)能力 制定合理的檢測(cè)維修制度 以便在允許的條件 下充分挖掘設(shè)備潛力 延長服役期限和使用壽命 降低設(shè)備全壽命周期費(fèi)用 3 通過檢測(cè)監(jiān)視 故障分析 性能評(píng)估等 為設(shè)備結(jié)構(gòu)修改 優(yōu)化設(shè)計(jì) 合理制 造及生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)和信息 1 3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的發(fā)展現(xiàn)狀 測(cè)量信號(hào)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的處理與分析 是設(shè)備故障診斷的前提和基礎(chǔ) 它們代表了 系統(tǒng)的狀態(tài)和特征 與其他方法相比 振動(dòng)診斷技術(shù)由于具有理論基礎(chǔ)雄厚 分析測(cè) 試設(shè)備完善 診斷結(jié)果準(zhǔn)確可靠 便于實(shí)時(shí)診斷等諸多優(yōu)點(diǎn)而在機(jī)械故障診斷的整個(gè) 技術(shù)體系中居于主導(dǎo)地位 機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的振動(dòng)及其特征信息是 反映系統(tǒng)狀態(tài)及其變化規(guī)律的主要信號(hào) 通過各種動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器拾取 記錄和分析動(dòng) 態(tài)信號(hào) 是進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)鍘和故障診斷的主要途徑 機(jī)械設(shè)備故障診斷儀器和系統(tǒng)的開發(fā)是為該項(xiàng)技術(shù) 設(shè)備故障診斷技術(shù) 的發(fā)展 服務(wù) 注重于信號(hào)的采集和處理方法的研究 并逐步開始以微機(jī)為架構(gòu) 開發(fā)出不同 類型的以頻譜分析為主的振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng) 隨著機(jī)械行業(yè)對(duì)信號(hào)處理技術(shù)的認(rèn)識(shí)和 掌握 以及微型計(jì)算機(jī) 單片機(jī) 單板機(jī)的普及 開始出現(xiàn)以微機(jī) 單板機(jī) 單片機(jī) 為核心結(jié)構(gòu)的用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用的監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng) 機(jī)械設(shè)備故障診斷儀就是面向現(xiàn)場(chǎng)的手持式振動(dòng)采集分析儀器 隨著設(shè)備高度密 集型產(chǎn)業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大 以及自動(dòng)化 智能化儀器的廣泛推廣 機(jī)械設(shè)備故障診斷 儀在設(shè)備檢測(cè) 故障診斷中應(yīng)用越來越廣泛 性能也不斷提高 其在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮 的作用也越來越得到企業(yè)的承認(rèn) 最初的機(jī)械設(shè)備故障診斷儀由國外廠商推出 采用8 位單片機(jī)為核心 隨著微電 子技術(shù)的不斷發(fā)展 新的單片機(jī)不斷問世 十六位 三十二位單片機(jī)的也為數(shù)據(jù)采 集器生產(chǎn)廠家所采用 近日 采用具有d s p 功能的數(shù)據(jù)采集器也已投入市場(chǎng) 伴隨 著高性能單片機(jī)的采用和用戶技術(shù)要求的不斷提高 機(jī)械設(shè)備故障診斷儀的功能也 越來越完善 機(jī)械設(shè)備故障診斷儀功能的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 首先 采 樣通道由單通道發(fā)展到雙通道 多通道 采樣頻率 分辨率 精度逐步提高 為分 析功能的加強(qiáng)提供了前提條件 第二 分析功能也由簡單的測(cè)振發(fā)展到較完善的 信號(hào)分析系統(tǒng) 時(shí)域分析 頻域分析 矢量分析 傳函分析 相關(guān)等分析手段為故 障診斷提供了豐富的數(shù)據(jù) 三維譜 起停車分析曲線等直接面對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷 的分析功能的引入更使機(jī)械設(shè)備故障診斷儀進(jìn)入一個(gè)新領(lǐng)域 第三 頻率分辨率越 來越高 細(xì)化功能越來越強(qiáng) 信號(hào)分析的結(jié)果越來越精確 從而更準(zhǔn)確地判斷出故 2 障的原因 第四 顯示能力的進(jìn)一步加強(qiáng) 機(jī)械設(shè)備故障診斷儀通常采用液晶顯示 液晶顯示器也由單一的數(shù)字顯示過渡到圖形顯示 液晶顯示器的點(diǎn)陣數(shù)也不斷提 高 顯示越來越清晰美觀 可以說 機(jī)械設(shè)備故障診斷儀的發(fā)展已進(jìn)入了一個(gè)新階 段 目前 市場(chǎng)上國外的機(jī)械設(shè)備故障診斷儀產(chǎn)品有美國e n t e k 公司的d 1 2 2 0 0 d p l 5 0 0 等 丹麥b k 公司的系列產(chǎn)品 國外產(chǎn)品進(jìn)入我國市場(chǎng)較早 但就當(dāng)前市 場(chǎng)而言 沒有占據(jù)市場(chǎng)的主要份額 主要原因是高昂的價(jià)格和非漢化的操作界面使 其推廣受到限制 九十年代以后國內(nèi)開始自行開發(fā)研制機(jī)械設(shè)備故障診斷儀 并迅速發(fā)展 水平不 斷提高 有的產(chǎn)品已形成系列 并以價(jià)格優(yōu)勢(shì)占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo) 目前 國內(nèi)生產(chǎn)機(jī)械設(shè) 備故障診斷儀的廠家很多 多以高?