朱兵，潘宏俠

（中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，太原 030051）

0 引言

目前，用于機(jī)械與電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障分析的系統(tǒng)大致可分為2類：在線式分析系統(tǒng)和以便攜式數(shù)據(jù)采集器為前端的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。傳統(tǒng)的在線式系統(tǒng)因?yàn)榍度胧叫酒南拗疲岸酥荒軐?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)回傳功能，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷靠后臺(tái)的PC 實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)成本較高。而便攜式系統(tǒng)一般采用人工對(duì)前端進(jìn)行巡檢，故障發(fā)現(xiàn)率不高，對(duì)突發(fā)性故障更是無(wú)法處理[1]。隨著嵌入式芯片處理能力的快速發(fā)展，可以將檢測(cè)和分析功能移至前端，本文設(shè)計(jì)了通用故障檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)故障診斷的實(shí)時(shí)化，減少故障診斷儀器重復(fù)開發(fā)的浪費(fèi)，降低成本。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

通用故障診斷平臺(tái)是一個(gè)能脫離PC 獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷系統(tǒng)。考慮到系統(tǒng)的通用性，須為算法提供較寬的采樣頻率以適用于各種不同的前端傳感器信號(hào)輸入；考慮系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，須為算法提供較快的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力，特別是密集型數(shù)據(jù)處理能力，比如FFT變換；考慮到故障診斷一次處理的數(shù)據(jù)量比較大，必須提供較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力；同時(shí)，為便于與其他儀器的數(shù)據(jù)交換，還要提供串行接口和CAN工業(yè)總線接口。綜合上述要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的通用故障診斷平臺(tái)。

整個(gè)系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理部分、通訊接口電路和電源模塊組成。

信號(hào)調(diào)理電路將多路傳感器輸入的0～5V電氣信號(hào)調(diào)理成適合后續(xù)電路處理的信號(hào)。通過(guò)模擬開關(guān)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行切換，程控放大器和低通濾波器可以對(duì)各個(gè)通道設(shè)置不同的放大倍數(shù)和通帶頻率。A/D轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)調(diào)理電路送過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合DSP處理的數(shù)字信號(hào)；然后由DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、FFT變換、提取特征值，診斷故障。當(dāng)有異常情況出現(xiàn)時(shí)，儀器將異常數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果通過(guò)串行接口傳送到PC上位機(jī)，從而減少不必要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸。為了減少DSP 作軟件濾波帶來(lái)的系統(tǒng)開銷，模數(shù)轉(zhuǎn)換器宜選取內(nèi)置硬件濾波器的ADC芯片。當(dāng)儀器確定上位機(jī)接收到故障數(shù)據(jù)時(shí)，儀器內(nèi)部存儲(chǔ)的故障數(shù)據(jù)就可以被覆蓋了。同時(shí)對(duì)于變化緩慢的信號(hào)，如溫度、低頻振動(dòng)可以通過(guò)CAN 總線實(shí)時(shí)傳到狀態(tài)監(jiān)控與診斷終端進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、智能化故障診斷，同時(shí)還可以打印有關(guān)數(shù)據(jù)、分析圖形,使用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)測(cè)點(diǎn)信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地管理。

2 系統(tǒng)硬件組成

圖1 系統(tǒng)框圖

數(shù)字信號(hào)處理器的選取是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它的運(yùn)算速度直接影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)[8]。本系統(tǒng)中包括的故障診斷算法部分包括大量的密集型數(shù)據(jù)處理要求，考慮DSP芯片作為本系統(tǒng)的處理器。選用TI公司的TMS 320F28335[2]。

隨著半導(dǎo)體的集成度越來(lái)越高，以往需要很多電路才能實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)在可由單芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理和A/D采樣部分，考慮采用單芯片的解決方案，將信號(hào)調(diào)理和A/D采樣用單個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)，這樣可以降低電路的復(fù)雜性、提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)選擇美國(guó)TI公司的內(nèi)置模擬開關(guān)、增益放大、A/D采樣和低通濾波功能的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS 1256來(lái)實(shí)現(xiàn)這一部分功能。

根據(jù)選取的TMS320F28335和ADS125 6，并配置必要的外圍電路，設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的硬件框圖，如圖2所示。

