振动信号数据采集与处理系统的研制.docx
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振动信号数据采集与处理系统的研制
便携式振动信号数据采集与处理系统的研究
摘要
本课题采用自行开发的振动信号数据釆集板与PC104相结合的集成技术，研制了一便携式振动信号数据釆集与处理系统，着重解决了目前两个比较难以解决的问题：
一是采集同一机组的不同测点时，釆集到的信号间的相位如何保持一致的问题；二是在转速不恒定情况下，怎样实现抗混叠滤波的问题。
论文简要介绍了目前便携式振动信号数据釆集与处理系统的发展及国内外的现状及本课题的现实意义；提出了实现本系统的可能方案及最终方案的选择；研制了该系统的硬件电路，主要包括：
信号输入模块、信号调理模块、信号釆集模块、信号处理模块；设计了下数据采集板的驱动程序；给出了该系统的软件设计整体框架及所要完成的功能。
关键词：
数据采集，信号调理，抗混叠滤波，锁相环
RESEARCHONAPORTALBEVIBROSIGNAL
ACQUISITIONANDPROCESSINGSYSTEM
ABSTRACT
Aportablevibrosignalacquisitionandprocessingsystemisrealized,.basedonpc104
technologyandtheportablevibrosignaldataacquisitionboardwhichisdeveloped
accordingtothefieldrequests.Thesystemfocusesonsolvingtheproblemsofkeeping
consistentamongseveralsignals'phasesinacompletesamplingperiodandofself-
adaptionanti-aliasingfilteringwhenthewheelrotationalspeedisnotconstant.
Thedevelopmentofportablevibrosignalacquisitionandprocessingsystemsis
brieflyintroducedaswellasthedomesticandforeigncurrentsituation,whichreveals
thesignificanceofthisresearch.Intermsofsystemdesign,severalsolutionsare
providedandbycomparisontheonebasedonpcl04ispreferabletoothers.The
hardwaredesignsolutioniselaboratedwhichincludessignalinputmodules,signal
conditioningmodules,dataacquisitionmodulesandsignalprocessingmodules.The
driverdesignofthedataacquisitionboardintheWinCEoperatingsystemisprovided
followedbytheintroductionofsoftwaredesignframeandfunction.
KEYWORDS:
DataAcquisition,DigitalSignalsProcess,Self-adaptionanti-alising
filter,Phaselockedloop（PLL）
第一章前言
1.1课题的意义和来源
离心压缩机是石化企业中很普遍、很关键的设备，其特点是，工作时都有转子在高速运转，转子的价格在整台设备费用中占相当大的比例，由转子故障造成的损失也在设备故障的总损失中占有很大的份额。
例如1985年我国大同电厂和1988年我国秦岭电厂的200MW汽轮发电机组的严重断轴毁机事件，都造成了巨大的经济损失。
严重的教训迫使人们配置相应的监测和诊断系统，开展和加强对转子运行状态的监测和故障诊断’以完成以下的功能：
1.及时发现转子故障的早期征兆，以便釆取相应措施，将故障消灭在萌芽状态，减少或避免重大事故的发生，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平；