；蚩蒲性核鶠橹?或以之為依托 大部分未形成 規(guī)模 如 西北工業(yè)大學(xué) 西安熱工所 大連理工大學(xué) 航空總公司六三三所等 都 有機(jī)械設(shè)備故障診斷儀的開發(fā)及銷售 由于國內(nèi)的機(jī)械設(shè)備故障診斷儀生產(chǎn)多采用i n t e l5 t 系列或i n t e l9 6 系列 c p u 是國內(nèi)數(shù)據(jù)采集器在許多方面有難以克服的缺點(diǎn) 與國外同類產(chǎn)品相比 國 內(nèi)數(shù)據(jù)采集器性能指標(biāo)有較大的差距 這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 1 運(yùn)算能力差 速度慢 精度低 尤其是浮點(diǎn)運(yùn)算能力限制了技術(shù)指標(biāo)的進(jìn)一 步提高 2 存儲(chǔ)容量小 受c p u 本身特性的限制 對(duì)存儲(chǔ)容量的增加缺乏有效的手段 存儲(chǔ)容量對(duì)數(shù)據(jù)采集器的功能影響很大 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的限制使械設(shè)備故障診斷儀 所能記錄的點(diǎn)數(shù) 參數(shù)個(gè)數(shù)減少 每次采集的點(diǎn)數(shù)也受到限制 從而影響分辨率和 精度 而很小的程序空間 限制了械設(shè)備故障診斷儀分析功能的擴(kuò)展 影響了械設(shè) 備故障診斷儀在故障診斷中作用的發(fā)揮 3 分辨率低 細(xì)化功能差 這主要受采樣頻率 分析點(diǎn)數(shù)等的限制 同時(shí)影響 了械設(shè)備故障診斷儀的分析精度 4 顯示功能弱 使用不方便 目前國內(nèi)較好的械設(shè)備故障診斷儀顯示系統(tǒng)多采 用了點(diǎn)陣的圖形液晶 但點(diǎn)陣較低 圖形粗糙 許多械設(shè)備故障診斷儀只采用數(shù)字 或字符顯示 無法滿足頻譜分析的要求 基于以上原因 各科研單位及械設(shè)備故障診斷僅生產(chǎn)廠家正積極開發(fā)新一代的械 設(shè)備故障診斷儀 如采用高性能的嵌入式芯片 或帶有數(shù)字信號(hào)處理功能的芯片等 1 4 本論文研究目的和任務(wù) 國內(nèi)信號(hào)分析儀的發(fā)展現(xiàn)狀使得加快基于a r m 7 的信號(hào)分析儀器的理論研究 設(shè)計(jì)開發(fā)滿足高精度 高速率要求的信號(hào)分析儀器 就成為當(dāng)前國內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故 障診斷領(lǐng)域的一個(gè)重要課題 研究與實(shí)踐證明 基于a r m 7 的信號(hào)分析儀器在技 術(shù)上是可行的 具有極其光明的前景 北京市盛迪振通科技有限公司是一家集研發(fā) 生產(chǎn) 銷售和維護(hù)為一體的便攜 3 式振動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析設(shè)備制造商 從8 0 年代末自主研制開發(fā)國產(chǎn)自有品牌的高精 度 便攜式微型振動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析設(shè)備 憑借卓越的產(chǎn)品質(zhì)量 低廉的銷售價(jià)格和 完善的售后服務(wù) 奠定了自己在市場(chǎng)中不可動(dòng)搖的地位 在國內(nèi)廣大企事業(yè)單位中 享有極高的聲譽(yù) 該公司從9 0 年代后期開始著眼于基于a r m 的信號(hào)分析儀器的 開發(fā) 但一直由于硬件電路工作不夠穩(wěn)定 功耗較大等問題 沒能夠形成最后產(chǎn)品 本次論文的目的就是與振通公司合作 吸取前面設(shè)計(jì)的不足之處 針對(duì)客戶反映的 問題及建議 對(duì)硬件重新設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)目標(biāo)有以下幾點(diǎn) 1 c p u 的選擇要具有體積小 速度快 低功耗的特點(diǎn) 大尋址空間 應(yīng)有1 m 以 上的直接尋址能力 合適的i 0 口空間及通訊能力 同時(shí)要考慮到與公司已 開發(fā)軟件的兼容性及今后發(fā)展的要求 2 外圍器件的選型在工作穩(wěn)定 低功耗的前提下 盡可能選擇大容量 高精度 高速率的器件 基于以上的要求 本論文任務(wù)包含以下內(nèi)容 按照要求完成包括c p u 在內(nèi)的 所有器件的選型 硬件電路原理圖及p c b 板圖的繪制 最小系統(tǒng)及硬件電路的調(diào) 試 系統(tǒng)程序及底層驅(qū)動(dòng)編寫 調(diào)試 信號(hào)處理算法的確定和程序的編寫等 4 第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 2 1 動(dòng)平衡部分基本原理 一 關(guān)于不平衡的基礎(chǔ)知識(shí) 機(jī)械故障診斷儀中的動(dòng)平衡部分主要應(yīng)用影響系數(shù)法對(duì)故障進(jìn)行診斷和校正 轉(zhuǎn)子不平衡分為靜不平衡和力偶不平衡 如圖2 1 所示 靜不平衡力偶不平衡 o 圖2 1 引起不平衡的原因很多 主要包括轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu)不對(duì)稱 材質(zhì)不均勻 制造誤差 安裝誤差 運(yùn)行中零部件的變形 移位 結(jié)垢 破損 不平衡的危害有幾方面 轉(zhuǎn) 子振動(dòng)和應(yīng)力大 運(yùn)行不安全 惡化環(huán)境 浪費(fèi)能源 產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量下降等 不平衡故障的特征包括振動(dòng)頻率主要是轉(zhuǎn)速頻率 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈振動(dòng)一次一 單峰頻譜 波形近似為正弦波 水平和垂直方向的相位相差9 0 振幅隨轉(zhuǎn)速提高 而增加 判斷出機(jī)械振動(dòng)故障是因?yàn)椴黄胶庖鸬闹?