基于PC104和多DSP的旋轉(zhuǎn)機(jī)械實時特征提取及測試數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)

引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與在線預(yù)測技術(shù)、是近年來研究的熱門課題，它是對運(yùn)行信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、特征提取和模式分配等工作，發(fā)展趨向是狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的智能化（監(jiān)測設(shè)備的強(qiáng)大實時信號處理能力）、系統(tǒng)化（強(qiáng)調(diào)多故障征兆信息的融合：多傳感器融合技術(shù)）、早期化（變在線采集與離線分析為在線連續(xù)采集與實時處理，變預(yù)防性維修為視情維修）和網(wǎng)絡(luò)化（應(yīng)用基于internet的遠(yuǎn)程檢測和專家聯(lián)合診斷技術(shù)）[1]。因此，針對大型轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)信號種類繁多、頻帶寬、動態(tài)范圍大，瞬時性強(qiáng)等特點(diǎn)，并以多種類、多通道傳感器信號高速高精度連續(xù)采集、實時狀態(tài)特征提取和測試數(shù)據(jù)壓縮的高性價比、網(wǎng)絡(luò)型ats（automatic testing system）為研制目標(biāo)，筆者對該技術(shù)進(jìn)行了較為細(xì)致地探索。

需求分析及總體設(shè)計思路

基于以上分析，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)特征實時提取與測試數(shù)據(jù)壓縮（處理）系統(tǒng)應(yīng)具有以下性能：應(yīng)包括通信控制模塊、高速連續(xù)采集、高精度連續(xù)采集、多功能傳感器調(diào)理采集與實時處理模塊以及智能時間頻率測量模塊等，各模塊并行工作，且自帶高性能dsp，以是現(xiàn)在連續(xù)采集的同時進(jìn)行測試數(shù)據(jù)壓縮等處理，通信控制模塊對內(nèi)實現(xiàn)同步控制和綜合觸發(fā)，對外有網(wǎng)絡(luò)接口和海量數(shù)據(jù)緩存設(shè)備。高速、高精度、多功能傳感器連續(xù)采集與實時處理模塊分別對傳感器信號或電壓信號進(jìn)行調(diào)理、濾波、連續(xù)采集、實時處理（數(shù)字濾波、特征提取和數(shù)據(jù)壓縮處理等）和同步傳送等，智能時間頻率測量模塊用于轉(zhuǎn)送等脈沖式傳感器信號測量，也可接入ttl信號直接進(jìn)行時間計數(shù)和頻率測量。既可作為專用旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)檢測、特征提取和測試數(shù)據(jù)實時壓縮、又可作為通用測試平臺。

虛擬儀器（vi）整合了計算機(jī)、智能測試、模塊及總線的標(biāo)準(zhǔn)化以及數(shù)字信號處理（dsp）等技術(shù)，是建立在標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、積木化的硬件與軟件平臺上的一個完全開放的系統(tǒng)，這種vi/ats系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)研制

針對大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征提取和測試數(shù)據(jù)實時壓縮需求分析和開放性體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)合pc104嵌入式系統(tǒng)功能強(qiáng)、體積小、兼容性好、工作穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)[2]，特別是具有產(chǎn)品化的網(wǎng)絡(luò)通信和海量存儲固態(tài)盤接口等優(yōu)點(diǎn)，整合vxi總線、多dsp（sharc）并行處理[3]，高速緩存、vi以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，按照測量、控制、通信、計算機(jī)（mc3）一體化系統(tǒng)的思路，本著先進(jìn)、實用、可靠和經(jīng)濟(jì)的原則，筆者自主研發(fā)的具有實時特征提取和測試數(shù)據(jù)壓縮能力的高性價比ats如圖2所示[4]。

在圖2中，（1）為系統(tǒng)機(jī)箱前視圖；（2）為系統(tǒng)機(jī)箱后視圖；（3）為八通道大動態(tài)范圍計數(shù)器程控模擬前端調(diào)理卡；（4）為智能計數(shù)器卡；（5）為多功能傳輸器調(diào)理及采集板；（6）為儀器內(nèi)部底板總線；（7）為零槽通信控制卡；（8）為四通道高速連續(xù)采集及實時處理卡；（9）為四通道高精度連續(xù)采集及實時處理卡。

◇零槽通信控制卡研制

筆者應(yīng)用研華科技公司的pcm-3346 486 dx66-based模塊，并通過pc104 isa總線與高性能shirc adsp2106x相結(jié)合的方式研發(fā)了基于pc104嵌入式系統(tǒng)的零槽通信控制卡[5]。

