基于DSP+MCU的列車滾動軸承故障診斷系統(tǒng)設計與應用

O 引言
滾動軸承是列車轉動機件的支撐，也是鐵路車輛上最容易危及行車安全的易損件。由于工作面接觸應力的長期反復作用，極易引起軸承疲勞、裂紋、壓痕等故障，導致軸承斷裂，造成重大事故。軸承工作狀態(tài)是否正常，對于列車的安全有著重大的影響。因此，開展列車滾動軸承故障診斷的研究對避免重大事故、促進經(jīng)濟發(fā)展具有相當大的意義。

1 系統(tǒng)總體設計
1．1 硬件系統(tǒng)
振動控制系統(tǒng)是一個典型的實時信號處理系統(tǒng)，需要對較復雜的信號進行處理?？紤]到單片機的控制功能強，其總線位數(shù)少，運行速度相對較慢；而DSP(Digital Signal Processor)的運算能力強，總線寬度寬，控制功能相對較弱。為了提高系統(tǒng)的信號處理速度，便于對系統(tǒng)的硬件和軟件的進一步開發(fā)，結合單片機的控制能力，設計了DSP+MCU的方案，如圖1所示。該系統(tǒng)是一個基于定點DSP芯片TMS320C32的滾動軸承振動故障診斷系統(tǒng)，主要適用于對滾動軸承振動信號的采集、處理和故障診斷，并通過軸承溫度信號實現(xiàn)對軸承工作狀態(tài)的監(jiān)測。

滾動軸承的振動信號屬于高頻信號，因此應用加速度傳感器進行信號的拾取。但由于加速度傳感器所測得的信號較弱，必須經(jīng)過電荷放大器、抗混濾波等系列電路處理后才能進入高速A／D轉換電路，保證了數(shù)據(jù)分析所需的數(shù)據(jù)量，能實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的幅值域、時域和頻域分析。處理后的振動信號和經(jīng)單片機采集到的溫度數(shù)據(jù)均送到DSP處理器進行處理分析，作出故障預報和診斷。對已形成的或正在形成的故障進行分析處理，判斷出故障產(chǎn)生的部位及原因，并及時采取有效的措施。單片機負責執(zhí)行顯示和DSP子系統(tǒng)的控制功能，包括DSP的命令解釋、數(shù)據(jù)傳輸控制、數(shù)據(jù)的輸入／輸出等控制功能，使DSP可以執(zhí)行高速、實時的DSP算法。存貯器包括程序儲存器和數(shù)據(jù)儲存器，用于儲存用戶程序(EPROM)和實時數(shù)據(jù)(RAM)。
1．2 軟件系統(tǒng)
軟件采用模塊化設計思想，使系統(tǒng)的維護、改進和功能擴展十分方便，還可進一步推廣到其他振動信號的采集和分析。
1．2．1 系統(tǒng)軟件主程序
軸承故障診斷系統(tǒng)的主要任務是對采集的信號進行分析和處理，因此軟件設計的好壞直接影響數(shù)據(jù)處理的能力。系統(tǒng)軟件由主程序、串行口中斷服務、INT0中斷服務程序和數(shù)據(jù)處理程序組成。主程序完成AD574A芯片初始化、8751H的初始化、TMS320C32復位、包括從FLASH存儲器中讀取已經(jīng)存入的振動信號的各種信息。完成初始化過程后，TMS320C32等待從875lH主處理器發(fā)出的各種命令，根據(jù)不同命令調用相應的處理子程序，系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。中斷服務程序每隔10 ms中斷一次，并置各種定時到達標志以便主程序判斷使用。串行中斷服務程序主要完成振動信號的輸入、輸出等功能。INT0中斷服務程序主要用于接收從8751H發(fā)出的各種命令，并設置相應的命令標志以便于TMS320C32在主程序中識別并調用相應的子程序。