就可以影響系數(shù)法 又叫測(cè)相 平衡法 進(jìn)行分析校正 二 影響系數(shù)法原理 1 單平面校正 對(duì)薄狀另件 在平衡面上配置重塊來消除軸承的振動(dòng) 設(shè)轉(zhuǎn)子的不平衡矢量為u o 由此不平衡產(chǎn)生軸承上的振動(dòng)矢量為a 0 初始測(cè)量得到振動(dòng)矢量a o h o a o u o 2 1 1 a 0 為影響系數(shù) 表示為不平衡矢量對(duì)軸承振動(dòng)的影響 當(dāng)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)條件 轉(zhuǎn)速一定時(shí)a o 為不變的矢量 在校正平面上已知位置加一己知試 5 f b lo 將k 重u 1 時(shí) 軸承振動(dòng)矢量為 試測(cè)一得到振動(dòng)矢量a 1 h l a o u o u 1 2 2 2 由上面的兩個(gè)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 的大小與不平衡量u o 的大小相等 方向相反 2 雙面校正 設(shè)轉(zhuǎn)子的左 右平面上不平衡量為u 0 1 和u 0 2 左 右支承上的振動(dòng)矢量分別為 a 0 和b 0 初始測(cè)量 可得到左 右支承上的振動(dòng)矢量分別為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 試測(cè)一得到振動(dòng)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 則兩 支承的振動(dòng)為 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 試測(cè)二得到振動(dòng)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 則兩支承的振動(dòng)為 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 從上面的式子里可以計(jì)算出影響系數(shù)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 的大小分別與不平衡量u o u 0 2 的大小相等 方向相反 單面平衡的作圖解法如圖2 2 圖2 2 6 飛 作a 0 和a 1 求其差為a 卜a 0 矢量a i a o 和a 0 之間的夾角為咖 把試重q 按巾的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一巾角 此即為校正重的正確方位 校正重p 的大小為 q 南 2 1 1 三 單面動(dòng)平衡的工作流程 單面平衡采用了影響系數(shù)法 又叫轉(zhuǎn)子的單面測(cè)相平衡法 顧名思義 在測(cè)量轉(zhuǎn) 子基頻振動(dòng)的幅值時(shí) 還需要對(duì)基頻振動(dòng)的相位進(jìn)行測(cè)量 對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行單面動(dòng)平衡的 工作流程如圖2 3 具體步驟為 圖2 3 7 首先測(cè)取轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下的初始基頻振動(dòng)矢量a 0 選擇合適的試重m 加到轉(zhuǎn)子上 測(cè)量加試重后轉(zhuǎn)子在相同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)矢量a l 轉(zhuǎn)子上應(yīng)加平衡重量 矢量形式 按下式計(jì)算 q 嘲 a o a i a o 2 1 2 由于轉(zhuǎn)子不平衡離心力與轉(zhuǎn)速有關(guān) 動(dòng)平衡過程中 所有的振動(dòng)測(cè)量都應(yīng)保證在同一 轉(zhuǎn)速下進(jìn)行 雙面動(dòng)平衡的工作流程 幾乎所有的單跨轉(zhuǎn)子的平衡都可用雙面動(dòng)平衡法實(shí)現(xiàn) 單面平衡也是雙面平衡的 一個(gè)特例 進(jìn)行轉(zhuǎn)子的雙面動(dòng)平衡時(shí) 需要兩個(gè)加試重平面以及兩個(gè)測(cè)試點(diǎn) 雙面動(dòng) 平衡采用的仍然是影響系數(shù)法 與單面動(dòng)平衡不同的是 在其中的一個(gè)面上加試重時(shí) 需要同時(shí)對(duì)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量 即要考慮交叉效應(yīng) 這樣 雙面動(dòng)平衡法將有 四個(gè)影響系數(shù) 如圖2 4 具體步驟為 測(cè)量兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的初始振動(dòng) 第一面加試重 測(cè)量兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng) 第二面加試重 測(cè)量兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng) 計(jì)算出影響系數(shù) 給出平衡配重結(jié)果 如果已知道影響系數(shù) 則可越過步驟2 和3 直接輸入影響系數(shù) 得到平衡配重結(jié)果 2 2 數(shù)據(jù)采集器和動(dòng)態(tài)分析部分基本原理 數(shù)據(jù)采集器和動(dòng)態(tài)分析部分主要以對(duì)傳感器采集的電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理以后進(jìn) 行a d 轉(zhuǎn)換 