基于ARM7的機械故障診斷儀

1、長春理工大學碩士學位論文基于ARM7的機械故障診斷儀 姓名:張曉穎申請學位級別:碩士 專業(yè):儀器科學與技術 指導教師:馬書林 20080401摘 要針對當前國內狀態(tài)監(jiān)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(fā)出基于ARM7(采用AT姬L公司的AT91SUM7S256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(shù)據(jù)采集器、動平衡儀、動態(tài)分析儀三個組 成部分。其中動平衡儀主要應用影響系數(shù)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(shù)據(jù)采集器和動態(tài)分析儀主要將光電傳感器采集的模 擬信號轉換成數(shù)字信號,再對數(shù)字信號進行傅立葉變換(FFT,

2、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USB通信將數(shù)據(jù)傳到Pc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lOHzIOKHz,動 平衡轉速范圍在18024,000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 250m/s2和0.Im/s2,速度有效值200m/s和0.1啪/s,位移峰峰值5000urn和lum,包 絡有效值25m/s2和0.1m/s2,電壓有效值10V和0.1mv,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

3、帶通濾波, 可充電池供電,連續(xù)工作10小時以上,體積小(210.130.40mm, 重量輕(12009。關鍵詞:影響系數(shù)法 故障診斷 USB通信The equipment based 011ARM7(AT91SUM7S256chip made in ATMELl啊tlich can be used in diagnosticating mechanical failure is developed to meet the requirement of higll precision and high speed signal analysis equipment in the field of

4、 state watching and failure diagnosticating.According to flInction.the equirmerit used in diagnosticating mechanical failure can be made up of data collector,dynamic balance instrument and dynamic analysisinstmment.As soon as dynamic balance instrument is concerned.influence COC歷cient method is used

5、 to analyzed and proofread themechanical failurc which is caused of imbalance.As soon as data collector and dynamic analysis instrument is concemed,we mainly translate the analog signals detected from photoelectric sen￥oI into digital signals,then make FFT towaxd the digital signals to gct firequenc

6、y chart to analyzed and proofread the mechanical failure.At the same time,the data in the equipment used in diagnosticating mechanical failure can be transmit to the PC adopting the USB communication.Measurement accuracy:Frequency response accllracv jn viberation measurc and frequency chart analyse

7、is 10Hz-10kHz.rotation speed ranges from 180r/minute to 24000 r/minute.Autorange and manual-range selectable;Frequency in thefrequency chart analyse is divided into 8grades.The measure range and the resoiving power:ACC 250m/s2/0.1m/s2,VEL 200mm/s/0.1mm/s,DISP 5000lIm/lum,HFA 25m/s2/ 0.1m/s2,VOL 10V/

8、0.1Mv.viberation measure precision is 5%.Key words:influence coefficient method failure diagnosticating USB comBnication長舂理工大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的碩士學位論文,基于ARM7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(fā)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

9、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(guī)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(shù)據(jù)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(jiān)日 指導導師簽名:第一章 緒論設備故障診斷的任務【5l是監(jiān)視設備的狀態(tài),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(tài)監(jiān)測的任務是了解和掌握設備的運行狀態(tài),包括采用各種檢測、測量

10、、監(jiān)視、 分析和判別方法,結合系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀,考慮環(huán)境因素,對設備運行狀態(tài)進行評估, 判斷其處于正?；蚍钦顟B(tài),并對狀態(tài)進行顯示和記錄,對異常狀態(tài)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(shù)據(jù)。故障診斷的任務是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息,結合已知的結構特性和參數(shù)以及 環(huán)境條件,結合該設備的運行歷史(包括運行記錄和曾發(fā)生過的故障及維修記錄等, 對設備可能要發(fā)生的或已經發(fā)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(fā)生和發(fā)展的趨勢及后果,提出控制故障繼續(xù)發(fā) 展和消除故障的調整、維修、治理的對策措

11、施,并加以實施,最終使設備復原到正常 狀態(tài)。機械故障診斷是本世紀六七十年代產生并發(fā)展起來的-I綜合性邊緣學科。隨著 現(xiàn)代設備的日趨大型化、復雜化、自動化和連續(xù)化,設備一旦發(fā)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(fā)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(tài)、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(xiàn)代測試技術等

