摘要 針對當前國內狀態監測與故障診斷領域對高精度 高速率要求的信號分析儀器 的需求 本文設計研發出基于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 的機械 故障診斷儀 按照功能劃分 機械故障診斷儀分為數據采集器 動平衡儀 動態分析儀三個組 成部分 其中動平衡儀主要應用影響系數法 又叫測相平衡法 對機械轉子由于不平 衡造成的故障進行分析和校正 數據采集器和動態分析儀主要將光電傳感器采集的模 擬信號轉換成數字信號 再對數字信號進行傅立葉變換 f f t 通過頻譜分析來進行 故障診斷和分析 同時該機械故障診斷儀采用u s b 通信將數據傳到p c 機 機械故障診斷儀的技術指標為 振動測量和頻譜分析頻率響應在l o h z i o k h z 動 平衡轉速范圍在1 8 0 2 4 0 0 0 轉 分 自動量程和手動量程可選 頻譜分析頻程按1 2 5 分檔共8 檔 振動測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 振動測量精度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 轉速跟蹤帶通濾波 可充電池供電 連續工作1 0 小時以上 體積小 2 1 0 1 3 0 4 0 m m 重量輕 1 2 0 0 9 關鍵詞 影響系數法故障診斷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 長舂理工大學碩士學位論文原創性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的碩士學位論文 基于a r m 7 的機械故障診斷儀 是本人在指導教師的指導下 獨立進行研究工作所取得的成果 除文中已經注明 引用的內容外 本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成 果 對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標明 本 人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔 作者簽名 三巨遂強 2 必 蘭月 塹目 長春理工大學學位論文版權使用授權書 本學位論文作者及指導教師完全了解 長春理工大學碩士 博士學位論文版 權使用規定 同意長春理工大學保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的 復印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權長春理工大學可以將本學位 論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索 也可采用影印 縮印或掃描等 復制手段保存和匯編學位論文 作者繇柵上瞬土月監日 指導導師簽名 1 1 引言 第一章緒論 設備故障診斷的任務 5 l 是監視設備的狀態 判斷其是否正常 預測和診斷設備的 故障并消除故障 指導設備的管理和維修 狀態監測的任務是了解和掌握設備的運行狀態 包括采用各種檢測 測量 監視 分析和判別方法 結合系統的歷史和現狀 考慮環境因素 對設備運行狀態進行評估 判斷其處于正常或非正常狀態 并對狀態進行顯示和記錄 對異常狀態做出報警 以 便運行人員及時加以處理 并為設備的故障分析 性能評估 合理使用和安全工作提 供信息和準備基礎數據 故障診斷的任務是根據狀態監測所獲得的信息 結合已知的結構特性和參數以及 環境條件 結合該設備的運行歷史 包括運行記錄和曾發生過的故障及維修記錄等 對設備可能要發生的或已經發生的故障進行預報和分析 判斷 確定故障的性質 類 別 程度 原因 部位等 指出故障發生和發展的趨勢及后果 提出控制故障繼續發 展和消除故障的調整 維修 治理的對策措施 并加以實施 最終使設備復原到正常 狀態 1 2 狀態監測與故障診斷的意義和目的 機械故障診斷是本世紀六七十年代產生并發展起來的 i 綜合性邊緣學科 隨著 現代設備的日趨大型化 復雜化 自動化和連續化 設備一旦發生故障 給生產和質 量以至人們的生命財產安全造成的影響往往大的難以估計 國內外曾經發生的各種空 難 爆炸 斷裂 倒塌等惡性事故 造成了人員的傷亡 產生了嚴重的社會影響 即 使是經濟生產中的事故 也因生產過程不能正常運行或機器損壞而造成巨大的經濟損 失 