摘 要:介绍了一种新型旋转机械振动测量分析系统。该系统采用数字信号处理器(DSP)及嵌入式处理器(ARM), 实时检测设备运行的转速、振动信息, 由 DSP 进行振动信号处理和特征分析, ARM 上运行 Windows CE.NET 操作系统，完成人机接口、故障诊断以及通讯等功能。系统充分结合了DSP的实时信号处理能力和ARM的事务处理能力，满足了对旋转机械运行状态实时监测和诊断的要求。
1 引言
各种机器设备在运行时，由于回转体不平衡、负载的不均匀、结构刚度和各向异性、零部件之间的碰撞和冲击等都会诱发和激励机械振动。振动信号是机械状态检测和诊断的基本信息来源，是机械运行状态信息的载体。为使设备安全运行并保证正常的产品质量，必须监测设备运行中的有关振动信息、监视工况并进行故障诊断。本文介绍的振动测量分析系统采用ARM-DSP双核构架，充分结合了 DSP 的实时信号处理能力和ARM 的事务处理能力，实现了对旋转机械运行状态的实时监测和诊断[1]。
2 系统的硬件实现
系统硬件由3个模块组成:信号预处理模块、DSP采集处理模块、基于ARM 的人机接口与事务处理模块。系统硬件框图如图1所示。
2.1 信号预处理模块
本系统处理的振动信号最高频率大约为20kHz, 信号预处理就是要得到20kHz以内的振动信号。信号预处理主要由振动信号的隔直放大、抗混叠滤波以及转速信号的整形、锁相倍频电路构成。
对振动信号进行程控放大以提高信号的信噪比，程控放大电路由程控放大器PGA205 和 PGA204 串联构成，放大倍数由CPLD 控制,最高放大倍数为8000。系统采用了开关电容滤波技术，用八阶开关电容芯片MAX297 进行抗混叠滤波。MAX297 的滤波截止频率由时钟信号控制，该时钟信号的频率由DSP处理器根据当前所分析信号的最高谐波频率以及AX297 时钟信号与截止频率之间的比例关系自动设定。
键相信号由光电传感器测得，经过光电隔离和整形得到标准的转速脉冲信号，送入CPLD进行转速测量。转速脉冲信号经过由锁相环SN74HC7046和 CPLD组成的倍频电路分别得到开关电容芯片 MAX297 的时钟信号以及 DSP 片上 AD 采样的触发信号。
2.2 DSP采集处理模块
DSP是一种哈佛结构的微处理器,具有专门的硬件乘法器, 广泛采用流水线操作,并且提供了一些高效的指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法[2]。TMS320F2812是TI公司新推出的32位定点DSP，采用高性能COMS 技术，指令周期为6.67ns，片上集成较大的RAM、FLASH 以及丰富的片上外设。TMS320F2812有两个12 位的8 通道A/D 模块，转换速度高达80ns，片上A/D模块在预处理模块产生的触发信号作用下对两路振动信号进行同步整周期采样。DSP 采集处理模块由 TMS320F2812、RAM、FLASH 以及相应的电源、逻辑器件组成。
2.3 基于ARM的人机接口与事务处理模块
S3C2410 是一款高性能的32 位 ARM 处理器， 精简指令结构, 系统时钟为203MHz。除具备一般嵌入式处理器所具有的总线、SDRAM 控制器、串口等外设之外，S3C2410 还具有 TFTLCD 控制器、USB Slave、USB Host、I2C 总线控制器、SPI控制器、IIS 音频接口、SD & MMC 存储卡接口等丰富的扩展功能, 有很高的性价比。A R M 的人机接口与事务处理模块由S3C2410 及其辅助电路、存储器系统、人机接口、通信等部分组成。 通讯部分包括RS232接口、USB 接口以及一个10/100M 自适应的以太网接口。人机接口部分由20键自定义键盘和LCD显示器组成，LCD 采用 640 × 480 TFT 彩屏 LCD，带触摸屏，操作方便。
3 系统的软件实现
软件包括3 部分:DSP 数据采集与实时信号处理程序、DSP与 ARM 通讯程序、基于 ARM 的事务处理与故障诊断程序。系统软件框图如图2所示。
