基于振動、溫度和聲信號的旋轉(zhuǎn)機械綜合監(jiān)測系統(tǒng)

1、基于振動、溫度和聲信號的旋轉(zhuǎn)機械綜合監(jiān)測系統(tǒng)*陳建波 湯寶平(重慶大學(xué)機械電子系 重慶 400030)摘 要 旋轉(zhuǎn)機械在工作過程中其物理參數(shù)如振動、溫度和噪聲等會發(fā)生變化，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法是基于單一信號如振動信號或者聲信號。但在診斷精度等方面還有不足。本文提出基于振動、溫度和聲信號的綜合監(jiān)測方法。實驗結(jié)果表明，基于振動、溫度和聲信號的綜合監(jiān)測方法，能夠有效提高故障診斷的精度，并能夠?qū)崟r監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械的工作狀態(tài)以及故障預(yù)警。關(guān)鍵詞：DSP USB 數(shù)據(jù)采集 旋轉(zhuǎn)機械 狀態(tài)監(jiān)測COMPREHENSIVE MONITOR SYSTEM FOR ROTATING MACHINERY BASED ON VI

2、BRATION, TEMPERATURE AND NOISEChen Jianbo Tang Baoping(Department of Mechanical, ChongQing University, ChongQing, 400030)Abstract 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 s

3、ignals 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 d

4、iagnosis 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 Monitoring*基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（50405009）作者簡介：陳建波, 男，重慶大學(xué)碩士研究生，1981年1月生.0 引 言隨著USB接口技術(shù)的飛速發(fā)展，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。因此，將USB接口技

5、術(shù)應(yīng)用機械設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)采集和故障診斷中必然會成為一種趨勢。機械設(shè)備在長期運行中可能會出現(xiàn)機械、電氣等方面的故障, 伴隨這些故障必然產(chǎn)生振動、噪聲、溫度、壓力等物理參數(shù)的變化, 我們可以借此來判斷機械設(shè)備的工作狀態(tài)并對其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷1 夏慶觀.數(shù)控機床故障診斷M .北京:機械工業(yè)出版社, 2004.。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由DSP芯片和高速總線搭建而成，目前常用的方法有4種：基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于PLD的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于DSP和USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及基于USB和串行A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2 劉澤西，程晶晶，孔力.基于USB2.0接口的高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J.測

6、控技術(shù)，2007，（2）:34-37。由于實時狀態(tài)監(jiān)測大容量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)男枰?，基于DSP的數(shù)據(jù)采集便成了首選。DSP采用了多總線的哈佛結(jié)構(gòu)、專用的硬件乘法器、多級流水線操作和專用的DSP指令等方法使其獲得了高速并行處理能力, 能夠?qū)崟r地完成復(fù)雜的控制算法。而USB總線技術(shù)具有速度快(USB協(xié)議2.0支持最高傳輸速度可達(dá)480Mbps)、支持熱插拔和擴展方便(USB上最多可以連接127個外部設(shè)備)即插即用等優(yōu)點3 戴小俊，丁鐵夫，鄭喜鳳.基于USB和DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計J.電子技術(shù)應(yīng)用，2007，（1）:84-8634 Wu X.High Speed Data Acquisition S

7、ystem Using USB InterfaceJ. Journal of Electronic Measurement and Instrument,2004,(2):1151-1155.5 劉寧艷，路宏敏，劉科祥.基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制J.電子設(shè)計應(yīng)用，2004，（1）:46-48.。本文在以上各種方法的基礎(chǔ)上，確定了基于DSP和USB接口的機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的方案。1 系統(tǒng)硬件設(shè)計 機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和故障預(yù)警三部分組成。數(shù)據(jù)采集的硬件主要由1片DSP芯片、1片CPLD、4片AD轉(zhuǎn)換器和USB芯片構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。AD7899DSP*CPLDU

8、SBPC圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖DSP芯片采用TI的TMS320VC55096 TMS320C55x DSP CPU Reference Guide.Texas Instruments Inc.,2004.。它是TI公司生產(chǎn)的第三代高性能低功耗DSP芯片。CPLD芯片采用ALTERA公司的EPM3256，用來作為數(shù)據(jù)輸入輸出的緩沖和控制。DSP與CPLD之間的通信采用多通道緩沖串口DMA方式。具體流程如圖2所示7 歐建平，任建文，樓生強.CPLD與TMS320VC55x的McBSP接口設(shè)計J.通信技術(shù)與設(shè)備，2002，（6）:12-14。AD轉(zhuǎn)換器采用AD7899，它是一種快速、低功耗、單5V供電的逐