2，一旦发生故障，自动记录故障过程的完整数据资料’以便事后的故障原因分析’避免再发生同类故障：
3‘记录下转子运行全过程的状态变化情况，反映出转子系统各部分的劣化程度和原因’为确定维修时间’制定维修计划提供依据，为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息；
4’取得设备寿命周期的大量数据，可充分了解设备性能’保证设备发挥最大的设计能力’制订合理的检测维修制度，以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力’延长服役期限和使用寿命’降低设备全寿命周期费用；
5‘随时掌握设备性能的发展变化情况，为逐步实现定期强迫维修制度向预知维修制度的过渡提供条件。
因此，设备故障诊断应包括如下几个主要环节⑵：
1.机械设备状态参数的监测；
2，进行信号处理，提取故障特征信息：
3丨确定故障类型和发生部位；
对确定的故障作防治处理或控制。
1.2国内外的相关硏究
目前国内外很多企业工厂都为大型转子配备了监测和诊断系统，由此带来的经济效益十分可观。
例如石化系统的30万吨合成氨厂，过去每年需大修一次，需时45天，检修费用占年产值15义。
釆用故障诊断后改为三年内修二次，一次不到30天，检修费用降为年产值的⑴。
/。
，经济效益十分巨大【1】。
因此可以看出，监测和诊断系统保证了设备的安全可靠运行，并获取很大的经济效益和社会效益。
近年来’计算机迅速发展，性能不断提高。
以出似-？
。
系列微机为例，内存贮量和外存贮量不断扩大’运算速度大大加快；输入输出接口和设备的灵活配置使得以微机为基础的系统建立越来越容易；丰富的支持软件使得用户的各种需求得到更好的满足【3】。
这就从软硬件上保证了用微机实现转子监测和诊断的可行性。
诊断装置或系统是设备故障诊断的手段和工具，随着电子技术和计算机的发展而得到了很大的发展。
综合看来，旋转机械诊断系统的硏制和发展大体上可分为五个层次：
传感器’便携式检测仪器和分析仪器’在线监视仪表系统，计算机化的监测分析与诊断系统，智能化诊断系统等。
传感器是诊断装置的“眼”和“耳”，它关系到整个设备状态监测与故障诊断结果的可靠性和准确性。
在振动机械设备状态监测与故障诊断中所用的传感器通常有振动、电涡流、光电传感器等。
各种便携式的检测仪器和分析仪器有振动测量仪、温度检测仪、轴承检测仪等。
目前各种便携式数据釆集器’高性能的频谱分析仪，在线监测仪表系统和计算机化的设备状态监测、分析及诊断系统巳经使用的比较多。
智能诊断系统是在传统系统基础上结合人工智能和专家系统这一最新科学技术而发展起来的。
虽然它的开发历史不长’但80年代以后得到了迅速的发展，在机电方面，一些国际知名的大公司投入大量的人力物力，开发了一批有代表性的智能诊断系统，如1982年6003.1（1^1&公司硏制的用于诊断和处理核反应堆的故障诊断专家系统尺2八^丁0尺；06公司用于内燃电力机车故障排除的专家系统061^人；1985年她等人研制的透平机械故障诊断专家系统丁似人^1987年知等人硏制的透平压缩机组故障诊断专家系统；！
989年0权记开发的旋转机械故障诊断专家系统；1993年86份〜公司研制的工程师辅助系统等等⑴。
国内在近10多年来’在引进、消化国外先进技术基础上’在分析设备方面已
北京化工大学研究生学位论文
生产出一批先进的产品，如天津电子仪器厂与美国亚特兰大的3？
3分部合作生产的30375型？
？
丁分析仪和803802忍0380以30385分析仪；与美国01八0尺03丁『
公司合作生产？
1202及？
1318等高技术？
？
丁分析仪。
此外，国内一批髙校、研究所及有关工厂正在大力开发计算机检测与诊断系统及各种各样的便携式数据釆集器，与国外相比’虽然起步较晚，但是发展速度很快，出现了不少有代表性的系统^
1.3本论文的主要研究内容
在本课题中，釆用具有的强大数据处理功能及丰富外设的PC104板配上根据现场要求自行硏制的数据釆集卡实现了一个便携式的振动信号数据釆集、分析、处理系统，在数据采集卡上，着重解决了目前难以解决的数据釆集信号间同相位的问题以及由于转速不同（包括机型不同及同一机械在起停机时转速不同〕而使抗混叠滤波截止频率不同的问题。
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004功能较之普通？