3.1 DSP数据采集以及实时信号处理程序
在 TMS320F2812 上构建数据采集模块以及实时信号处理模块。 数据采集模块完成转速测量, 并根据ARM设定的采样参数对两路振动信号进行整周期同步采样及存储。实时信号处理模块包括数字滤波、时域分析、频谱分析、小波和小波包分析。DSP 对采集的振动信号进行必要的数字滤波，然后在时域上分析信号，提取相应的特征信息。所采用的时域分析方法有自相关分析、互相关分析、时序分析、直方图等。
小波和小波包分析是一种优良的时频分析方法，可把任何信号正交分解到独立的频带内，同时从时域和频域给出信号特征,为在不同频带内监测设备故障提供了有效手段。Mallat塔式算法是一种被广泛实际的小波快速算法，系统在DSP 上实现了Mallat塔式算法，满足了实时分析的要求[3]。
3.2 DSP与ARM通讯程序
DSP 子系统与ARM 子系统的任务分工非常明确，DSP 完成数据采集以及实时信号处理，ARM 程序完成事务处理与故障诊断任务。ARM 向 DSP 下传采样控制参数并对实时数据处理模块进行配置，DSP 向 ARM 上传经过DSP 处理过的采样数据以及实时信号处理的结果。在物理上这两部分是通过连接他们的双口RAM交换数据的, 软件上通过中断完成两个子系统之间的通信。
系统通信方法的原理是:任何一方都是先将准备好的数据放入双口 RAM 中，然后发出中断信号, 通知对方可以取数，对方接到中断信号之后，进入中断程序从双口RAM 中取走数据。图3 为ARM 与 DSP 使用中断通信的流程图。
3.3 基于ARM的事务处理与故障诊断程序
在 ARM 上移植嵌入式实时操作系统Windows CE.NET, 开发仪器所需硬件设备(LCD、 键盘、USB、网口等)驱动程序。在EVC++4.0下完成了本系统的应用程序开发, 该应用由系统设定、数据存储、人机接口、通讯模块、智能诊断五部分组成[4]。
系统设定模块对DSP进行采样通道、增益、采样时间等采集参数的设定以及实时信号处理算法的配置。数据存储模块把采样数据及分析结果存储到大容量非易失闪存上, 以实现数据的回放和进一步处理。人机接口部分完成显示、键盘响应等工作，系统对信号分析结果进行图形显示，可以显示时域波形图、频谱图以及小波分析图。通讯模块包括与PC机的连接以及网络接口，使得系统可作为远程监测与诊断系统的在线监测部分, 提供了远程故障诊断的开放平台。
系统配置了一个微型智能诊断系统, 具有良好的实时性。诊断系统采用基于小波降噪神经网络的故障诊断方法，利用小波的多重分辨率分析，有效地降低噪声干扰，提取有效特征信号。建立了基于小波变换和BP神经网络的混合诊断模型，对故障进行了智能诊断。智能诊断系统包括了几种经典故障诊断:转子不平衡、转子不对中、转子轴向碰磨、基础共振、机械松动、轴不对称等,参考故障诊断经验表,进行模糊诊断.
4 结论
该系统已经用于重庆某摩托车公司多台磨床的现场检测, 能够实时检测并报告常用的故障信息。图4、图5、图6分别为在一组信号的波形显示、频谱显示以及连续小波分析变换显示。
采用嵌入式实时操作系统Windows CE.NET 和高性能数字信号处理器, 该系统对故障信号采集和处理能力, 远远超过了基于PC机的测试系统以及基于传统单片机的慢速系统,达到了实时性的要求。而且其图形用户界面与PC机相似，与PC机以及网络的接口更使得数据可以进行进一步分析并可以做远程的监测与诊断, 整个系统达到了比较满意的效果。系统的软硬件均采用模块化设计，便于改进和升级。
参考文献:
[1] 卢文祥.机械工程测试·信息·信号分析[M].武汉:华中理工大学出版社，2003.
[2] 张雄伟.DSP 集成开发与应用实例[M].北京:电子工业出版社, 2002.
[3] 胡广书.数字信号处理——理论、算法与实现[M].北京:清华大学出版社,2003.
[4] CHRIS MUENCH. Windows CE 权威指南[M].中国电力出版社,2001.
作者简介:孙晓松(1962-)，男，重庆人，副教授，博士，研究方向:测试与控制、机电一体化等。