在該系統(tǒng)中，dsp作為pc104嵌入式系統(tǒng)的協(xié)處理器，可通過儀器總線對內(nèi)管理各儀器模塊，并和pc104基于fifo一起緩沖數(shù)據(jù)池進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換和通信控制，以支持突發(fā)式海量數(shù)據(jù)傳輸。大容量sdram可實現(xiàn)4m×32bit的同步數(shù)據(jù)緩存。通過高速同步串口（sport0），可與其他系統(tǒng)實現(xiàn)分布式同步互聯(lián)；也可借助pc高速通信控制卡實現(xiàn)對本卡的監(jiān)控調(diào)試和通信控制。對內(nèi)借助總線驅(qū)動隔離和邏輯控制電路，與從功能模塊卡建立起模塊選擇（idx）、同步觸發(fā)、時鐘復(fù)位、讀寫、狀態(tài)反饋等常用儀器狀態(tài)控制信號的連接，零槽主控dsp可實現(xiàn)從模塊dsp/mpu的多種串行通信模式：sport1以tdm的方式可實現(xiàn)與最多32個從設(shè)備的高速同步通信，通過可編程io腳flagx，可模擬實現(xiàn)uart、i2c、spi三種常用串行通信接口，從而便的與低端mpu進(jìn)行通信交換。

adi公司的sharc adsp2106x提供了共享總線所必要的控制握手信號線/br1-6、ack、/sw以及片內(nèi)總線仲裁功能，功能使最多6片adsp2106x無需外部控制電路直接相連就可以組成一個存儲空間統(tǒng)一、dsp相互之間既緊密耦合又相對獨(dú)立、數(shù)據(jù)傳送效率極高的共享總線式并行處理系統(tǒng)[6]，此外還可以通過hpi以矢量中斷驅(qū)動的方式建立主從多dsp并行處理系統(tǒng)，作為ats的“神經(jīng)中樞”，pc104嵌入式系統(tǒng)主要包括cpu模塊和系統(tǒng)擴(kuò)展模塊，cpu模塊提供標(biāo)準(zhǔn)鍵盤鼠標(biāo)、crt、硬盤和10/100m以太網(wǎng)絡(luò)接口等，借助網(wǎng)絡(luò)接口對外可將機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)快速傳送給主計算機(jī)和接收遠(yuǎn)程控制指令，筆記本結(jié)構(gòu)硬盤也可以對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行海量存儲。操作平臺為windows 98/2000，用visual c++6.0編程，主要功能是通信控制、建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫以及確保友好的人機(jī)界面等。這種零槽通信控制卡的實物圖片如圖3所示。

在圖3中，（1）為pc104嵌入式系統(tǒng)isa總線接口；（2）表示pc104系統(tǒng)；（3）為鼠標(biāo)接口；（4）為鍵盤接口；（5）為crt接口；（6）為以太網(wǎng)絡(luò)接口；（7）為rs485同步互聯(lián)接口；（8）為儀器底板總線接口；（9）為儀器內(nèi)部總線sport口緩沖驅(qū)動；（10）為sharc dsp；（11）為dsp引導(dǎo)flash；（12）為儀器總線接口驅(qū)動隔離及idx產(chǎn)生電路等；（13）為sdram同步緩存；（14）為pc104系統(tǒng)isa總線與dsp之間數(shù)據(jù)交換的讀&寫fifo；（15）為pc高速通信控制卡（isa插卡）；（16）為筆記本硬盤。

◇ 高速連續(xù)采集與實時處理卡研制

圖4所示是一種四通道高速連續(xù)采集與實時處理卡的實物圖片，這種基于ad9260的四通道高速連續(xù)采集與實時處理卡主要包括信號程控選擇（mux）、程控放大（pga）、程控衰減（dcp）、直流電平偏置、抗混迭濾波（lpf）和自校正參考源（dac）等具有自檢和自標(biāo)定功能的高精度大動態(tài)范圍程控模擬前端（afe，analog front end），在isp1的控制下，可對大動態(tài)范圍（-10-+10v）帶寬電壓信號進(jìn)行智能化精密調(diào)理，直流測量精度達(dá)到了0.05%fs。利用dsp及其他數(shù)字部件（mux），通道輸入信號可切換為內(nèi)部的dac，用dac產(chǎn)生特定的直、交流標(biāo)定信號，不僅可以標(biāo)定通道的增益與零偏，而且還可自檢模擬通道的功能正確與否，由高速adc、高性能dsp和高速緩存（fifo一級緩存和sdram二級緩存）三者構(gòu)成一個靈活緊湊的實時信號處理結(jié)構(gòu)，保證dsp充分發(fā)揮高密度、實時信號處理能力（數(shù)字濾波、特征提取和測試數(shù)據(jù)實時壓縮等），同時實現(xiàn)高速緩存、連續(xù)采樣和同步數(shù)據(jù)傳送[7]，基于sport接口，本卡既可以接受pc的監(jiān)控調(diào)試和通信控制，又可進(jìn)行分布式同步互聯(lián)，通過總線接口邏輯控制isp2和驅(qū)動隔離部分，可以sport、多sharc dsp共享總線或hpi等方式建立起與零槽通信控制卡的通信控制和數(shù)據(jù)交換。