（：
并不逊色’但是它的集成化程度髙，体积小’因此决定了它特别适合于工控界及嵌入式系统中的应用’而且它的（：
？
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；也支持多种操作系统。
为了幵发方便’上位机操作系统选用
^^编程软件选&^^^（^。
十+’利用讷！
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⑶丰富的系统资源及丑！
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^朋乂^匸+^强大的幵发功能’实现包括时域分析、频域分析（幅值谱、功率谱、带窗函数选择、谱平均、坐标选择功能\轴心轨迹、包络谱分析、倒频谱分析、启停机状态分析〈三维瀑布图、波德图、奈奎斯特图、轴心位置图〉、历史趋势分析〔日趋势、周趋势、月趋势、年趋势〉等功能’为进一步的故障诊断提供依据。
第二章开发背景及需求分析
2.1开发背景
“便携式”是随着计算机技术、电子技术、微电子技术的快速发展而对电子产品研制的一个新的挑战，它不仅要求产品体积小，功耗低，便于携带，而且还要求它们功能强，如速度快，操作方便，信息内容丰富，人机界面友好，与其它智能外设接口简单，通讯方便等等。
因此如何在有限的空间里实现如此多的功能对设计者都是一个不小的挑战。
本文所说的便携式故障诊断仪是面向大型旋转机械振动信号数据釆集、分析，从而实现诊断的目的而幵发的。
由于它的专业性及特殊性，笔者仅从这一角度来说明。
有需求才能带动研发，而研发也会促进需求，二者是互为补充和互为促进的。
2.2需求分析
目前旋转机械的应用广泛，而且当机械一旦投入运转，如果不是特殊的原因，就不能停止工作，这就对它们运转的可靠性及安全性提出了一个要求。
如何保证它们能够无故障的连续运转，及早发现隐患，是防止出现危险的一个好的措施。
故障诊断就是基于这样的理念而提出来的。
目前很多大型工厂都配置了大型的故障诊断专家系统，它们功能强大，知识库丰富，诊断能力强，但是它们也有一些弱点，如不易携带，不够灵活，操作复杂。
而便携式故障诊断仪恰恰弥补了大型故障诊断专家系统的这些缺点，虽然它的功能还不如大型故障诊断专家系统丰富，但是仍可以解决大部分的故障诊断。
因此目前许多厂家把大型故障诊断专家系统和便携式故障诊断仪相结合使用，大大提髙了故障诊断的成功率和效率，将许多隐患消灭在无破坏状态，避免了许多大的灾难。
因此，本课题所研究的便携式故障诊断仪有实际需求背景，可以预测它的前景是旺盛的和光明的。
第三章方案的比较与选定
3.1设计的要求
设计要求产品的开发周期短，功能丰富，扩展性能好，在同类产品中要有较高的性价比，从而有较髙的竞争力，也就是说要具有下面二点要求：
使用最新『技术提高性能和集成度；
成本低；
开发周期短。
下面的软硬件方案设计都是基于以上考虑而进行的。
3.2设计方案流程图
从本课题所要完成的任务可以把设计分成两个阶段来完成，硬件和软件，故
此，设计可以按照如图3-1所示的系统设计的流程进行。
此方案的出发点是：
因为在大型旋转机械状态监测中，数字信号处理部分比较多，涉及到频谱分析、数字滤波、自相关和卷积等一系列需要数字信号处理器比较容易完成的工作，因此可以釆用080+0？
！
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。
八）的方案，逻辑控制完全由一片CPLD来完
此方案的缺点是硬件设计工作量大，开发周期较长，系统可扩展性能较差
3.3.2PDA方案
此方案是基于开发周期短而考虑的，是在PDA上进行二次开发，需要完成的工作是设计数采板卡和软件。
缺点是PDA由于是一种成型的产品，虽然PDA的体积小，功耗低，带有操作系统，但是在性能扩展方面不是很灵活。
3.3.3笔记本方案
笔记本方案是以笔记本为核心，配备一定的外围装置而构成的便携式数据釆集系统。
其优点是外部资源丰富、系统组成灵活、存储容量大、支持软件多、软件更新快等特点，其缺点是目前许多基于笔记本的数据釆集系统需要配置价格昂贵的专用扩展箱，由于不同厂家的笔记本的总线扩展槽标准不统一，有的甚至不能配扩展箱，这使得此类系统在价格及通用性方面受到限制。
3,3.4PC104方案
目前，多数幵发者倾向于尽可能多地使用现成的硬件和软件，以缩短开发周期和使用最新技术。