為使這一占有重要地位的設備維修工作更加高效而科學 就必須對維修對象 設備的劣化 故障狀態 故障部位及其原因有正確的了解 另一方面 信息傳感技術 信號處理技術以及現代測試技術等有關學科的發展 特別是電子計算機技術的飛速發 展 為設備故障診斷提供了極大的技術支持 促進了機械故障診斷技術迅速發展 現代設備運行的安全性與可靠性取決于兩個方面 一是設備設計與制造的各項技 術指標的實現 另一方面就是設備安裝 運行 管理 維修和診斷措施的實施 事實 上 如果加強狀態監測與故障診斷工作 許多事故可以防患于未然 從而減少故障停 機率 延長設備檢修周期 大幅降低維修費用 縮短維修時間 極大地提高經濟效盞 據統計 在采用診斷技術改善設備維修方式的方法后 事故率可減少7 5 維修費用 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應用所取得的經濟效益就達到 了數百億元 因此 設備故障診斷技術在保證設備的安全可靠運行 以及獲取巨大的 經濟效益和社會效益上 其意義是十分明顯的 故障診斷的目的是 1 能及時地 正確地對各種異常狀態或故障狀態做出診斷 預防或消除故障 對 設備的運行進行必要的指導 提高設備運行的可靠性 安全性和有效性 以期 把故障損失降到最低水平 2 保證設備發揮最大的設計能力 制定合理的檢測維修制度 以便在允許的條件 下充分挖掘設備潛力 延長服役期限和使用壽命 降低設備全壽命周期費用 3 通過檢測監視 故障分析 性能評估等 為設備結構修改 優化設計 合理制 造及生產過程提供數據和信息 1 3 狀態監測與故障診斷的發展現狀 測量信號和動態數據的處理與分析 是設備故障診斷的前提和基礎 它們代表了 系統的狀態和特征 與其他方法相比 振動診斷技術由于具有理論基礎雄厚 分析測 試設備完善 診斷結果準確可靠 便于實時診斷等諸多優點而在機械故障診斷的整個 技術體系中居于主導地位 機械設備和結構系統在運行過程中的振動及其特征信息是 反映系統狀態及其變化規律的主要信號 通過各種動態測試儀器拾取 記錄和分析動 態信號 是進行系統狀態監鍘和故障診斷的主要途徑 機械設備故障診斷儀器和系統的開發是為該項技術 設備故障診斷技術 的發展 服務 注重于信號的采集和處理方法的研究 并逐步開始以微機為架構 開發出不同 類型的以頻譜分析為主的振動信號分析系統 隨著機械行業對信號處理技術的認識和 掌握 以及微型計算機 單片機 單板機的普及 開始出現以微機 單板機 單片機 為核心結構的用于現場測試使用的監測和分析系統 機械設備故障診斷儀就是面向現場的手持式振動采集分析儀器 隨著設備高度密 集型產業的規模不斷擴大 以及自動化 智能化儀器的廣泛推廣 機械設備故障診斷 儀在設備檢測 故障診斷中應用越來越廣泛 性能也不斷提高 其在工業生產中發揮 的作用也越來越得到企業的承認 最初的機械設備故障診斷儀由國外廠商推出 采用8 位單片機為核心 隨著微電 子技術的不斷發展 新的單片機不斷問世 十六位 三十二位單片機的也為數據采 集器生產廠家所采用 近日 采用具有d s p 功能的數據采集器也已投入市場 伴隨 著高性能單片機的采用和用戶技術要求的不斷提高 機械設備故障診斷儀的功能也 越來越完善 機械設備故障診斷儀功能的發展主要體現在以下幾個方面 首先 采 樣通道由單通道發展到雙通道 多通道 采樣頻率 分辨率 精度逐步提高 為分 析功能的加強提供了前提條件 第二 分析功能也由簡單的測振發展到較完善的 信號分析系統 時域分析 頻域分析 矢量分析 傳函分析 相關等分析手段為故 障診斷提供了豐富的數據 三維譜 起停車分析曲線等直接面對旋轉機械故障診斷 的分析功能的引入更使機械設備故障診斷儀進入一個新領域 第三 頻率分辨率越 來越高 細化功能越來越強 信號分析的結果越來越精確 從而更準確地判斷出故 2 障的原因 第四 顯示能力的進一步加強 機械設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字顯示過渡到圖形顯示 液晶顯示器的點陣數也不斷提 高 顯示越來越清晰美觀 可以說 機械設備故障診斷儀的發展已進入了一個新階 段 目前 市場上國外的機械設備故障診斷儀產品有美國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 公司的系列產品 國外產品進入我國市場較早 但就當前市 場而言 沒有占據市場的主要份額 主要原因是高昂的價格和非漢化的操作界面使 其推廣受到限制 九十年代以后國內開始自行開發研制機械設備故障診斷儀 