12、有關學科的發(fā)展,特別是電子計算機技術的飛速發(fā) 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(fā)展。 現(xiàn)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(xiàn);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(tài)監(jiān)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(jù)統(tǒng)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75%,維修費用 可降低2550%,我國僅1987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(shù)百億元。因此,

13、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(tài)或故障狀態(tài)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(fā)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(jiān)視、故障分析、性能評估等,為設備結構修改、優(yōu)化設計、合理制 造及生產過程提供數(shù)據(jù)和信息。測量信號和動態(tài)數(shù)據(jù)的處理與分析,是設備故障診斷的前提和基礎。它們

14、代表了 系統(tǒng)的狀態(tài)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(yōu)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(tǒng)在運行過程中的振動及其特征信息是 反映系統(tǒng)狀態(tài)及其變化規(guī)律的主要信號。通過各種動態(tài)測試儀器拾取、記錄和分析動 態(tài)信號,是進行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)鍘和故障診斷的主要途徑。機械設備故障診斷儀器和系統(tǒng)的開發(fā)是為該項技術(設備故障診斷技術的發(fā)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(fā)出不同 類型的以頻譜分析為主的振動信號分析系統(tǒng)。隨著機械行業(yè)對信號處理技術的認識和 掌握,以及微型計算

15、機、單片機、單板機的普及,開始出現(xiàn)以微機、單板機、單片機 為核心結構的用于現(xiàn)場測試使用的監(jiān)測和分析系統(tǒng)。機械設備故障診斷儀就是面向現(xiàn)場的手持式振動采集分析儀器,隨著設備高度密 集型產業(yè)的規(guī)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(yè)生產中發(fā)揮 的作用也越來越得到企業(yè)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(fā)展,新的單片機不斷問世,十六位、三十二位單片機的也為數(shù)據(jù)采 集器生產廠家所采用,近日,采用具有DSP功能的數(shù)據(jù)采集器也已投入市場。伴隨 著高性能單片機的采用

16、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(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面:首先,采 樣通道由單通道發(fā)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(fā)展到較完善的 信號分析系統(tǒng),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(shù)據(jù),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

17、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(shù)字顯示過渡到圖形顯示,液晶顯示器的點陣數(shù)也不斷提 高,顯示越來越清晰美觀?？梢哉f,機械設備故障診斷儀的發(fā)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ENTEK公司的D1-2200、 DPl500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(jù)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(fā)研制機械設備故障診斷儀,并迅速發(fā)展,水平不 斷提高,有的產品已形成系列,并以價格優(yōu)勢占據(jù)市場主導。目前,國內生產機械設 備故障

18、診斷儀的廠家很多,多以高?；蚩蒲性核鶠橹?或以之為依托,大部分未形成 規(guī)模,如:西北工業(yè)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(fā)及銷售。由于國內的機械設備故障診斷儀生產多采用Intel 5t系列或Intel 96系列 CPU,是國內數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集器性能指標有較大的差距,這主要表現(xiàn)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CPU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(shù)據(jù)采集器的功能影響很大,數(shù)據(jù)存儲

19、空間的限制使械設備故障診斷儀 所能記錄的點數(shù)、參數(shù)個數(shù)減少,每次采集的點數(shù)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(fā)揮。(3 分辨率低,細化功能差,這主要受采樣頻率、分析點數(shù)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(tǒng)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(shù)字。 或字符顯示,無法滿足頻譜分析的要求.國內信號分析儀的發(fā)展現(xiàn)狀使得加快基于ARM7的信號分析儀器的理論研究, 設計開發(fā)滿足高精度、高速

20、率要求的信號分析儀器,就成為當前國內狀態(tài)監(jiān)測與故 障診斷領域的一個重要課題。研究與實踐證明,基于ARM7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(fā)、生產、銷售和維護為一體的便攜 3式振動數(shù)據(jù)采集分析設備制造商。從80年代末自主研制開發(fā)國產自有品牌的高精 度、便攜式微型振動數(shù)據(jù)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(yè)單位中 享有極高的聲譽。該公司從90年代后期開始著眼于基于ARM/的信號分析儀器的 開發(fā),但一直由于硬件電路工作不夠穩(wěn)定、功耗較大等問題,沒能夠形成最后產品