圖4中（1）為四通道afe；（2）為mux；（3）為dcp；（4）為pga；（5）為四通道串行dac；（6）為四通道高速連續(xù)采集及一級緩存；（7）為fifo一級緩存；（8）為高速adc；（9）為adc輸入直流電平偏置及抗混迭濾波電路；（10）afe及daq控制isp1；（11）為flash；（12）為sdram二級同步緩存；（13）為基于sport的pc監(jiān)控調(diào)試接口；（14）為總線接口邏輯控制isp2；（15）為sharc dsp；（16）為總線驅(qū)動及隔離；（17）為儀器底板總線接口。

◇ 高精度連續(xù)采集與實時處理卡的研制

基于cs5397的四通道高精度連續(xù)采集與實時處理卡主要包括高精度大動態(tài)范圍程控afe，如3.2所述，為了實現(xiàn)理想的幅頻特性，系統(tǒng)采用前端模擬抗混迭濾波和后端dsp數(shù)字濾波相結(jié)合的工作方式[8]，直流測量精度可達(dá)到0.01%fs。高性能dsp和sdram構(gòu)成一個靈活緊湊的實時信號處理結(jié)構(gòu)，保證dsp充分發(fā)揮高精度、實時信號處理能力，同時實現(xiàn)高速緩存、連續(xù)采集和同步數(shù)據(jù)傳送、rs485接口為高精度采集和處理模塊提供了與pc機(jī)的命令和數(shù)據(jù)交互、與其他測控模塊實現(xiàn)高速同步互聯(lián)的通道，通過總線接口邏輯控制isp2和驅(qū)動隔離部分，可通過sport、多sharc dsp共享總線或hpi等方式建立與零槽通信控制卡的通信控制和數(shù)據(jù)交換，圖5所示是高精度四通道連續(xù)采集與實時處理卡的實物圖。

圖5中，（1）為四通道afe；（2）為狀態(tài)指示led；（3）為afe及daq控制isp1；（4）為雙通道高精度串行dac；（5）為dsp引導(dǎo)flash；（6）為sharc dsp；（7）為基于rs485的pc監(jiān)控調(diào)試接口；（8）為sdram同步緩存；（9）為總線接口邏輯控制isp2；（10）為總線驅(qū)動及隔離電路；（11）為adc輸入直流電平偏置及抗混迭濾波電路；（12）為儀器底板總線接口；（13）為四通道串行dac；（14）為pga；（15）為dcp；（16）為mux。

◇ 多功能時傳感器調(diào)理采集與實時處理卡的研制

基于ad7710的多功能傳感器調(diào)理采集與實時處理卡可由13個部件組成，其中（1）為一級程控增益放大器（pga）；（2）為狀態(tài)指示（lde）；（3）為可調(diào)精密橋源電路；（4）為sdram同步緩存；（5）為dsp引導(dǎo)flash；（6）為sharc dsp；（7）為基于sport口的pc監(jiān)控調(diào)試接口；（8）為總線接口邏輯控制isp2；（9）為總線驅(qū)動及隔離電路；（10）為afe及daq控制isp1；（11）為雙通道高精度串行adc（ad7710）；（12）為四通道串行dac（dac7614）；（13）為儀器底板總線接口。

該卡的主要功能是對應(yīng)變、壓阻、熱電阻傳感器橋路或熱點(diǎn)耦輸出的微弱電壓信號進(jìn)行精密采集和實時處理，為實現(xiàn)1-10000倍的程控增益倍數(shù)，模塊采用一級放大pga202（1，10，100，1000倍）和ad7710內(nèi)嵌的二級pga（1-128倍）。四通道串行dac（dac7614）為各模擬通道提供調(diào)零信號；isp1實現(xiàn)pga/dac/adc的程控選擇；sdram為系統(tǒng)提供大容量高速同步緩存，rs485接口為高精度采集和處理模塊提供了與pc機(jī)進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)交互、與其他測控模塊實現(xiàn)高速同步互聯(lián)的通道，基于總線接口邏輯控制isp2和驅(qū)動隔離部分，可以sport、多sharc dsp共享總線或hpi等方式建立起與零槽通信控制卡的通信控制和數(shù)據(jù)交換。