對(duì)轉(zhuǎn)換完得到的數(shù)組進(jìn)行f f t 做出信號(hào)的頻譜 從而分析診斷機(jī)械故障 其中傳感器可以選擇電荷傳感器和電壓傳感器兩種測(cè)量方式 電荷傳感器采集的信 號(hào)經(jīng)過電荷放大器 積分電路得到了加速度 速度 位移 電壓傳感器采集電壓信號(hào) 用以下測(cè)量參數(shù)與振動(dòng)故障指標(biāo)建立聯(lián)系 d i s 位移峰峰值 即振動(dòng)正 負(fù)兩個(gè)方向間的最大振動(dòng)距離 常用于 機(jī)器零部間的間隙要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)合 如在滑動(dòng)軸承中運(yùn)行的葉片轉(zhuǎn) 子 峰峰值常用 作下標(biāo)表示 如位移峰峰值常表示為d 或s 忡 v e l 速度有效值 又稱振動(dòng)烈度 是評(píng)價(jià)機(jī)器振動(dòng)強(qiáng)烈程度的常用參數(shù) 它定義為 振動(dòng)速度的均方根值 直接反映振動(dòng)的能量 有效值一般用 作下標(biāo)表示 速度 有效值常表示為v a c e 加速度峰值 峰值定義為振動(dòng)偏離零位的最大幅度 一般以下標(biāo) 表示 如加速度峰值常表示為a 9 0 4 9 0 7 采用的是等效峰值 或計(jì)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 高頻加速度包絡(luò)有效值 即濾掉了和轉(zhuǎn)軸有關(guān)的各種低頻分量后 8 的高頻加速度信號(hào)的包絡(luò)信號(hào)的有效值 它主要反映了由于滾動(dòng)軸承內(nèi) 外環(huán)或滾動(dòng)元件表面點(diǎn)蝕 剝落 裂紋等損傷所產(chǎn)生的沖擊大小 v o l 電壓 用于配接輸出電壓信號(hào)的其它傳感器 如磁電式速度傳感 器 電渦流位移傳感器等 圖2 4 9 對(duì)于上述各種測(cè)量方式和測(cè)量參數(shù) 必須根據(jù)所要監(jiān)測(cè)的設(shè)備的特 點(diǎn) 各種參數(shù)的頻率范圍 對(duì)不同異常的敏感度來選擇 下面的圖表可供 參考 選擇的首要原則是能夠提供最大信息量 其次是實(shí)施方便 l 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 h z 戥市 參 位移 涑摩 數(shù)加諫席 不平衡 壓力脈沖 齒輪 氣穴 主要異常不對(duì)中滾動(dòng)軸承沖擊 滑動(dòng)軸承葉輪通過時(shí)引起的振動(dòng)迷宮式密封接觸 圖2 5 2 3 總體方案設(shè)計(jì) 根據(jù)市場(chǎng)的要求 確定系統(tǒng)要求為 1 數(shù)據(jù)采集器是采用電池供電的手持型儀器 在滿足需要的前提下 要盡量選擇 功耗低 體積小的元件 2 電路設(shè)計(jì)力求簡潔 可靠 盡量采用集成度高的芯片 3 要求處理器的信號(hào)處理能力強(qiáng) 可擴(kuò)展的尋址空問大 有良好的外圍接口 便 于今后的進(jìn)一步開發(fā) 4 有友好的人機(jī)界面 便于操作 5 適當(dāng)?shù)脑骷r(jià)格 盡量降低開發(fā)和生產(chǎn)成本 c p u 是數(shù)據(jù)采集器的系統(tǒng)核心 它的選擇將決定儀器的總體結(jié)構(gòu) 開發(fā)系統(tǒng) 功能是否強(qiáng)大 工作是否可靠 是否便于開發(fā) 以及價(jià)格是否適當(dāng)?shù)榷喾矫嬉蛩囟?得綜合考慮 經(jīng)過多方面的調(diào)研與咨詢 對(duì)目前市場(chǎng)上滿足要求的處理器作如下比 較 5 1 系列單片機(jī)是8 位單片機(jī) 也是現(xiàn)在市場(chǎng)上最為流行的單片機(jī)之一 它具 有品種全 兼容性強(qiáng) 軟硬件資料豐富等特點(diǎn) 且隨著各大廠商紛紛推出了功能強(qiáng) 大的產(chǎn)品 使5 1 系列單片機(jī)的處理速度和集成度有了較大的提高 以現(xiàn)在市場(chǎng)上 大受歡迎的美國c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 為例 它的主頻為2 5 m h z 片上集 成了6 4 k 字節(jié)的f l a s h 4 k 字節(jié)的高速r a m 個(gè)8 通道1 2 位的a d c 溫度 傳感器等 兼容諸如1 2 c s p i 等總線結(jié)構(gòu) 其他公司還推出了一些集成c a n 總 線控制器或u s b 接口的5 1 系列單片機(jī) 這些功能的增加使得5 1 系列單片機(jī)在工 業(yè)控制領(lǐng)域具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力 但由于處理速度相對(duì)較慢且可擴(kuò)展的空間較小 對(duì) l o 于大量數(shù)據(jù)的處理就顯得力不從心了 而諸如i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 系列的1 6 位 單片機(jī)也只是在處理速度上比5 l 系列有了一些提高 也并不能滿足大量信號(hào)處理 工作的要求 a r m 7 系列微處理器為低功耗的3 2 位r i s c 處理器 最適合用于對(duì)價(jià)位和功耗要求 較高的消費(fèi)類應(yīng)用 a r m 7 微處理器系列具有如下特點(diǎn) 具有嵌入式i c e r t 邏輯 調(diào)試開發(fā)方便 極低的功耗 適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用 如便攜式產(chǎn)品 能夠提供0 9 h i p s 吼z 的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu) 代碼密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集 對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛 包括w i n d o w sc e l i n u x p a l mo s 等 指令系統(tǒng)與a r m 9 系列 a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容 便于用戶的產(chǎn)品升級(jí)換代 主頻最高可達(dá)1 3 0 h i p s 高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用 本文選擇的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 處理器小引腳數(shù)f l a s h 微處理器家族的一員 它擁有2 5 6 k 字節(jié)的高速f l a s h 和1 6 k 字節(jié)的s r a m 車富的 外設(shè)資源 包括一個(gè)u s h 2 0 設(shè)備 使外部器件數(shù)目減至最低的完整系統(tǒng)功能集 這個(gè)芯片具有體積小 功耗低 價(jià)格合理 存儲(chǔ)容量大 速度快等特點(diǎn) 因此是性 價(jià)比較高的理想選擇 根據(jù)系統(tǒng)要求 市場(chǎng)調(diào)研情況以及相關(guān)器件的發(fā)展水平 確定了系統(tǒng)的硬件結(jié) 構(gòu)各組成部分如下 c p u 采用a t 9 1 s u m 7 s 2 5 6 5 5 m h z 的時(shí)鐘頻率 程序存儲(chǔ)器采用a t 9 1 s u m t s 2 5 6 片內(nèi)2 5 6 k 字節(jié)高速f l a s h 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用a t 9 1 s u m 7 s 2 5 6 片內(nèi)1 6 k 字節(jié)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 其容量為8 1 9 2 頁 1 0 5 6 字節(jié) 頁 利用a t 9 1 s u m t s 2 5 6 片內(nèi)u s b 器件端口u d p 通過u s b 口與上位機(jī)通訊 采用t 6 9 6 3 c 型號(hào)2 4 0 1 2 8 點(diǎn)陣的液晶顯示分析結(jié)果 采用非編碼的薄膜鍵盤進(jìn)行功能選擇 第三章硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括三部分 第一部分為電源供電系統(tǒng) 它包含了電池 電源 開關(guān)和必要的d c d c 變換器 以便為系統(tǒng)的各個(gè)部分提供所需的動(dòng)力 第二部分 為模擬電路部分 包括a d 的前置電路即模擬信號(hào)的采集 選通 放大 濾波 第三部分為數(shù)字電路部分 包括a r m 微控制器 邏輯控制芯片 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 鍵 盤 液晶顯示電路和通訊接口等功能模塊 下面分別加以介紹 3 1 電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 作為一個(gè)系統(tǒng)的原動(dòng)力 電源常常被認(rèn)為是整個(gè)系統(tǒng)的心臟 電源配置時(shí)應(yīng)充 分考慮到干擾的隔離與抑制 另外對(duì)于不同的信號(hào)調(diào)節(jié)電路中的芯片 如運(yùn)算放大 器其電源有特殊要求 隨著變換電路選用一些特殊芯片時(shí) 也要求有特殊的供電 因此 應(yīng)根據(jù)電路配置狀況很好地解決電源供給問題 d c d c 變換器是信號(hào)拾取通道中的理想化固體電源 它們可以為信號(hào)拾取通 道的各種模擬電路提供隔離電源 并可以將電路浮置起來而與其它地線無關(guān) d c d c 變換器的輸入回路與輸出回路是隔離的 這樣通過選用d c d c 變換器就切 斷了系統(tǒng)主電源與信號(hào)拾取通道電源間的干擾渠道 有效地實(shí)現(xiàn)了電源隔離 對(duì)于 用電池供電的系統(tǒng)來說 最大的問題是隨著電池的使用 其儲(chǔ)存的能量逐漸消耗 將產(chǎn)生電壓不穩(wěn)的問題 不但會(huì)引起系統(tǒng)工作不正常 嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致元器件 的損壞 在電池供電系統(tǒng)中選擇開關(guān)型d c d c 轉(zhuǎn)換器可以獲得較高的效率和較低 的熱耗 從而可有效延長電池的使用壽命 同時(shí)通過在輸出級(jí)添加適當(dāng)?shù)臑V波電路 還能夠?qū)⑤敵鲭妷杭y波降至較小的范圍 常見的d c d c 轉(zhuǎn)換器有三種 即脈沖頻率調(diào)制 p f m 限流型脈沖頻率調(diào) 制和脈沖寬度調(diào)制 p w m 它們?nèi)叩闹饕獏^(qū)別在于電感的選擇 輸出紋波的大 小以及輸出噪聲的寬窄 脈沖頻率調(diào)制電路中電感的選擇比較困難 其輸出紋波和 輸出噪聲在不同負(fù)載時(shí)有較大的變化 限流型脈沖頻率調(diào)制電路中電感的峰值電流 固定 而且輸出紋波峰值電流固定 比標(biāo)準(zhǔn)的p f m 低得多 但是其輸出的噪聲隨 負(fù)載變化而變化 脈沖寬度調(diào)制的電路只需簡單的低通濾波器就能大大降低輸出電 壓的紋波 而且開關(guān)頻率固定 噪聲帶寬很窄 通過比較可以看出 針對(duì)不同性能 要求的系統(tǒng)選用不同的穩(wěn)定可靠的穩(wěn)壓器件來提供穩(wěn)定的電壓源是非常重要的 本文研究的機(jī)械故障診斷儀屬于手持式便攜設(shè)備 一般采用電池供電 電壓在 6 5 v 左右 將6 5 v 通過電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成5 v 給邏輯控制芯片 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 鍵盤 液晶供電 5 v 轉(zhuǎn)換成3 3 v 