DSP旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征提取測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)

引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與在線預(yù)測(cè)技術(shù)、是近年來(lái)研究的熱門(mén)課題,它是對(duì)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(cè)與故障診斷的智能化（監(jiān)測(cè)設(shè)備的強(qiáng)大實(shí)時(shí)信號(hào)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?cè)诰€采集與離線分析為在線連續(xù)采集與實(shí)時(shí)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(cè)和專(zhuān)家聯(lián)合診斷技術(shù)）[1]。因此,針對(duì)大型轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)種類(lèi)繁多、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大,瞬時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn),并以多種類(lèi)、多通道傳感器信號(hào)高速高精度連續(xù)采集、實(shí)時(shí)狀態(tài)特征提取和測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮的高性價(jià)比、網(wǎng)絡(luò)型ats（automatic testing system）為研制目標(biāo),筆者對(duì)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(jì)思路

基于以上分析,大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)特征實(shí)時(shí)提取與測(cè)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(shí)時(shí)處理模塊以及智能時(shí)間頻率測(cè)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(shí)進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮等處理,通信控制模塊對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步控制和綜合觸發(fā),對(duì)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(shí)時(shí)處理模塊分別對(duì)傳感器信號(hào)或電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、濾波、連續(xù)采集、實(shí)時(shí)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(shí)間頻率測(cè)量模塊用于轉(zhuǎn)送等脈沖式傳感器信號(hào)測(cè)量,也可接入ttl信號(hào)直接進(jìn)行時(shí)間計(jì)數(shù)和頻率測(cè)量。既可作為專(zhuān)用旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)、特征提取和測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)壓縮、又可作為通用測(cè)試平臺(tái)。

虛擬儀器（vi）整合了計(jì)算機(jī)、智能測(cè)試、模塊及總線的標(biāo)準(zhǔn)化以及數(shù)字信號(hào)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(tái)上的一個(gè)完全開(kāi)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(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征提取和測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)壓縮需求分析和開(kāi)放性體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(chǔ)固態(tài)盤(pán)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(cè)量、控制、通信、計(jì)算機(jī)（mc3）一體化系統(tǒng)的思路,本著先進(jìn)、實(shí)用、可靠和經(jīng)濟(jì)的原則,筆者自主研發(fā)的具有實(shí)時(shí)特征提取和測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮能力的高性價(jià)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(dòng)態(tài)范圍計(jì)數(shù)器程控模擬前端調(diào)理卡;（4）為智能計(jì)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(shí)時(shí)處理卡;（9）為四通道高精度連續(xù)采集及實(shí)時(shí)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(guò)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(guò)儀器總線對(duì)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(shí)現(xiàn)4m×32bit的同步數(shù)據(jù)緩存。通過(guò)高速同步串口（sport0）,可與其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式同步互聯(lián);也可借助pc高速通信控制卡實(shí)現(xiàn)對(duì)本卡的監(jiān)控調(diào)試和通信控制。對(duì)內(nèi)借助總線驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘復(fù)位、讀寫(xiě)、狀態(tài)反饋等常用儀器狀態(tài)控制信號(hào)的連接,零槽主控dsp可實(shí)現(xiàn)從模塊dsp/mpu的多種串行通信模式：sport1以tdm的方式可實(shí)現(xiàn)與最多32個(gè)從設(shè)備的高速同步通信,通過(guò)可編程io腳flagx,可模擬實(shí)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(hào)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(wú)需外部控制電路直接相連就可以組成一個(gè)存儲(chǔ)空間統(tǒng)一、dsp相互之間既緊密耦合又相對(duì)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(guò)hpi以矢量中斷驅(qū)動(dòng)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(pán)鼠標(biāo)、crt、硬盤(pán)和10/100m以太網(wǎng)絡(luò)接口等,借助網(wǎng)絡(luò)接口對(duì)外可將機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)快速傳送給主計(jì)算機(jī)和接收遠(yuǎn)程控制指令,筆記本結(jié)構(gòu)硬盤(pán)也可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行海量存儲(chǔ)。操作平臺(tái)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(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)以及確保友好的人機(jī)界面等。這種零槽通信控制卡的實(shí)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(pán)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(dòng);（10）為sharc dsp;（11）為dsp引導(dǎo)flash;（12）為儀器總線接口驅(qū)動(dòng)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(xiě)fifo;（15）為pc高速通信控制卡（isa插卡）;（16）為筆記本硬盤(pán)。

◇ 高速連續(xù)采集與實(shí)時(shí)處理卡研制

圖4所示是一種四通道高速連續(xù)采集與實(shí)時(shí)處理卡的實(shí)物圖片,這種基于ad9260的四通道高速連續(xù)采集與實(shí)時(shí)處理卡主要包括信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍程控模擬前端（afe,analog front end）,在isp1的控制下,可對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍（-10-+10v）帶寬電壓信號(hào)進(jìn)行智能化精密調(diào)理,直流測(cè)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(hào)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(hào),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(jí)緩存和sdram二級(jí)緩存）三者構(gòu)成一個(gè)靈活緊湊的實(shí)時(shí)信號(hào)處理結(jié)構(gòu),保證dsp充分發(fā)揮高密度、實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力（數(shù)字濾波、特征提取和測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)壓縮等）,同時(shí)實(shí)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(guò)總線接口邏輯控制isp2和驅(qū)動(dòng)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(jí)緩存;（7）為fifo一級(jí)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(jí)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(dòng)及隔離;（17）為儀器底板總線接口。