21、。 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:(1CPU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1M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(fā)軟件的兼容性及今后發(fā)展的要求;(2外圍器件的選型在工作穩(wěn)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CPU在內的 所有器件的選型;硬件電路原理圖及PCB板圖的繪制;最小系統(tǒng)及硬件電路的調 試;系統(tǒng)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

22、寫等。4第二章系統(tǒng)總體設計方案一、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(shù)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(huán)境,浪費能源,產品數(shù)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90。;振幅隨轉速提高 而增加。判斷出機械振動故障是因為

23、不平衡引起的之后,就可以影響系數(shù)法(又叫測相 平衡法進行分析校正。二、影響系數(shù)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UO, 由此不平衡產生軸承上的振動矢量為A0。(初始測量得到振動矢量AO(1a0為影響系數(shù),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aO為不變的矢量,在校正平面上已知位置加一己知試5f_bO將k重U1時,軸承振動矢量為(試測一得到振動矢量A1(2由上面的兩個式子可得:即:aO=A1/Ul:(3由上式可得:平衡量UMO的大小與不平衡量UO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U01和U02

24、。左、右支承上的振動矢量分別為 A0和B0初始測量:可得到左、右支承上的振動矢量分別為A0和B0(2試測一得到振動矢量h01和B01。若在校正平面I的已知角位置加上U1,則兩 支承的振動為 ,hOl=al*(UOI+U1+a2*U02(2.7 BOl=bl*(U01+U1+b2*U02(2.8 (3試測二得到振動矢量h02和B02。若在校正平面II的已知角位置加上U2(去掉u1, 則兩支承的振動為h02=al掌UOl+a2*(U02+U2 (2.9 B02=bl札01+b2聿(U02+U2 (2.10 “從上面的式子里可以計算出影響系數(shù)a1,a2,b1,b2以及U01和U02。(5平衡量UMA

25、O,UMBO的大小分別與不平衡量UO,U02的大小相等,方向相反單面平衡的作圖解法如圖2.2:6/飛作A0和A1,求其差為A卜A0矢量AI-AO和A0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 (2.11 三、單面動平衡的工作流程單面平衡采用了影響系數(shù)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:首先測取轉子在工作轉速下的初始基頻振動矢量A0。.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Al。 轉子上應加平衡重量(

26、矢量形式按下式計算:Q=嘲AO/(AI-AO (2.12 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(xiàn),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(shù)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(shù)。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

27、算出影響系數(shù),給出平衡配重結果。數(shù)據(jù)采集器和動態(tài)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(shù)組進行FFT,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(shù)與振動故障指標建立聯(lián)系。 DIS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.VEL速度有效值:又稱振動烈度,

28、是評價機器振動強烈程度的常用參數(shù)。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。ACe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,。904/907采用的是等效峰值,或計算 峰值。它是由有效值乘以1.414,或平均值乘1.57所得。HFA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(huán)或滾動元件表面點蝕、剝落、裂紋等損傷所產生的沖擊大小。VOL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

29、等。對于上述各種測量方式和測量參數(shù),必須根據(jù)所要監(jiān)測的設備的特 點、各種參數(shù)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。-戥市參 位移涑摩數(shù) 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 迷宮式密封接觸根據(jù)市場的要求,確定系統(tǒng)要求為:1、數(shù)據(jù)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(fā);,

30、4、有友好的人機界面,便于操作;5、適當?shù)脑骷r格,盡量降低開發(fā)和生產成本。CPU是數(shù)據(jù)采集器的系統(tǒng)核心,它的選擇將決定儀器的總體結構。開發(fā)系統(tǒng) 功能是否強大,工作是否可靠,是否便于開發(fā),以及價格是否適當?shù)榷喾矫嬉蛩囟?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:51系列單片機是8位單片機,也是現(xiàn)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51系列單片機的處理速度和集成度有了較大的提高。以現(xiàn)在市場上 大受歡迎的美國CYGNAL公司的C8051F020為例,它的主頻為25MHz,片上