并迅速發展 水平不 斷提高 有的產品已形成系列 并以價格優勢占據市場主導 目前 國內生產機械設 備故障診斷儀的廠家很多 多以高校或科研院所為主 或以之為依托 大部分未形成 規模 如 西北工業大學 西安熱工所 大連理工大學 航空總公司六三三所等 都 有機械設備故障診斷儀的開發及銷售 由于國內的機械設備故障診斷儀生產多采用i n t e l5 t 系列或i n t e l9 6 系列 c p u 是國內數據采集器在許多方面有難以克服的缺點 與國外同類產品相比 國 內數據采集器性能指標有較大的差距 這主要表現在以下幾個方面 1 運算能力差 速度慢 精度低 尤其是浮點運算能力限制了技術指標的進一 步提高 2 存儲容量小 受c p u 本身特性的限制 對存儲容量的增加缺乏有效的手段 存儲容量對數據采集器的功能影響很大 數據存儲空間的限制使械設備故障診斷儀 所能記錄的點數 參數個數減少 每次采集的點數也受到限制 從而影響分辨率和 精度 而很小的程序空間 限制了械設備故障診斷儀分析功能的擴展 影響了械設 備故障診斷儀在故障診斷中作用的發揮 3 分辨率低 細化功能差 這主要受采樣頻率 分析點數等的限制 同時影響 了械設備故障診斷儀的分析精度 4 顯示功能弱 使用不方便 目前國內較好的械設備故障診斷儀顯示系統多采 用了點陣的圖形液晶 但點陣較低 圖形粗糙 許多械設備故障診斷儀只采用數字 或字符顯示 無法滿足頻譜分析的要求 基于以上原因 各科研單位及械設備故障診斷僅生產廠家正積極開發新一代的械 設備故障診斷儀 如采用高性能的嵌入式芯片 或帶有數字信號處理功能的芯片等 1 4 本論文研究目的和任務 國內信號分析儀的發展現狀使得加快基于a r m 7 的信號分析儀器的理論研究 設計開發滿足高精度 高速率要求的信號分析儀器 就成為當前國內狀態監測與故 障診斷領域的一個重要課題 研究與實踐證明 基于a r m 7 的信號分析儀器在技 術上是可行的 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 生產 銷售和維護為一體的便攜 3 式振動數據采集分析設備制造商 從8 0 年代末自主研制開發國產自有品牌的高精 度 便攜式微型振動數據采集分析設備 憑借卓越的產品質量 低廉的銷售價格和 完善的售后服務 奠定了自己在市場中不可動搖的地位 在國內廣大企事業單位中 享有極高的聲譽 該公司從9 0 年代后期開始著眼于基于a r m 的信號分析儀器的 開發 但一直由于硬件電路工作不夠穩定 功耗較大等問題 沒能夠形成最后產品 本次論文的目的就是與振通公司合作 吸取前面設計的不足之處 針對客戶反映的 問題及建議 對硬件重新設計 設計目標有以下幾點 1 c p u 的選擇要具有體積小 速度快 低功耗的特點 大尋址空間 應有1 m 以 上的直接尋址能力 合適的i 0 口空間及通訊能力 同時要考慮到與公司已 開發軟件的兼容性及今后發展的要求 2 外圍器件的選型在工作穩定 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 本論文任務包含以下內容 按照要求完成包括c p u 在內的 所有器件的選型 硬件電路原理圖及p c b 板圖的繪制 最小系統及硬件電路的調 試 系統程序及底層驅動編寫 調試 信號處理算法的確定和程序的編寫等 4 第二章系統總體設計方案 2 1 動平衡部分基本原理 一 關于不平衡的基礎知識 機械故障診斷儀中的動平衡部分主要應用影響系數法對故障進行診斷和校正 轉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 主要包括轉予結構不對稱 材質不均勻 制造誤差 安裝誤差 運行中零部件的變形 移位 結垢 破損 不平衡的危害有幾方面 轉 子振動和應力大 運行不安全 惡化環境 浪費能源 產品數量和質量下降等 不平衡故障的特征包括振動頻率主要是轉速頻率 轉子每轉一圈振動一次一 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 振幅隨轉速提高 而增加 判斷出機械振動故障是因為不平衡引起的之后 就可以影響系數法 又叫測相 平衡法 進行分析校正 二 影響系數法原理 1 單平面校正 對薄狀另件 在平衡面上配置重塊來消除軸承的振動 設轉子的不平衡矢量為u o 由此不平衡產生軸承上的振動矢量為a 0 初始測量得到振動矢量a o h o a o u o 2 1 1 a 0 為影響系數 表示為不平衡矢量對軸承振動的影響 