2.1 信號(hào)調(diào)理與A/D采樣

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

ADS1256是美國(guó)TI公司推出的一種多路輸入、低噪聲、24位△Σ型的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)如圖3所示[3]。

圖3 ADS1256內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中ADS1256通過(guò)SPI接口與DSP相連，此部分的連線圖如圖4所示。其中，參考電壓+2．5V，8路模擬信號(hào)輸入電壓0～5V，軟件配置Buffer緩沖、PAG增益倍數(shù)和低通濾波器濾波系數(shù)控制數(shù)據(jù)采樣率和采樣精度。需要特別注意的是，硬件上應(yīng)將ADS1256模擬地和數(shù)字地在芯片附近連在一起，以免ADS1256采樣精度過(guò)低甚至工作不正常。軟件方面配合ADS1256時(shí)序，初始化好DSP的SPI接口，注意控制指令到數(shù)據(jù)指令之間有一定的延時(shí)時(shí)間。

2.2 大容量存儲(chǔ)器擴(kuò)展

TMS320F28335芯片只集成了256k FLA SH，38K的SRAM，不能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要，需要在外部存儲(chǔ)器接口XINTF上擴(kuò)展存儲(chǔ)器空間。系統(tǒng)采用IS SI公司的256k×16bit SARAM芯片IS61LV6 416，映射到地址空間0x100000-0x140 000；本系統(tǒng)還擴(kuò)展1M×16bit FLASH (SST39VF 1601F)，地址空間0x200000-0x300000。

圖4 ADS1256接線圖

2.3 CAN總線、RS232通訊和基于I2C總線的時(shí)鐘芯片

TMS320F28335集成了增強(qiáng)型CAN總線控制器， 稱 為 eCAN[2]， 支 持 CAN2．0A 和 CAN2．0B協(xié)議, 配合總線收發(fā)器SN65HVD 30可提供高達(dá)1MB/s數(shù)據(jù)傳輸率。eCAN模塊主要由CAN協(xié)議內(nèi)核和消息控制器構(gòu)成。CAN協(xié)議內(nèi)核主要完成消息解碼向接收緩沖發(fā)送解碼后的消息，同時(shí)根據(jù)CAN協(xié)議向總線上發(fā)送消息，消息控制器決定接收到消息的取舍。注意對(duì)CANMC、CANBTC、CANGIM、MIM、TSC、IOCONT1[3]、IOCONT2[3]這些位采用EALLOW保護(hù)，對(duì)這些位設(shè)置時(shí)要特別注意[4]。

TMS320F28335內(nèi)部集成有3個(gè)串行通訊口(SCI)，支持16 級(jí)接收、發(fā)送FIFO，支持自動(dòng)通訊速率檢測(cè)。如果只使用串口的基本功能,設(shè)置1個(gè)啟動(dòng)位、8 個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位，不使用FIFO，則它的操作同51系列芯片相同。通過(guò)該串口對(duì)采集通道、采集頻率、放大倍數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

時(shí)鐘芯片選擇DS1302。DS1302是一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償功能[5]。DS1302與CPU 的連接僅需要3條線[3]，即 SCLK(7)、I/ O(6)、RST(5)，RST 高電平時(shí)，SCLK位于上升沿處，I/ O 數(shù)據(jù)寫入或讀出。TMS320F28335內(nèi)部集成I2C總線接口，使用時(shí)注意I2C 總線接口為開漏級(jí)輸出，必須連接10kΩ上拉電阻到3．3V電平上。