31、集 成了64K字節(jié)的FLASH、4K字節(jié)的高速RAM、個8通道12位的ADC、溫度 傳感器等,兼容諸如12C、SPI等總線結構。其他公司還推出了一些集成CAN總 線控制器或USB接口的51系列單片機。這些功能的增加使得51系列單片機在工 業(yè)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,對于大量數(shù)據(jù)的處理就顯得力不從心了。而諸如INTEL公司的80C1-96系列的16位 單片機也只是在處理速度上比5l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。ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器,最適合用于對價位和功耗要求 較高的消費類應用。ARM7微處理器系列具

32、有如下特點:具有嵌入式ICERT邏輯,調試開發(fā)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0.9HIPS/吼z的三級流水線結構;代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集;對操作系統(tǒng)的支持廣泛,包括Windows CE、Linux、Palm OS等;指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARMIOE系列兼容,便于用戶的產品升級換代; 主頻最高可達130HIPS,高速的運算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復雜應用。本文選擇的ATglSUM7S256是ATMEL公司32位ARM RISC處理器小引腳數(shù)FLASH 微處理器家族的一員。它擁有256K字節(jié)的高速FLASH和16K字節(jié)的SR

33、AM,車富的 外設資源,包括一個USH2.0設備,使外部器件數(shù)目減至最低的完整系統(tǒng)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(jù)系統(tǒng)要求,市場調研情況以及相關器件的發(fā)展水平,確定了系統(tǒng)的硬件結 構各組成部分如下:CPU采用AT91SUM7S256,55MHz的時鐘頻率;程序存儲器采用AT91SUMTS256片內256K字節(jié)高速FLASH;數(shù)據(jù)存儲器采用AT91SUM7S256片內16K字節(jié)的高速SRAM和一片NAND FLASH(AT45DB642其容量為8192頁1056字節(jié)/頁;利用AT91SUMTS256片內USB器件端口UD

34、P通過USB口與上位機通訊;采用T6963C型號240128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(tǒng)的設計硬件系統(tǒng)的設計包括三部分。第一部分為電源供電系統(tǒng),它包含了電池、電源 開關和必要的DC.DC變換器,以便為系統(tǒng)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(shù)字電路部分,包括ARM微控制器、邏輯控制芯片、數(shù)據(jù)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。作為一個系統(tǒng)的原動力,電源常常被認為是整個系統(tǒng)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

35、信號調節(jié)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(jù)電路配置狀況很好地解決電源供給問題。DC-DC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. DC.DC變換器的輸入回路與輸出回路是隔離的,這樣通過選用DC.DC變換器就切 斷了系統(tǒng)主電源與信號拾取通道電源間的干擾渠道,有效地實現(xiàn)了電源隔離。對于 用電池供電的系統(tǒng)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(wěn)的問題,不但會引起系統(tǒng)工作不正常,嚴重時甚至可能導致元器件

36、的損壞。在電池供電系統(tǒng)中選擇開關型DC.DC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?shù)臑V波電路, 還能夠將輸出電壓紋波降至較小的范圍。 常見的DC.DC轉換器有三種,即脈沖頻率調制(PFM、限流型脈沖頻率調 制和脈沖寬度調制(PWM。它們三者的主要區(qū)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PFM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

37、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(tǒng)選用不同的穩(wěn)定可靠的穩(wěn)壓器件來提供穩(wěn)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 6.5V左右。將6.5V通過電平轉換芯片轉換成5V給邏輯控制芯片、數(shù)據(jù)存儲器、 鍵盤、液晶供電。5V轉換成3.3V給ARM7芯片AT91SUM7S256的FLASH、I/0、 A/D、電壓調節(jié)器的供電,而電壓調節(jié)器的輸出為1.65V左右,為AT91SU17S256內核和PLL供電。整個系統(tǒng)的供電結構如圖3.1:考慮到電池沒電或者其他原因突然關機時數(shù)據(jù)

38、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(jù)用戶的要求,要求開和關用一個鍵實現(xiàn),并且能夠實現(xiàn)軟關機。針對這個要 求,本論文采用了圖3.2所示的方法。粹涮線廣一一一一一一1X圖3.2中,X為按鍵,Y是由ARM控制的開關;開狀態(tài):當x按下,ARM與5V電源接通,系統(tǒng)上電,系統(tǒng)一上電即執(zhí)行控制程 序將Y閉合,實現(xiàn)開機;關狀態(tài):在系統(tǒng)上電運行時,DSP掃描X鍵的狀態(tài),當X為低時,連續(xù)掃描X, 當x由低變高,即按鍵拾起時,由DSP將Y斷開,實現(xiàn)關機:若要實現(xiàn)軟關機,在運 行過程中直接用命令將Y斷開即可。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