然而，在PC104模块出现之前，没有合适的嵌入式微机供选择，除非使用髙成本和体积大的总线板卡象\^12、似11衍或3丁0等产品。
因此，常常要从芯片设计做起。
在本课题的初步设计阶段，我们就曾面临着幵发周期短，技术复杂度高的难题，通过权衡考虑，我们放弃了髙性能口^？
+^：
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^等需要复杂配件设计的方案及釆用笔记本加数釆卡和？
0八二次幵发等方案，而是釆用了？
0104做为核心中央处理器的方案，将主要精力放在数据采集板及板卡驱动和应用软件的设计上。
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0104嵌入式计算机模块系列是一套成本低，高可靠性，能迅速配置成产品的结构化模块。
由于与通用的？
0和？
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/八I标准（记它丑-？
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^）完全兼容，可以很快掌握其软、硬件的使用，而且费用低、风险小。
并且能缩短产品开发周期，体现最新技术。
3.4软件方案的选择
目前，各种各样的嵌入式系统及基于其上的丰富应用软件为便携仪的开发提供了极大的便利，从而使幵发者不再需要从底层幵发费时、费力的软件，而完全可以将精力放在顶层应用软件的幵发上。
3.4.1嵌入式操作系统的选择
嵌入式操作系统要求要有良好的可移植性，能够用在根据应用要求选择的微处理器中：
软件开发工作变得规范，容易测试，可实现模块化编程，同时由多个人共同完成一个任务；解决己往幵发产品存在的诸多不安全隐患。
很多软件厂商迎合嵌入式系统发展的需要，推出了多种不同特点的嵌入式操作系统。
例如Microsoft公司的WindowsCE,3COM公司的PalmOS,Symbian公司的EPOC,中科院凯思集团的HOpen以及Linux等。
3.4.2WindowsCE操作系统
WindowsCE操作系统是微软为实现“信息随手可得”的设想而努力开发的成果。
通过WindowsCE，微软提供了标准的幵放式平台，极大地减少了硬件制造商（IHV）、软件开发商（SHV）以及最终将釆纳新一代非PC技术解决方案的客户多方之间的矛盾。
WindowsCE是一个功能强大的开放的32位实时嵌入式操作系统，适用于怏速构建新一代内存少、体积小的智能设备。
例如工业控制器、手持式设备、智能电话、机顶盒和零售点设备等。
目前的掌上电脑（PDA）、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS、车载PC（AutoPC）…有很多釆用WindowsCE操作系统。
3.4.2.1WinCE操作系统特点
WindowsCE是一个抢先式多任务并具有强大通信能力的嵌入式操作系统。
它是一个全新的、可移植的、实时的、模块化的操作系统，具有流行的微软程序开发界面，提供许多快速开发嵌入式系统的工具。
（1）新内核
WindowsCE看上去和Windows9X/NT很像，但它不是这些操作系统的简化版,也不是从这些系统移植过来的。
WindowsCE具有全新的内核和任务调度、内存管理策略。
（2）可移植性
由于WindowsCE操作系统几乎完全是用C语言编写的，所以可移植到众多处理器中：
软件开发工作变得规范，容易测试，可实现模块化编程，同时由多个人共同完成一个任务；解决己往开发产品存在的诸多不安全隐患。
很多软件厂商迎合嵌入式系统发展的需要，推出了多种不同特点的嵌入式操作系统。
例如Microsoft公司的WindowsCE,3COM公司的PalmOS,Symbian公司的EPOC,中科院凯思集团的HOpen以及Linux等。
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的32位微处理器上；支持各种处理器家族，包括x86,PowerPC,ARM,MIPS和SH等系列。
微软为每个支持的处理器家族提供完整的系统库。
WindowsCE可以通过OEM适配层OAL（OEMAdaptationLayer）适配到任何硬件平台。
OAL是驻留在CE内核和硬件之间的代码层。