當試驗結構條件 轉速一定時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 軸承振動矢量為 試測一得到振動矢量a 1 h l a o u o u 1 2 2 2 由上面的兩個式子可得 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 設轉子的左 右平面上不平衡量為u 0 1 和u 0 2 左 右支承上的振動矢量分別為 a 0 和b 0 初始測量 可得到左 右支承上的振動矢量分別為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 試測一得到振動矢量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 試測二得到振動矢量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算出影響系數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 按巾的方向轉動一巾角 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 單面動平衡的工作流程 單面平衡采用了影響系數法 又叫轉子的單面測相平衡法 顧名思義 在測量轉 子基頻振動的幅值時 還需要對基頻振動的相位進行測量 對轉子進行單面動平衡的 工作流程如圖2 3 具體步驟為 圖2 3 7 首先測取轉子在工作轉速下的初始基頻振動矢量a 0 選擇合適的試重m 加到轉子上 測量加試重后轉子在相同轉速下的振動矢量a l 轉子上應加平衡重量 矢量形式 按下式計算 q 嘲 a o a i a o 2 1 2 由于轉子不平衡離心力與轉速有關 動平衡過程中 所有的振動測量都應保證在同一 轉速下進行 雙面動平衡的工作流程 幾乎所有的單跨轉子的平衡都可用雙面動平衡法實現 單面平衡也是雙面平衡的 一個特例 進行轉子的雙面動平衡時 需要兩個加試重平面以及兩個測試點 雙面動 平衡采用的仍然是影響系數法 與單面動平衡不同的是 在其中的一個面上加試重時 需要同時對兩個測點的振動進行測量 即要考慮交叉效應 這樣 雙面動平衡法將有 四個影響系數 如圖2 4 具體步驟為 測量兩個測點的初始振動 第一面加試重 測量兩個測點的振動 第二面加試重 測量兩個測點的振動 計算出影響系數 給出平衡配重結果 如果已知道影響系數 則可越過步驟2 和3 直接輸入影響系數 得到平衡配重結果 2 2 數據采集器和動態分析部分基本原理 數據采集器和動態分析部分主要以對傳感器采集的電壓信號經過信號處理以后進 行a d 轉換 對轉換完得到的數組進行f f t 做出信號的頻譜 從而分析診斷機械故障 其中傳感器可以選擇電荷傳感器和電壓傳感器兩種測量方式 電荷傳感器采集的信 號經過電荷放大器 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 用以下測量參數與振動故障指標建立聯系 d i s 位移峰峰值 即振動正 負兩個方向間的最大振動距離 常用于 機器零部間的間隙要求比較嚴格的場合 如在滑動軸承中運行的葉片轉 子 峰峰值常用 作下標表示 如位移峰峰值常表示為d 或s 忡 v e l 速度有效值 又稱振動烈度 是評價機器振動強烈程度的常用參數 它定義為 振動速度的均方根值 直接反映振動的能量 有效值一般用 作下標表示 速度 有效值常表示為v a c e 加速度峰值 峰值定義為振動偏離零位的最大幅度 一般以下標 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 高頻加速度包絡有效值 即濾掉了和轉軸有關的各種低頻分量后 8 的高頻加速度信號的包絡信號的有效值 它主要反映了由于滾動軸承內 外環或滾動元件表面點蝕 剝落 裂紋等損傷所產生的沖擊大小 v o l 電壓 用于配接輸出電壓信號的其它傳感器 如磁電式速度傳感 器 電渦流位移傳感器等 圖2 4 9 對于上述各種測量方式和測量參數 必須根據所要監測的設備的特 點 各種參數的頻率范圍 對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 數加諫席 不平衡 壓力脈沖 齒輪 氣穴 主要異常不對中滾動軸承沖擊 滑動軸承葉輪通過時引起的振動迷宮式密封接觸 圖2 5 2 3 總體方案設計 根據市場的要求 確定系統要求為 