39、成AT9lSUM7S256中A/D能夠轉換的信號范圍內,為A/D采樣打基礎。選用傳感器時,要考慮靈敏度、使用頻率范圍、動態(tài)范圍和質量大小等性能參 數(shù)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(shù)變化型非接觸式 傳感器,其最大優(yōu)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

40、械的振動監(jiān)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(huán)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(tǒng)根據(jù)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

41、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(tǒng)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(shù)據(jù)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(tài),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

42、電壓信號,此五路信號可以經 過數(shù)字選擇開關進行選通。其中的數(shù)字選擇開關采用MAx5158。采用單電源5V供電,其引腳圖3.3如下: 14可以計算出VOUT t(VREF X NB,1024X 2。其中NB為程序中設置的數(shù)字量。數(shù)字 量NB與模擬電壓VOUT的對應關系如下:DC CONTENT￥ 舢LOGOUTPUIS8LSB11111111(0001f剖tz100000O001000 l薔ltz1000000000(0003kr面512卜z-k01,111111(000 培(鬻扣OO OOOO O001(OooI k陸00ooofoo(000 OVMAX5158與單片機連接圖3.4如下:經過采

43、集并選通的信號要經過放大和濾波。放大采取兩級發(fā)大器放大和一級程控 放大器IAX5158發(fā)大,濾波使用數(shù)字濾波器芯片LTcl069。數(shù)字濾波器芯片LTC069是單一5V供電,100KHz以下的線性低通濾波器。其引腳 圖3.5如下:黼 vourV VTcl舶9-7He Hev喇 cLI(本文采用的AT91SUM7S256具有很高的性價比,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。一、采用RISC體系結構。傳統(tǒng)的CI￥C(Complex Instruction Set Computer,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(fā)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

44、來越復雜,然而,在CISC指令集的各種指令中, 其使用頻率卻相差懸殊,大約有20%的指令會被反復使用,占整個程序代碼的80%。 而余下的80%的指令卻不經常使用,在程序設計中只占20%,顯然,這種結構是不太 合理的。基于以上的不合理性,1979年美國加州大學伯克利分校提出了RISC(Reduced Instruction Set Computer,精簡指令集計算機的概念,RISC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。 RISC結構優(yōu)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

45、或少用微碼控制等措施來達到上述目 的。到目前為止,RISC體系結構也還沒有嚴格的定義,一般認為,RISC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23種; 使用單周期指令。便于流水線操作執(zhí)行。大量使用寄存器,數(shù)據(jù)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(zhí)行效率。除此以外,ARM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(jù)前面的執(zhí)行結果決定是否被執(zhí)行, 從而提高指令的執(zhí)行效率;可用加載/存儲指令批量傳輸數(shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率:可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯

46、處理和移位處理;在循環(huán)處理中使用地址的自 動增減來提高運行效率。16二、支持兩種指令集。ARM微處理器的在較新的體系結構中支持兩種指令集:ARM指令集和Thumb指令集。 其中A瑚指令為32位的長度,Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為ARM指令集的 功能子集,但與等價的ARM代碼相比較,可節(jié)省30%40%以上的存儲空間,同時具 備32位代碼的所有優(yōu)點。三、具有容量大、速度高的Flash和SRAI。具有64K字節(jié)的片內高速Flash存儲器,共512頁,每頁128字節(jié)。在最壞的條 件下可以30姍z的速度進行單時鐘周期訪問,預取緩沖器可以實現(xiàn)Thumb指令的優(yōu)化, 使處理器以最快的速度執(zhí)

47、行指令,頁編程時間為4mS,包括頁自動擦除,全片擦除時 間為10ms,10,000次的寫壽命, 10年數(shù)據(jù)保持能力,扇區(qū)鎖定功能,Flash安全 鎖定位,適合量產的快速Flash編程接口。16K字節(jié)的片內高速SR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(Mc一嵌入式Flash控制器,異常中斷(Abort狀態(tài)及未對齊(Misalignment檢測復位控制器(RSTC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(fā)生器(CKGR一低供耗Rc振蕩器,3到20刪z的片上振蕩器和一個PLL電源管理控制器(Nc一可以