◇ 高精度連續(xù)采集與實(shí)時(shí)處理卡的研制

基于cs5397的四通道高精度連續(xù)采集與實(shí)時(shí)處理卡主要包括高精度大動(dòng)態(tài)范圍程控afe,如3.2所述,為了實(shí)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(cè)量精度可達(dá)到0.01%fs。高性能dsp和sdram構(gòu)成一個(gè)靈活緊湊的實(shí)時(shí)信號(hào)處理結(jié)構(gòu),保證dsp充分發(fā)揮高精度、實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力,同時(shí)實(shí)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(cè)控模塊實(shí)現(xiàn)高速同步互聯(lián)的通道,通過(guò)總線接口邏輯控制isp2和驅(qū)動(dòng)隔離部分,可通過(guò)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(shí)時(shí)處理卡的實(shí)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(dòng)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(shí)傳感器調(diào)理采集與實(shí)時(shí)處理卡的研制

基于ad7710的多功能傳感器調(diào)理采集與實(shí)時(shí)處理卡可由13個(gè)部件組成,其中（1）為一級(jí)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(dòng)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(duì)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(hào)進(jìn)行精密采集和實(shí)時(shí)處理,為實(shí)現(xiàn)1-10000倍的程控增益倍數(shù),模塊采用一級(jí)放大pga202（1,10,100,1000倍）和ad7710內(nèi)嵌的二級(jí)pga（1-128倍）。四通道串行dac（dac7614）為各模擬通道提供調(diào)零信號(hào);isp1實(shí)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(cè)控模塊實(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)范圍計(jì)數(shù)模擬前端程控調(diào)理與智能技術(shù)卡研制

智能計(jì)數(shù)器包括大動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)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(duì)輸入信號(hào)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(duì)半波整流輸出進(jìn)行峰值檢測(cè),據(jù)此對(duì)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(jì)數(shù)器模塊。

計(jì)數(shù)器模塊采用isp硬件加dsp軟件相結(jié)合,可靈活實(shí)現(xiàn)超高范圍的高性能智能計(jì)數(shù)：累加技術(shù)范圍232-1,原則上計(jì)數(shù)器字寬不受限制,頻率測(cè)量精度可達(dá)到1×10-6;既可統(tǒng)一選擇外部閘門(mén)信號(hào),又能通道1-8互為閘門(mén)信號(hào)。rs232接口為智能計(jì)數(shù)器卡的pc監(jiān)控調(diào)試接口,智能計(jì)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(guò)儀器底板總線分別建立起來(lái)與零槽通信控制卡的通信控制和數(shù)據(jù)交換。

這種大動(dòng)態(tài)范圍計(jì)數(shù)模擬前端程控調(diào)理與智能計(jì)數(shù)卡可由以下20個(gè)部件組成：其中（1）為隔直及輸入阻抗匹配;（2）為程控rc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(cè)輸出;（10）為緩沖驅(qū)動(dòng)電路;（11）為單通道大動(dòng)態(tài)范圍及其程控模擬前端調(diào)理電路;（12）為八通道計(jì)數(shù)模擬前端調(diào)理底板;（13）為計(jì)數(shù)信號(hào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)隔離;（14）為基于isp的8通道智能計(jì)數(shù)模塊;（15）為計(jì)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(dòng);（19）為sharc dsp小系統(tǒng),包括dsp,fdash等;（20）為智能計(jì)數(shù)器卡。

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字信號(hào)處理解決方案（dsp）是數(shù)字化時(shí)代解決電子儀器開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)（osa）設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)信號(hào)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(jì)專(zhuān)門(mén)的背板式儀器總線,用于內(nèi)部控制和數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)了模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的開(kāi)放式結(jié)構(gòu),專(zhuān)門(mén)的儀器同步互聯(lián)接口和100m以太網(wǎng)接口,用于與其他測(cè)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(cè)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(duì)分布式同步互聯(lián)型測(cè)控網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和高端ats的國(guó)產(chǎn)化等進(jìn)行了有意的探索,在x代步兵戰(zhàn)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合闡述動(dòng)態(tài)測(cè)試、裝甲車(chē)載荷譜測(cè)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(shí)時(shí)壓縮以及遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值;可實(shí)時(shí)地全部測(cè)試振動(dòng)（應(yīng)力）測(cè)量中最主要的9項(xiàng)評(píng)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(gè)高性價(jià)比功能模塊卡都可自成系統(tǒng),可對(duì)各種常用工業(yè)傳感器信號(hào)進(jìn)行高速高精度連續(xù)采集、實(shí)時(shí)處理和同步傳送,在智能儀器、ats和軍用ate中有可移植性。