2.4 電源部分

系統(tǒng)的主輸入電源為+6V。但TMS320 F28335內(nèi)核需要+1．9V，大于200mA的電源供應(yīng)；I/O外設(shè)及其外圍電路需要+3．3V，大于300mA的電源供應(yīng)；而且+1．9V核電源要求先于+3．3V I/O電源上電。本系統(tǒng)選取TI公司TPS62400提供+1．9V和+3．3V電壓。ADS1258及其外圍電路供電分為+5V數(shù)字電壓，+5V模擬電壓和+2．5V基準(zhǔn)電壓。其中,+5V數(shù)字電壓要求瞬間輸入電流大于100mA，噪聲不敏感但對(duì)其它部分的干擾較大；+5V模擬電壓要求輸入電流大于10mA，對(duì)噪聲比較敏感；+2．5V基準(zhǔn)電壓要求輸出電流大于1mA，對(duì)噪聲及其敏感。電源部分選取TI公司的低靜態(tài)電流LDO芯片REG104EA-5為提供+5V數(shù)字電壓，REG104EA-5輸出電流最大可達(dá)1A，可以滿足要求；選取ADI公司的低噪聲、大電流串行參考芯片REF195EA提供+5V模擬電壓，REF195EA初始精度±2mV，輸出電流最大30mA，噪聲密度3uVpp，可以滿足系統(tǒng)要求；選取TI公司的低噪聲、高精度串行參考芯片REF5025提供+2．5V參考電壓。系統(tǒng)擴(kuò)展的存儲(chǔ)器、通訊電路及其外圍電路供電為+3．3V，無(wú)特殊要求。電源部分通過(guò)TPS62400產(chǎn)生的+3．3V為存儲(chǔ)器擴(kuò)展部分提供電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

考慮到診斷平臺(tái)的通用性和用戶故障診斷算法的多樣性，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)給出架構(gòu)流程。在此框架下，用戶可配置自己的故障診斷算法，實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域多通道數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、監(jiān)控、故障診斷和通訊。軟件架構(gòu)如圖5所示。

系統(tǒng)上電執(zhí)行初始化程序，將DSP系統(tǒng)由匯編編譯環(huán)境帶到C語(yǔ)言運(yùn)行環(huán)境下，并對(duì)DSP的中斷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置；然后對(duì)定時(shí)器、串口和CAN總線進(jìn)行初始化；初始化完成后通過(guò)串口向上位機(jī)發(fā)送“參數(shù)設(shè)置”提示信息，等待上位機(jī)設(shè)置參數(shù)；如果超過(guò)10s上位機(jī)無(wú)動(dòng)作或者上位機(jī)不設(shè)置參數(shù)，設(shè)置參數(shù)為默認(rèn)參數(shù)；然后設(shè)置ADS1256參數(shù)；完成參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)入到系統(tǒng)的10s循環(huán)中；在此循環(huán)中，完成ADS1256數(shù)據(jù)采集；然后插入用戶的故障診斷算法；根據(jù)故障診斷結(jié)果向上位機(jī)發(fā)送診斷結(jié)果和故障數(shù)據(jù)。軟件框架下默認(rèn)情況為執(zhí)行用戶故障診斷算法并通過(guò)CAN工業(yè)總線發(fā)送診斷結(jié)果，用戶也可編寫不同的控制程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、監(jiān)控等功能。

圖5 軟件架構(gòu)流程圖

4 故障診斷實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的通用故障診斷平臺(tái)對(duì)該電機(jī)軸承運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，采用壓電式加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)加速度，主要監(jiān)測(cè)軸承的振動(dòng)加速度有效值和最大值。在圖6為軸承故障信號(hào)X軸向加速度時(shí)域圖像。編寫程序在通用故障診斷平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行頻譜分析，可以得到故障信號(hào)的頻譜圖像如圖7所示，其中包含故障特征頻率251．7Hz,與滾動(dòng)體故障特征頻率253．8Hz非常接近，可以判斷此次故障為滾動(dòng)體故障。這個(gè)診斷實(shí)例證明了本文設(shè)計(jì)的通用故障診斷平臺(tái)的實(shí)用性。

表1 電機(jī)滾動(dòng)軸承參數(shù)

圖6 某電機(jī)軸承x向時(shí)域曲線

圖7 某電機(jī)軸承x向功率譜曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以減少故障診斷儀器的重復(fù)開發(fā)為目標(biāo)，充分考慮故障診斷儀器的通用性和用戶算法的多樣性，設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335的通用故障診斷平臺(tái)，并給出了系統(tǒng)軟件架構(gòu)。在此框架下，用戶配置自己的故障診斷算法，可實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域多通道數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、監(jiān)控、故障診斷和通訊。診斷實(shí)例證明該系統(tǒng)切實(shí)可行，可以滿足故障診斷的要求。

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