1 數據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 電路設計力求簡潔 可靠 盡量采用集成度高的芯片 3 要求處理器的信號處理能力強 可擴展的尋址空問大 有良好的外圍接口 便 于今后的進一步開發 4 有友好的人機界面 便于操作 5 適當的元器件價格 盡量降低開發和生產成本 c p u 是數據采集器的系統核心 它的選擇將決定儀器的總體結構 開發系統 功能是否強大 工作是否可靠 是否便于開發 以及價格是否適當等多方面因素都 得綜合考慮 經過多方面的調研與咨詢 對目前市場上滿足要求的處理器作如下比 較 5 1 系列單片機是8 位單片機 也是現在市場上最為流行的單片機之一 它具 有品種全 兼容性強 軟硬件資料豐富等特點 且隨著各大廠商紛紛推出了功能強 大的產品 使5 1 系列單片機的處理速度和集成度有了較大的提高 以現在市場上 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 字節的f l a s h 4 k 字節的高速r a m 個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 等總線結構 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 這些功能的增加使得5 1 系列單片機在工 業控制領域具有較強的競爭力 但由于處理速度相對較慢且可擴展的空間較小 對 l o 于大量數據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 最適合用于對價位和功耗要求 較高的消費類應用 a r m 7 微處理器系列具有如下特點 具有嵌入式i c e r t 邏輯 調試開發方便 極低的功耗 適合對功耗要求較高的應用 如便攜式產品 能夠提供0 9 h i p s 吼z 的三級流水線結構 代碼密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集 對操作系統的支持廣泛 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 便于用戶的產品升級換代 主頻最高可達1 3 0 h i p s 高速的運算處理能力能勝任絕大多數的復雜應用 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f l a s h 微處理器家族的一員 它擁有2 5 6 k 字節的高速f l a s h 和1 6 k 字節的s r a m 車富的 外設資源 包括一個u s h 2 0 設備 使外部器件數目減至最低的完整系統功能集 這個芯片具有體積小 功耗低 價格合理 存儲容量大 速度快等特點 因此是性 價比較高的理想選擇 根據系統要求 市場調研情況以及相關器件的發展水平 確定了系統的硬件結 構各組成部分如下 c p u 采用a t 9 1 s u m 7 s 2 5 6 5 5 m h z 的時鐘頻率 程序存儲器采用a t 9 1 s u m t s 2 5 6 片內2 5 6 k 字節高速f l a s h 數據存儲器采用a t 9 1 s u m 7 s 2 5 6 片內1 6 k 字節的高速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 頁 利用a t 9 1 s u m t s 2 5 6 片內u s b 器件端口u d p 通過u s b 口與上位機通訊 采用t 6 9 6 3 c 型號2 4 0 1 2 8 點陣的液晶顯示分析結果 采用非編碼的薄膜鍵盤進行功能選擇 第三章硬件系統的設計 硬件系統的設計包括三部分 第一部分為電源供電系統 它包含了電池 電源 開關和必要的d c d c 變換器 以便為系統的各個部分提供所需的動力 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的采集 選通 放大 濾波 第三部分為數字電路部分 包括a r m 微控制器 邏輯控制芯片 數據存儲器 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 電源系統的設計 作為一個系統的原動力 電源常常被認為是整個系統的心臟 電源配置時應充 分考慮到干擾的隔離與抑制 另外對于不同的信號調節電路中的芯片 如運算放大 器其電源有特殊要求 