◇ 大動態(tài)范圍計數(shù)模擬前端程控調(diào)理與智能技術(shù)卡研制

智能計數(shù)器包括大動態(tài)范圍模擬前端程控調(diào)理卡和智能技術(shù)卡兩部分，為實現(xiàn)對大幅值范圍（±50v）和高帶寬（1hz-10mhz）的正弦波、三角波或鋸齒波三種周期性信號的程控調(diào)理[9]。系統(tǒng)采用繼電器和電阻電容網(wǎng)絡(luò)首先對輸入信號進(jìn)行隔直、程控衰減、經(jīng)二極管限壓保護(hù)電路后，進(jìn)行25倍的精密放大；高性能單片機(jī)msp430f149對半波整流輸出進(jìn)行峰值檢測，據(jù)此對程控衰減倍數(shù)（1，1/10，1/100）進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，緩沖整形電路輸出標(biāo)準(zhǔn)ttl電平送往計數(shù)器模塊。

計數(shù)器模塊采用isp硬件加dsp軟件相結(jié)合，可靈活實現(xiàn)超高范圍的高性能智能計數(shù)：累加技術(shù)范圍232-1，原則上計數(shù)器字寬不受限制，頻率測量精度可達(dá)到1×10-6；既可統(tǒng)一選擇外部閘門信號，又能通道1-8互為閘門信號。rs232接口為智能計數(shù)器卡的pc監(jiān)控調(diào)試接口，智能計數(shù)器卡基于sport、模擬前端程控調(diào)理卡（mpu）基于spi通信接口通過儀器底板總線分別建立起來與零槽通信控制卡的通信控制和數(shù)據(jù)交換。

這種大動態(tài)范圍計數(shù)模擬前端程控調(diào)理與智能計數(shù)卡可由以下20個部件組成：其中（1）為隔直及輸入阻抗匹配；（2）為程控r&c衰減網(wǎng)絡(luò)；（3）為限壓保護(hù)電路；（4）為基于三極管的阻抗隔離電路；（5）為帶寬精密放大電路。（6）為帶寬放大器調(diào)零電路；（7）為半波整流電路；（8）為施密特觸發(fā)整形電路；（9）為峰值檢測輸出；（10）為緩沖驅(qū)動電路；（11）為單通道大動態(tài)范圍及其程控模擬前端調(diào)理電路；（12）為八通道計數(shù)模擬前端調(diào)理底板；（13）為計數(shù)信號數(shù)據(jù)驅(qū)動隔離；（14）為基于isp的8通道智能計數(shù)模塊；（15）為計數(shù)前端程控調(diào)理控制器板；（16）為基于rs232的pc監(jiān)控調(diào)試接口；（17）為儀器底板總線接口；（18）為sport口緩沖驅(qū)動；（19）為sharc dsp小系統(tǒng)，包括dsp，fdash等；（20）為智能計數(shù)器卡。

結(jié)束語

數(shù)字信號處理解決方案（dsp）是數(shù)字化時代解決電子儀器開放式體系結(jié)構(gòu)（osa）設(shè)計的必要技術(shù)環(huán)節(jié)。應(yīng)用高性能dsp作為系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理的主芯片，構(gòu)成多dsp分布式、并行處理系統(tǒng)，充分發(fā)揮系統(tǒng)實時信號處理和海量數(shù)據(jù)的吞吐能力，仿vxi/pxi先進(jìn)總線技術(shù)，設(shè)計專門的背板式儀器總線，用于內(nèi)部控制和數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的開放式結(jié)構(gòu)，專門的儀器同步互聯(lián)接口和100m以太網(wǎng)接口，用于與其他測試系統(tǒng)同步互聯(lián)及pc機(jī)遠(yuǎn)程操作與調(diào)試，便于大型分布式測試系統(tǒng)的組建與同步互聯(lián)、同步控制以及綜合觸發(fā)等。本系統(tǒng)得成功研制，對分布式同步互聯(lián)型測控網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和高端ats的國產(chǎn)化等進(jìn)行了有意的探索，在x代步兵戰(zhàn)車發(fā)動機(jī)綜合闡述動態(tài)測試、裝甲車載荷譜測試中取得了良好的應(yīng)用效果，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械連續(xù)采集和實時壓縮以及遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價值；可實時地全部測試振動（應(yīng)力）測量中最主要的9項評估指標(biāo)；頻率精度、幅值精度、阻尼比、相位差、失真度、靈敏度、抗混迭濾波衰減陡度、模態(tài)參數(shù)和振型，各個高性價比功能模塊卡都可自成系統(tǒng)，可對各種常用工業(yè)傳感器信號進(jìn)行高速高精度連續(xù)采集、實時處理和同步傳送，在智能儀器、ats和軍用ate中有可移植性。