9、次逼近型14位ADC，可在125以上溫度環(huán)境中工作。USB芯片采用CYPRESS公司的CY7C68001，它符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，最高傳輸速度可達(dá)480Mbps8 Cypress Semicondusror EZ-USB FX2 Technical Reference manualZ.2001。輸出DSP輸入FIFOFIFO移位寄存器移位寄存器計數(shù)器邏輯控制圖2 CPLD與DSP接口圖在搭建好系統(tǒng)的硬件平臺后，就可以進(jìn)行固件程序設(shè)計和接口通信程序設(shè)計了。硬件底層程序設(shè)計時需要考慮數(shù)據(jù)的采樣和控制，DSP與USB的數(shù)據(jù)與命令交換以及USB驅(qū)動程序設(shè)計。最終實現(xiàn)的目的要在進(jìn)行應(yīng)用軟件設(shè)計時方便的調(diào)

10、用開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸通道、設(shè)置A /D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口等功能。2 應(yīng)用軟件設(shè)計本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測,每塊數(shù)據(jù)采集板共監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械的振動、溫度、噪聲和轉(zhuǎn)速等信號。如果串接更多的數(shù)據(jù)采集板，就可以監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械更多位置以及更多的狀態(tài)參數(shù)。應(yīng)用程序是運行在上位機上,采用的是標(biāo)準(zhǔn)的Windows圖形界面風(fēng)格。它的主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集、處理、動態(tài)顯示、回放、分析、故障報警設(shè)置、故障預(yù)警以及打印等功能。主機端應(yīng)用程序采用VC+6.0編寫.應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集的過程是:首先必須用CreateDevice函數(shù)創(chuàng)建一個設(shè)備對象句柄hDevice，取得設(shè)

11、備的控制權(quán)。然后將此句柄作為參數(shù)傳遞給其他函數(shù)，如InitDeviceAD可以使用hDevice句柄以初始化設(shè)備的AD部件并啟動AD設(shè)備，ReadDeviceAD函數(shù)可以用hDevice句柄實現(xiàn)對AD數(shù)據(jù)的采樣批量讀取。通過適當(dāng)?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)便可以實現(xiàn)設(shè)備的連續(xù)數(shù)據(jù)采集。最后通過ReleaseDevice釋放設(shè)備。由于大容量數(shù)據(jù)實時高速傳輸?shù)男枰?，使用多線程處理便成了首要之選。在這里，開辟了數(shù)據(jù)采集線程SampleThread(LPVOID pParam)和數(shù)據(jù)處理DataProcThread(LPVOID pParam)兩個線程并且采用二級數(shù)據(jù)緩沖的設(shè)計方案。最初，數(shù)據(jù)處理線程不做任何工作，而是

12、在Win32 API函數(shù)WaitForSingleObject的作用下進(jìn)入睡眠狀態(tài)，此時它不消耗CPU任何時間，當(dāng)數(shù)據(jù)采集線程取得指定長度的數(shù)據(jù)到用戶空間時，則再用Win32 API函數(shù)SetEvent將指定事件消息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理線程，則數(shù)據(jù)處理線程即刻恢復(fù)運行狀態(tài)，迅速對這批數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如計算、在窗口繪制波形、存盤等操作。數(shù)據(jù)緩沖的設(shè)計方案簡單來講就是開辟一個兩維數(shù)組如ADBuffernNum, 其中Num為數(shù)據(jù)采集線程每次采集的數(shù)據(jù)長度，n則為緩沖隊列的成員個數(shù)。采用上述方案之后，就可以保證數(shù)據(jù)連續(xù)不間斷的采集，并可以進(jìn)行監(jiān)視和分析了，圖3是應(yīng)用軟件的界面圖。圖3 系統(tǒng)界面圖3 實驗結(jié)果及分析為了得到精確的測量結(jié)果，實際測試中需要注意很多具體問題,比如傳感器的布置，以及測試數(shù)據(jù)的放大、濾波和消噪等9 王俊峰，張玉生.機電一體化檢測與控制技術(shù)M. 北京:人民郵電出版社, 2006.。 本次設(shè)計在旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)動軸上安裝加速度傳感器和光電傳感器，在機械裝置的發(fā)熱點或者油液中安裝溫度傳感器以及在機座上布置測量聲信號的傳感器，再將采集到的信號經(jīng)調(diào)理后輸出給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 然后經(jīng)USB接口傳送給上位機。最后，應(yīng)用軟件可以把采集到的各通道的信號保存下來做進(jìn)一步分析，也可以設(shè)置報警限制，進(jìn)行