給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 電壓調(diào)節(jié)器的供電 而電壓調(diào)節(jié)器的輸出為1 6 5 v 左右 為a t 9 1 s u 1 7 s 2 5 6 內(nèi)核和p l l 供電 3 i 1 電源結(jié)構(gòu) 整個(gè)系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)如圖3 1 圖3 1 3 1 2 開關(guān)機(jī)電路 考慮到電池沒電或者其他原因突然關(guān)機(jī)時(shí)數(shù)據(jù)可能沒有保存而造成損失 設(shè)計(jì) 了一種能夠檢測(cè)到關(guān)機(jī)的開關(guān)電路 根據(jù)用戶的要求 要求開和關(guān)用一個(gè)鍵實(shí)現(xiàn) 并且能夠?qū)崿F(xiàn)軟關(guān)機(jī) 針對(duì)這個(gè)要 求 本論文采用了圖3 2 所示的方法 粹涮線 廣一一一 一一一1 x 圖3 2 圖3 2 中 x 為按鍵 y 是由a r m 控制的開關(guān) 開狀態(tài) 當(dāng)x 按下 a r m 與5 v 電源接通 系統(tǒng)上電 系統(tǒng)一上電即執(zhí)行控制程 序?qū) 閉合 實(shí)現(xiàn)開機(jī) 關(guān)狀態(tài) 在系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí) d s p 掃描x 鍵的狀態(tài) 當(dāng)x 為低時(shí) 連續(xù)掃描x 當(dāng)x 由低變高 即按鍵拾起時(shí) 由d s p 將y 斷開 實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī) 若要實(shí)現(xiàn)軟關(guān)機(jī) 在運(yùn) 行過程中直接用命令將y 斷開即可 3 2 模擬電路的設(shè)計(jì) 模擬電路部分主要完成模擬信號(hào)的采集 選通 放大 濾波 將傳感器探測(cè)到的 信號(hào)變換成a t 9 l s u m 7 s 2 5 6 中a d 能夠轉(zhuǎn)換的信號(hào)范圍內(nèi) 為a d 采樣打基礎(chǔ) 3 2 1 傳感器的選擇 選用傳感器時(shí) 要考慮靈敏度 使用頻率范圍 動(dòng)態(tài)范圍和質(zhì)量大小等性能參 數(shù)是否符合測(cè)試的要求 通常在滿足頻率范圍和質(zhì)量要求的前提下 選用靈敏度高 的傳感器 測(cè)量振動(dòng)信號(hào)時(shí) 通?？梢赃x用電渦流位移傳感器或壓電加速度傳感器 嘲 電渦流傳感器是利用電渦流感應(yīng)原理來測(cè)量振動(dòng)位移的電參數(shù)變化型非接觸式 傳感器 其最大優(yōu)點(diǎn)就是線性度好 在其線性范圍內(nèi) 靈敏度不隨初始安裝間隙而 改變 同時(shí)它的使用頻率范圍寬 抗干擾能力強(qiáng) 不受介質(zhì)影響 結(jié)構(gòu)簡單 這給 測(cè)量帶來了極大的方便 因而得到了廣泛的應(yīng)用 尤其是在汽輪機(jī) 壓縮機(jī) 離心 機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面 壓電式加速度計(jì)是利用某些具有壓電效應(yīng)的晶體作 為機(jī)電轉(zhuǎn)化元件而構(gòu)成的傳感器 它屬于高內(nèi)阻弱信號(hào)傳感器 引線 屏蔽等周圍 環(huán)境影響大 比如電磁場(chǎng) 輻射等對(duì)其靈敏度會(huì)產(chǎn)生影響 體積小 重量輕 靈敏 度高 頻率范圍寬等特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用在振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域 本系統(tǒng)根據(jù)需要選用了這 兩種傳感器 并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路 增加了應(yīng)用的范圍 通常在進(jìn)行動(dòng)平衡過程中 需要進(jìn)行相位和轉(zhuǎn)速的測(cè)量 對(duì)于這類信號(hào)的獲取 通常選用電渦流傳感器和光電傳感器 電渦流傳感器測(cè)量相位時(shí) 需要在轉(zhuǎn)子上設(shè) 置一個(gè)凸鍵或凹槽 每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過標(biāo)記時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)脈沖 使用時(shí) 需對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行 加工 對(duì)轉(zhuǎn)子本身的剛度 結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一些影響 而光電傳感器測(cè)量相位和轉(zhuǎn)速時(shí) 只需在轉(zhuǎn)子的涂黑表面上粘貼反光帶 由光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào) 使用簡單 因 此系統(tǒng)選用光電傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速和相位的測(cè)量 3 2 2 振動(dòng)信號(hào)的采集 數(shù)據(jù)采集是信號(hào)分析的基礎(chǔ) 它所取得的信號(hào)能否正確反映被測(cè)對(duì)象的真實(shí)狀 態(tài) 與采集電路的實(shí)時(shí)性與測(cè)量精度密切相關(guān) 對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的采集 我們選用 壓電式加速度傳感器作為測(cè)振傳感器 加速度電荷傳感器采集過來的電荷信號(hào)經(jīng)過 電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) 