48、通過軟件進行電源優(yōu)化,包括慢速時鐘模式(低至500Hz和空閑(Idle模式 一三個可編程的外部時鐘信號先進的中斷控制器(AIC一可以單獨屏蔽的、具有8個優(yōu)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(spurious中斷調試單元(DBGU一2線uART,支持調試通訊通道中斷:可通過程序來禁止通過ICE進行訪問周期性間隔定時器(PIT一20位可編程的計數(shù)器,加上12位的間隔計數(shù)器時間窗看門狗(WDT 。一12位受預設值(key保護的可編程計數(shù)器一為系統(tǒng)提供復位或中斷信號一當處理器處于調試狀態(tài)或空閑模式時可以停止計數(shù)器實時定時器(RTT17一32位自由運行的具有報警功能的計數(shù)器

49、一時鐘來源于片內RC振蕩器一個并行輸入/輸出控制器(PIOA一32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i1個外設數(shù)據(jù)控制器(PDC通道一個UsB 2.0全速(12-lbps設備端口一片上收發(fā)器,328字節(jié)可編程的FIFO一個同步串行控制器(SSC一每個接收器和發(fā)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32位數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚龠B續(xù)數(shù)據(jù)流功能兩個通用的同步/異步收發(fā)器(uSART一獨立的波特率發(fā)生器,IrDA紅外調制/解調一支持IS07816TO/T1智能卡,硬件握手

50、信號,支持RS485一USARTl支持全功能的調制解調囂信號主/從串行外設接口(SPI一8N16位可編程的數(shù)據(jù)長度,4個片選線一個3通道的16位定時器/計數(shù)器(TC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PWM發(fā)生功能,捕捉/波形模式,遞增/遞減計數(shù)一個4通道的16位P嘲控制器(PWMc一個兩線接口(TWI一只支持主機模式,支持所有的Atmel兩線EEPROM一個8通道的lO位模數(shù)轉換器,其中4個通道與數(shù)字I/o復用5V兼容的I/O,包括4個高達16mA的大電流驅動I/O電源一片上1.8V電壓調節(jié)器,可以為內核及外部元件提供高達100mA的電流一為I/O口線提供電源的3.3

51、V VDDIO,以及獨立的為Flash供電的3.3V VDDFLASH 一內核電源為1.8V VDDcORE,并具有掉電檢測(BoD功能全靜態(tài)操作:極限條件下(1.65V,854C高達55姍z封裝為64腳的LQFP五、功耗低。AT91SUM7S256外部數(shù)據(jù)總線為32位,地址總線為24位。它能夠與16位或32位總線方便的接口。具有256K字節(jié)的片內高速Flash存儲器和16K字節(jié)的片內高速 SRAM。在這里程序存儲器直接采用片內集成的256K字節(jié)的Flash,數(shù)據(jù)存儲器采用 片內集成的16K字節(jié)SRAM,同時加入了一片NAND FLASH(AT45DB642作為大 量重要數(shù)據(jù)的存儲器,其容量為

52、8192頁X 1056字節(jié)/頁。在以往的設計中,存儲器大多采用了集成電池的SRAM來保存程序及重要的 數(shù)據(jù),這種SRAM依靠集成在片內的電源來維持片內的數(shù)據(jù),從理論上說可以將數(shù) 據(jù)保存510年,但在實際應用中,還是會發(fā)生電池失效的現(xiàn)象.一旦電池失效, 就會使數(shù)據(jù)丟失,在工程中造成巨大的損失。還有一種非易失性的SRAM,它采用 的是內部集成鋰電池的方式,可以大大增加可靠性,但價格昂貴.且仍然存在電池 失效,數(shù)據(jù)丟失的危險。39VF320是SST公司的FLASH型EEPROM,具有掉電 不丟失數(shù)據(jù)、讀取速度快,數(shù)據(jù)在掉電后可保留超過100年,可重復擦寫10萬次 以上.超低功耗,體積小等優(yōu)點, 而且