隨著變換電路選用一些特殊芯片時 也要求有特殊的供電 因此 應根據電路配置狀況很好地解決電源供給問題 d c d c 變換器是信號拾取通道中的理想化固體電源 它們可以為信號拾取通 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 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 斷了系統主電源與信號拾取通道電源間的干擾渠道 有效地實現了電源隔離 對于 用電池供電的系統來說 最大的問題是隨著電池的使用 其儲存的能量逐漸消耗 將產生電壓不穩的問題 不但會引起系統工作不正常 嚴重時甚至可能導致元器件 的損壞 在電池供電系統中選擇開關型d c d c 轉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 同時通過在輸出級添加適當的濾波電路 還能夠將輸出電壓紋波降至較小的范圍 常見的d c d c 轉換器有三種 即脈沖頻率調制 p f m 限流型脈沖頻率調 制和脈沖寬度調制 p w m 它們三者的主要區別在于電感的選擇 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 輸出噪聲在不同負載時有較大的變化 限流型脈沖頻率調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 比標準的p f m 低得多 但是其輸出的噪聲隨 負載變化而變化 脈沖寬度調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 而且開關頻率固定 噪聲帶寬很窄 通過比較可以看出 針對不同性能 要求的系統選用不同的穩定可靠的穩壓器件來提供穩定的電壓源是非常重要的 本文研究的機械故障診斷儀屬于手持式便攜設備 一般采用電池供電 電壓在 6 5 v 左右 將6 5 v 通過電平轉換芯片轉換成5 v 給邏輯控制芯片 數據存儲器 鍵盤 液晶供電 5 v 轉換成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 電壓調節器的供電 而電壓調節器的輸出為1 6 5 v 左右 為a t 9 1 s u 1 7 s 2 5 6 內核和p l l 供電 3 i 1 電源結構 整個系統的供電結構如圖3 1 圖3 1 3 1 2 開關機電路 考慮到電池沒電或者其他原因突然關機時數據可能沒有保存而造成損失 設計 了一種能夠檢測到關機的開關電路 根據用戶的要求 要求開和關用一個鍵實現 并且能夠實現軟關機 針對這個要 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 開狀態 當x 按下 a r m 與5 v 電源接通 系統上電 系統一上電即執行控制程 序將y 閉合 實現開機 關狀態 在系統上電運行時 d s p 掃描x 鍵的狀態 當x 為低時 連續掃描x 當x 由低變高 即按鍵拾起時 由d s p 將y 斷開 實現關機 若要實現軟關機 在運 行過程中直接用命令將y 斷開即可 3 2 模擬電路的設計 模擬電路部分主要完成模擬信號的采集 選通 放大 濾波 將傳感器探測到的 信號變換成a t 9 l s u m 7 s 2 5 6 中a d 能夠轉換的信號范圍內 為a d 采樣打基礎 3 2 1 傳感器的選擇 選用傳感器時 要考慮靈敏度 使用頻率范圍 動態范圍和質量大小等性能參 數是否符合測試的要求 通常在滿足頻率范圍和質量要求的前提下 選用靈敏度高 的傳感器 測量振動信號時 通常可以選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原理來測量振動位移的電參數變化型非接觸式 傳感器 其最大優點就是線性度好 在其線性范圍內 靈敏度不隨初始安裝間隙而 改變 同時它的使用頻率范圍寬 抗干擾能力強 不受介質影響 結構簡單 這給 測量帶來了極大的方便 因而得到了廣泛的應用 尤其是在汽輪機 壓縮機 離心 機等旋轉機械的振動監測方面 壓電式加速度計是利用某些具有壓電效應的晶體作 為機電轉化元件而構成的傳感器 它屬于高內阻弱信號傳感器 引線 屏蔽等周圍 環境影響大 比如電磁場 輻射等對其靈敏度會產生影響 體積小 重量輕 靈敏 度高 頻率范圍寬等特點使其廣泛應用在振動測量領域 本系統根據需要選用了這 兩種傳感器 并且設計了相應的信號調理電路 增加了應用的范圍 通常在進行動平衡過程中 