此即加速度電壓信號(hào) 經(jīng)過一次積分電路 得到速度電 壓信號(hào) 再經(jīng)過一次積分電路 得到位移電壓信號(hào) 同時(shí)加速度電壓信號(hào)經(jīng)過高通濾 波得到高頻的包絡(luò)信號(hào) 電壓傳感器直接采集到所需的電壓信號(hào) 此五路信號(hào)可以經(jīng) 過數(shù)字選擇開關(guān)進(jìn)行選通 其中的數(shù)字選擇開關(guān)采用m a x 5 1 5 8 采用單電源5 v 供電 其引腳圖3 3 如下 1 4 圖3 3 可以計(jì)算出v o u tt v r e fxn b 1 0 2 4 x2 其中n b 為程序中設(shè)置的數(shù)字量 數(shù)字 量n b 與模擬電壓v o u t 的對(duì)應(yīng)關(guān)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 薔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 陸 0 0o o o f o o 0 0 0 o v m a x 5 1 5 8 與單片機(jī)連接圖3 4 如下 圖3 4 其中c s 為芯片選擇信號(hào) s c l k 為時(shí)鐘 d i n 為程序中設(shè)置的串行輸入的數(shù)據(jù)n b 3 2 3 振動(dòng)信號(hào)的處理 經(jīng)過采集并選通的信號(hào)要經(jīng)過放大和濾波 放大采取兩級(jí)發(fā)大器放大和一級(jí)程控 放大器 i a x 5 1 5 8 發(fā)大 濾波使用數(shù)字濾波器芯片l t c l 0 6 9 數(shù)字濾波器芯片l t c 0 6 9 是單一5 v 供電 1 0 0 k h z 以下的線性低通濾波器 其引腳 圖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 圖3 5 其中v i n 為輸入信號(hào) r o u t 為輸出信號(hào) f c l k 為程序中設(shè)置的低通濾波值 3 3 數(shù)字電路的設(shè)計(jì) 3 3 1a t 9 1 s 堋7 s 2 5 6 介紹 本文采用的a t 9 1 s u m 7 s 2 5 6 具有很高的性價(jià)比 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 一 采用r i s c 體系結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)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 復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) 結(jié)構(gòu)有 其固有的缺點(diǎn) 即隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集 為支持這些 新增的指令 計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會(huì)越來越復(fù)雜 然而 在c i s c 指令集的各種指令中 其使用頻率卻相差懸殊 大約有2 0 的指令會(huì)被反復(fù)使用 占整個(gè)程序代碼的8 0 而余下的8 0 的指令卻不經(jīng)常使用 在程序設(shè)計(jì)中只占2 0 顯然 這種結(jié)構(gòu)是不太 合理的 基于以上的不合理性 1 9 7 9 年美國加州大學(xué)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 精簡指令集計(jì)算機(jī) 的概念 r i s c 并非只是簡單地去減 少指令 而是把著眼點(diǎn)放在了如何使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運(yùn)算速度上 r i s c 結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻最高的簡單指令 避免復(fù)雜指令 將指令長度固定 指令格 式和尋地方式種類減少 以控制邏輯為主 不用或少用微碼控制等措施來達(dá)到上述目 的 到目前為止 r i s c 體系結(jié)構(gòu)也還沒有嚴(yán)格的定義 一般認(rèn)為 r i s c 體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具 有如下特點(diǎn) 采用固定長度的指令格式 指令歸整 簡單 基本尋址方式有2 3 種 使用單周期指令 便于流水線操作執(zhí)行 大量使用寄存器 數(shù)據(jù)處理指令只對(duì)寄存器 進(jìn)行操作 只有加載 存儲(chǔ)指令可以訪問存儲(chǔ)器 以提高指令的執(zhí)行效率 除此以外 a r m 體系結(jié)構(gòu)還采用了一些特別的技術(shù) 在保證高性能的前提下盡量縮 小芯片的面積 并降低功耗 所有的指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行 從而提高指令的執(zhí)行效率 可用加載 存儲(chǔ)指令批量傳輸數(shù)據(jù) 以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率 可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時(shí)完成邏輯處理和移位處理 在循環(huán)處理中使用地址的自 動(dòng)增減來提高運(yùn)行效率 1 6 二 支持兩種指令集 a r m 微處理器的在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集 a r m 指令集和t h u m b 指令集 其中a 瑚指令為3 2 位的長度 t h u m b 指令為1 6 位長度 t h u m b 指令集為a r m 指令集的 功能子集 但與等價(jià)的a r m 代碼相比較 可節(jié)省3 0 4 0 以上的存儲(chǔ)空間 