53、由于數(shù)據(jù)的保存不需要電源,所以成本相對 低得多,價格還不到同等大小非易失性SRAM的1110,基于以上的諸多優(yōu)點,FLASH 在便攜式儀器上的使用已經成為一種趨勢。AT45DB642主要引腳圖如圖3.6下:PinH嘣悖 -x婦礴 ChbSbdSCK站LK &蒯a舯姒捌 8.h口d S.IiIOI07.tOO 軸圳ttvet腳師 H舳嘶wmP漸RESET ChbR檔Pot豫O礴。 砌%咿Bw8E掰再兩 S計剮平如制h晡婦oM曾0IAT9lSU17S256的Vo工作電壓是3.3V”,因此,其I/O電平也是3.3V邏輯電平。 而有些外部接口是5v電平的,如數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤、液晶顯示電路以及一些擴展的

54、 I/o芯片。這樣就存在一個如何將3.3V ARM芯片與這些5V供電芯片可靠接口的問題。 各種電平的轉換標準如圖3.7所示。5V cIlos5V丌LSt8n出lrdm3,3vTKc2.4l一、磊2卜、.m1.5+Vt o,8+、毛 0.4+Y&0.上一G如T丁L“T.LVC, A“C.“圖中:VOH:輸出高電平的最低電壓:V。:輸入高電平的最低電壓; V。:輸入低電平的最高電源; V。:輸出低電平的最高電壓:從圖中可以看出5v TTL和3.3V TT乙的轉換標準是一樣的,而5V CMOS的轉換電平是不同的。因此,在將3.3V系統(tǒng)與5v系統(tǒng)接口時,必須考慮到兩者的不同。為了能夠實現(xiàn)3.3v器件與

55、5V器件的可靠接口,在本次設計中采用了TI公司專用 的電平轉換芯片74LVCl64245,它是一個雙電源供電的16位雙向收發(fā)器,可以根據(jù)方 向控制管腳(DIR上的電平控制數(shù)據(jù)從A端到B端或是從B端到A端,即從3.3V到 5v或是從5y到3.3v.輸出控制線(oE可用來使器件有效或無效(雙側相互隔離。操作方式如表3-1:表3-I 74LVCl64245操作表0BD取操作L L B一AL H 鼻BHX隔離鍵盤可以分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。編碼鍵盤有檢測鍵閉合、去抖動及 產生相應鍵編碼的硬件電路,而非編碼鍵盤則沒有這些硬件,上述功能則主要有軟件來完成,由此可見編碼鍵盤產生編碼的速度快且基本上不占

56、用CPU的時間,但硬K u 龜 Tl藿耳葚件復雜、成本高;而非編碼鍵盤則硬件電路簡單,成本低,但占用CPU的時間較長. 綜合二者的優(yōu)缺點,得出如下結論:在數(shù)據(jù)較少的情況下可采用編碼鍵盤,在數(shù)據(jù) 較多的情況下,則得采用非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又稱為矩陣式鍵盤,用I/O線組 成行列式結構,按鍵設置在行列的交叉點上。矩陣式鍵盤的優(yōu)點是用同樣多的I/O 線可以構成更多的鍵。為了發(fā)揮AT91SUM7S256的特點,提高CPU工作效率,本系 統(tǒng)采用掃描方式,實現(xiàn)4X4的矩陣式鍵盤。八根掃描線由AT91SUM7S256的I/O口 經過緩沖器出來。鍵盤接口電路如圖3.8所示.娜PPAtA0 1帆 4245P2啪P塒P坫蹦P1一 。一鍵盤界面如圖3.9:S丫1do 1d1 1d2 ld3匠西團匿習匝噩函匠匭固 匠匭口匝噩函匝亙固叵巫丑 雹蔞互匝垂直E亙匭互Collect:數(shù)采菜單;Note:記事本;ON/OFF:開/關機;w.Meas:波形測量;圖3.9 21匪 口 口 口 勰. 心W.Save:波形存儲; Recall:波形回憶; W.Spect:波形頻譜; Transfer.,傳遞譜; Zoom:譜細化;Other:其他設置,包括時間設置、flash格式化; Menu:菜單鍵。本文使用串行時鐘芯