需要進行相位和轉速的測量 對于這類信號的獲取 通常選用電渦流傳感器和光電傳感器 電渦流傳感器測量相位時 需要在轉子上設 置一個凸鍵或凹槽 每當轉子轉過標記時就產生一個脈沖 使用時 需對轉子進行 加工 對轉子本身的剛度 結構會產生一些影響 而光電傳感器測量相位和轉速時 只需在轉子的涂黑表面上粘貼反光帶 由光電傳感器產生脈沖信號 使用簡單 因 此系統選用光電傳感器進行轉速和相位的測量 3 2 2 振動信號的采集 數據采集是信號分析的基礎 它所取得的信號能否正確反映被測對象的真實狀 態 與采集電路的實時性與測量精度密切相關 對機械振動信號的采集 我們選用 壓電式加速度傳感器作為測振傳感器 加速度電荷傳感器采集過來的電荷信號經過 電荷放大器轉換成電壓信號 此即加速度電壓信號 經過一次積分電路 得到速度電 壓信號 再經過一次積分電路 得到位移電壓信號 同時加速度電壓信號經過高通濾 波得到高頻的包絡信號 電壓傳感器直接采集到所需的電壓信號 此五路信號可以經 過數字選擇開關進行選通 其中的數字選擇開關采用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 為程序中設置的數字量 數字 量n b 與模擬電壓v o u t 的對應關系如下 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 與單片機連接圖3 4 如下 圖3 4 其中c s 為芯片選擇信號 s c l k 為時鐘 d i n 為程序中設置的串行輸入的數據n b 3 2 3 振動信號的處理 經過采集并選通的信號要經過放大和濾波 放大采取兩級發大器放大和一級程控 放大器 i a x 5 1 5 8 發大 濾波使用數字濾波器芯片l t c l 0 6 9 數字濾波器芯片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 r o u t 為輸出信號 f c l k 為程序中設置的低通濾波值 3 3 數字電路的設計 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 具有很高的性價比 主要體現在以下幾個方面 一 采用r i s c 體系結構 傳統的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 復雜指令集計算機 結構有 其固有的缺點 即隨著計算機技術的發展而不斷引入新的復雜的指令集 為支持這些 新增的指令 計算機的體系結構會越來越復雜 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 的指令會被反復使用 占整個程序代碼的8 0 而余下的8 0 的指令卻不經常使用 在程序設計中只占2 0 顯然 這種結構是不太 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 精簡指令集計算機 的概念 r i s c 并非只是簡單地去減 少指令 而是把著眼點放在了如何使計算機的結構更加簡單合理地提高運算速度上 r i s c 結構優先選取使用頻最高的簡單指令 避免復雜指令 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到上述目 的 到目前為止 r i s c 體系結構也還沒有嚴格的定義 一般認為 r i s c 體系結構應具 有如下特點 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 便于流水線操作執行 大量使用寄存器 數據處理指令只對寄存器 進行操作 只有加載 存儲指令可以訪問存儲器 以提高指令的執行效率 除此以外 a r m 體系結構還采用了一些特別的技術 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前面的執行結果決定是否被執行 從而提高指令的執行效率 可用加載 存儲指令批量傳輸數據 以提高數據的傳輸效率 可在一條數據處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理 在循環處理中使用地址的自 動增減來提高運行效率 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構中支持兩種指令集 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 