原始设备制造商使用这些代码把CE适配到自己的硬件上。
OAL链接CE的内核和定制的硬件。
（3）实时性
WindowsCE2.1及其以前的版本实时性能不强，但WindowsCE3.0及以后的版本实时性能得到明显改善。
WindowsCE3.0的实时性能主要通过以下技术实现：
支持嵌套中断，髙优先级的中断并不需要等待低优先级的中断服务例程（ISR）完成；256个线程优先级，可以灵活调度嵌入式系统的任务；通过固定高优先级中断服务线程（IST）的最大调度延迟改善线程响应时间；使用API函数CeSetThreadQuantum和CeGetThreadQuantum修改操作系统中线程的线程量；中断服务子程序的响应时间非常短；支持信号量。
在基于WindowsCE的参考平台上，使用HitachiSH3微处理器，系统可以在2-5微妙内启动一个中断服务例程（ISR），在90〜170微妙内启动相应的中断服务线程。
如果考虑其它因素，如CPU类型、时钟频率、总线速度等的影响，许多实际的基于WindowsCE平台的响应时间更短。
（4）模块化
由于存储器资源在移动和嵌入式设备中非常有限，WindowsCE设计成一个模块化操作系统,设计者只需选择那些需要的模块以满足指定平台的存储器要求。
WindowsCE的结构如图3-3所示，主要包括4个模块：
内核（Kernel）、图形窗口事件子系统（GWES）、文件系统（Filesys）和通信模块。
Kernel负责中断处理、进程和线程管理、虚拟内存管理和其它相关任务；GWES（GraphicsWindowingandEventsSubsystem）相当于桌面Windows的图形设备接口GDI和用户库;Filesy:
用于永久存储，包括文件系统、注册表和数据库;
Communications模块负责与桌面PC、其它CE设备和因特网的互联。
每个模块又分成许多小组件。
裁减WindowsCE时，可以只选择那些需要的组件。
（5）Win32兼容性
WindowsCE采用与Windows95/NT相同的编程模型，它的API是Win32API的一个子集，大约有600个API函数，可以实现所有的嵌入式应用。
CE只支持UNICODE码，CEAPI删除了Win32API中包含ANSI字符串参数的函数。
CE还支持当前流行的软件技术和运行库，如MFC（MicrosoftFoundationClass）,ATL（ActiveTemplateLibrary）,EVC（EmbeddedVisualC++）,EVB（EmbeddedVisualBasic）.Win32的兼容性可以容易地把现成的Windows应用程序移植到WindowsCE中。
3.4.2.2^WindowsCE在嵌入式控制系统中的应用分析
嵌入式操作系统释一种应用广泛的系统软件,工业控制是它的传统应用领域，在这一领域里已有一些比较成功的嵌入式操作系统。
但是，随着应用对象的扩大和技术的进步，实际应用对工业控制系统的功能和性能提出了许多新的要求。
例如，适应恶劣的工作环境’熟悉和友好的用户界面，统一的编程界面，强大的通信功能和多媒体功能等，这些嵌入式操作系统很难满足工业应用的新需要。
由于WindowsCE2.1及以前版本的实时性较差，在工业控制领域应用较少，主要应用在移动式（或便携式）产品和信息家电领域。
WindowsCE的出现极大地改善了它的实时性能’为WindowsCE进入工业控制领域奠定了基础。
（1）实时性
实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能’并对外部的异步事件做出反应的能力。
实时性的强弱以完成规定功能和做出响应时间的长短来衡量。
提高硬件的处理能力可以在一定程度上提高计算机控制系统的实时性，但是当硬件确定以后，控制系统的实时性能主要由操作系统来决定。
无论从汽车制造到工业自动化’还是从电子通信到交通运输’WindowsCE均可为具备确定性响应能力的应用程序提供内建实时支持。
（2）可靠性
工业控制系统对可靠性要求很髙，计算机控制系统发生故障或死机对于企业安全髙效生产带来不利的影响。
可靠性主要包含两个方面的含义：
一是控制计算机本身要连续稳定运行，二是系统检查出故障后要有保持安全
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