同時(shí)具 備3 2 位代碼的所有優(yōu)點(diǎn) 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 字節(jié)的片內(nèi)高速f l a s h 存儲(chǔ)器 共5 1 2 頁 每頁1 2 8 字節(jié) 在最壞的條 件下可以3 0 姍z 的速度進(jìn)行單時(shí)鐘周期訪問 預(yù)取緩沖器可以實(shí)現(xiàn)t h u m b 指令的優(yōu)化 使處理器以最快的速度執(zhí)行指令 頁編程時(shí)間為4m s 包括頁自動(dòng)擦除 全片擦除時(shí) 間為1 0m s 1 0 0 0 0 次的寫壽命 1 0 年數(shù)據(jù)保持能力 扇區(qū)鎖定功能 f l a s h 安全 鎖定位 適合量產(chǎn)的快速f l a s h 編程接口 1 6 k 字節(jié)的片內(nèi)高速s r 心 可以在最高時(shí) 鐘速度下進(jìn)行單時(shí)鐘周期訪問操作 四 具有豐富的外設(shè)資源 1 i 存儲(chǔ)器控制器 m c 一嵌入式f l a s h 控制器 異常中斷 a b o r t 狀態(tài)及未對(duì)齊 m i s a l i g n m e n t 檢測(cè) 復(fù)位控制器 r s t c 一上電復(fù)位和經(jīng)過工廠標(biāo)定的掉電檢測(cè) 一提供復(fù)位源信息以及給外部電路使用的復(fù)位信號(hào) 時(shí)鐘發(fā)生器 c k g r 一低供耗r c 振蕩器 3 到2 0 刪z 的片上振蕩器和一個(gè)p l l 電源管理控制器 n c 一可以通過軟件進(jìn)行電源優(yōu)化 包括慢速時(shí)鐘模式 低至5 0 0h z 和空閑 i d l e 模式 一三個(gè)可編程的外部時(shí)鐘信號(hào) 先進(jìn)的中斷控制器 a i c 一可以單獨(dú)屏蔽的 具有8 個(gè)優(yōu)先級(jí)的向量式中斷源 一兩個(gè)外部中斷源和一個(gè)快速中斷源 可以防止虛假 s p u r i o u s 中斷 調(diào)試單元 d b g u 一2 線u a r t 支持調(diào)試通訊通道中斷 可通過程序來禁止通過i c e 進(jìn)行訪問 周期性間隔定時(shí)器 p i t 一2 0 位可編程的計(jì)數(shù)器 加上1 2 位的間隔計(jì)數(shù)器 時(shí)間窗看門狗 w d t 一1 2 位受預(yù)設(shè)值 k e y 保護(hù)的可編程計(jì)數(shù)器 一為系統(tǒng)提供復(fù)位或中斷信號(hào) 一當(dāng)處理器處于調(diào)試狀態(tài)或空閑模式時(shí)可以停止計(jì)數(shù)器 實(shí)時(shí)定時(shí)器 r t t 1 7 一3 2 位自由運(yùn)行的具有報(bào)警功能的計(jì)數(shù)器 一時(shí)鐘來源于片內(nèi)r c 振蕩器 一個(gè)并行輸入 輸出控制器 p i o a 一3 2 個(gè)可編程的復(fù)用i o 每個(gè)i o 最多可以支持兩個(gè)外設(shè)功能 一輸入電平改變時(shí) 每個(gè)i o 都可以產(chǎn)生中斷 一可以獨(dú)立編程為開漏輸出 使能上拉電阻以及同步輸出 i 1 個(gè)外設(shè)數(shù)據(jù)控制器 p d c 通道 一個(gè)u s b2 0 全速 1 2 l b p s 設(shè)備端口 一片上收發(fā)器 3 2 8 字節(jié)可編程的f i f o 一個(gè)同步串行控制器 s s c 一每個(gè)接收器和發(fā)送器都具有獨(dú)立的時(shí)鐘和幀同步信號(hào) 一支持i s 支持時(shí)分多址 一支持3 2 位數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚龠B續(xù)數(shù)據(jù)流功能 兩個(gè)通用的同步 異步收發(fā)器 u s a r t 一獨(dú)立的波特率發(fā)生器 i r d a 紅外調(diào)制 解調(diào) 一支持i s 0 7 8 1 6t o t 1 智能卡 硬件握手信號(hào) 支持r s 4 8 5 一u s a r t l 支持全功能的調(diào)制解調(diào)囂信號(hào) 主 從串行外設(shè)接口 s p i 一8 n 1 6 位可編程的數(shù)據(jù)長度 4 個(gè)片選線 一個(gè)3 通道的1 6 位定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 t c 一3 個(gè)外部時(shí)鐘輸入端 每個(gè)通道有兩個(gè)多功能i o 弓i 腳 一倍速p w m 發(fā)生功能 捕捉 波形模式 遞增 遞減計(jì)數(shù) 一個(gè)4 通道的1 6 位p 嘲控制器 p w m c 一個(gè)兩線接口 t w i 一只支持主機(jī)模式 支持所有的a t m e l 兩線e e p r o m 一個(gè)8 通道的l o 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 其中4 個(gè)通道與數(shù)字i o 復(fù)用 i e e e1 1 4 9 1j t a g 邊界掃描支持所有的數(shù)字引腳 5 v 兼容的i o 包括4 個(gè)高達(dá)1 6m a 的大電流驅(qū)動(dòng)i o 電源 一片上1 8 v 電壓調(diào)節(jié)器 可以為內(nèi)核及外部元件提供高達(dá)1 0 0m a 的電流 一為i o 口線提供電源的3 3 vv d d i o 以及獨(dú)立的為f l a s h 供電的3 3 vv d d f l a s h 一內(nèi)核電源為1 8 vv d d c o r e 并具有掉電檢測(cè) b o d 功能 全靜態(tài)操作 極限條件下 1 6 5 v 8 5 4c 高達(dá)5 5 姍z 封裝為6 4 腳的l q f p 五 功耗低 3 3 2 外部存儲(chǔ)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)