但與等價的a r m 代碼相比較 可節省3 0 4 0 以上的存儲空間 同時具 備3 2 位代碼的所有優點 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 字節的片內高速f l a s h 存儲器 共5 1 2 頁 每頁1 2 8 字節 在最壞的條 件下可以3 0 姍z 的速度進行單時鐘周期訪問 預取緩沖器可以實現t h u m b 指令的優化 使處理器以最快的速度執行指令 頁編程時間為4m s 包括頁自動擦除 全片擦除時 間為1 0m s 1 0 0 0 0 次的寫壽命 1 0 年數據保持能力 扇區鎖定功能 f l a s h 安全 鎖定位 適合量產的快速f l a s h 編程接口 1 6 k 字節的片內高速s r 心 可以在最高時 鐘速度下進行單時鐘周期訪問操作 四 具有豐富的外設資源 1 i 存儲器控制器 m c 一嵌入式f l a s h 控制器 異常中斷 a b o r t 狀態及未對齊 m i s a l i g n m e n t 檢測 復位控制器 r s t c 一上電復位和經過工廠標定的掉電檢測 一提供復位源信息以及給外部電路使用的復位信號 時鐘發生器 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p l l 電源管理控制器 n c 一可以通過軟件進行電源優化 包括慢速時鐘模式 低至5 0 0h z 和空閑 i d l e 模式 一三個可編程的外部時鐘信號 先進的中斷控制器 a i c 一可以單獨屏蔽的 具有8 個優先級的向量式中斷源 一兩個外部中斷源和一個快速中斷源 可以防止虛假 s p u r i o u s 中斷 調試單元 d b g u 一2 線u a r t 支持調試通訊通道中斷 可通過程序來禁止通過i c e 進行訪問 周期性間隔定時器 p i t 一2 0 位可編程的計數器 加上1 2 位的間隔計數器 時間窗看門狗 w d t 一1 2 位受預設值 k e y 保護的可編程計數器 一為系統提供復位或中斷信號 一當處理器處于調試狀態或空閑模式時可以停止計數器 實時定時器 r t t 1 7 一3 2 位自由運行的具有報警功能的計數器 一時鐘來源于片內r c 振蕩器 一個并行輸入 輸出控制器 p i o a 一3 2 個可編程的復用i o 每個i o 最多可以支持兩個外設功能 一輸入電平改變時 每個i o 都可以產生中斷 一可以獨立編程為開漏輸出 使能上拉電阻以及同步輸出 i 1 個外設數據控制器 p d c 通道 一個u s b2 0 全速 1 2 l b p s 設備端口 一片上收發器 3 2 8 字節可編程的f i f o 一個同步串行控制器 s s c 一每個接收器和發送器都具有獨立的時鐘和幀同步信號 一支持i s 支持時分多址 一支持3 2 位數據傳輸的高速連續數據流功能 兩個通用的同步 異步收發器 u s a r t 一獨立的波特率發生器 i r d a 紅外調制 解調 一支持i s 0 7 8 1 6t o t 1 智能卡 硬件握手信號 支持r s 4 8 5 一u s a r t l 支持全功能的調制解調囂信號 主 從串行外設接口 s p i 一8 n 1 6 位可編程的數據長度 4 個片選線 一個3 通道的1 6 位定時器 計數器 t c 一3 個外部時鐘輸入端 每個通道有兩個多功能i o 弓i 腳 一倍速p w m 發生功能 捕捉 波形模式 遞增 遞減計數 一個4 通道的1 6 位p 嘲控制器 p w m c 一個兩線接口 t w i 一只支持主機模式 支持所有的a t m e l 兩線e e p r o m 一個8 通道的l o 位模數轉換器 其中4 個通道與數字i o 復用 i e e e1 1 4 9 1j t a g 邊界掃描支持所有的數字引腳 5 v 兼容的i o 包括4 個高達1 6m a 的大電流驅動i o 電源 一片上1 8 v 電壓調節器 可以為內核及外部元件提供高達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 以及獨立的為f l a s h 供電的3 3 vv d d f l a s h 一內核電源為1 8 vv d d c o r e 并具有掉電檢測 b o d 功能 全靜態操作 極限條件下 1 6 5 v 8 5 4c 高達5 5 姍z 封裝為6 4 腳的l q f p 五 功耗低 3 3 2 外部存儲器系統設計