基于PC104和多DSP的旋轉機械實(shí)時(shí)特征提取及測試數據壓縮系統

引言

旋轉機械狀態(tài)監測、故障診斷與在線(xiàn)預測技術(shù)、是近年來(lái)研究的熱門(mén)課題，它是對運行信息進(jìn)行數據采集、特征提取和模式分配等工作，發(fā)展趨向是狀態(tài)監測與故障診斷的智能化（監測設備的強大實(shí)時(shí)信號處理能力）、系統化（強調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(xiàn)采集與離線(xiàn)分析為在線(xiàn)連續采集與實(shí)時(shí)處理，變預防性維修為視情維修）和網(wǎng)絡(luò )化（應用基于internet的遠程檢測和專(zhuān)家聯(lián)合診斷技術(shù)）[1]。因此，針對大型轉轉機械監測系統信號種類(lèi)繁多、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大，瞬時(shí)性強等特點(diǎn)，并以多種類(lèi)、多通道傳感器信號高速高精度連續采集、實(shí)時(shí)狀態(tài)特征提取和測試數據壓縮的高性?xún)r(jià)比、網(wǎng)絡(luò )型ats（automatic testing system）為研制目標，筆者對該技術(shù)進(jìn)行了較為細致地探索。

需求分析及總體設計思路

基于以上分析，大型旋轉機械狀態(tài)特征實(shí)時(shí)提取與測試數據壓縮（處理）系統應具有以下性能：應包括通信控制模塊、高速連續采集、高精度連續采集、多功能傳感器調理采集與實(shí)時(shí)處理模塊以及智能時(shí)間頻率測量模塊等，各模塊并行工作，且自帶高性能dsp，以是現在連續采集的同時(shí)進(jìn)行測試數據壓縮等處理，通信控制模塊對內實(shí)現同步控制和綜合觸發(fā)，對外有網(wǎng)絡(luò )接口和海量數據緩存設備。高速、高精度、多功能傳感器連續采集與實(shí)時(shí)處理模塊分別對傳感器信號或電壓信號進(jìn)行調理、濾波、連續采集、實(shí)時(shí)處理（數字濾波、特征提取和數據壓縮處理等）和同步傳送等，智能時(shí)間頻率測量模塊用于轉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(shí)間計數和頻率測量。既可作為專(zhuān)用旋轉機械狀態(tài)檢測、特征提取和測試數據實(shí)時(shí)壓縮、又可作為通用測試平臺。

虛擬儀器（vi）整合了計算機、智能測試、模塊及總線(xiàn)的標準化以及數字信號處理（dsp）等技術(shù)，是建立在標準化、模塊化、積木化的硬件與軟件平臺上的一個(gè)完全開(kāi)放的系統，這種vi/ats系統的體系結構如圖1所示。

系統研制

針對大型旋轉機械特征提取和測試數據實(shí)時(shí)壓縮需求分析和開(kāi)放性體系結構設計、結合pc104嵌入式系統功能強、體積小、兼容性好、工作穩定、適應性強[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(pán)接口等優(yōu)點(diǎn)，整合vxi總線(xiàn)、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（mc3）一體化系統的思路，本著(zhù)先進(jìn)、實(shí)用、可靠和經(jīng)濟的原則，筆者自主研發(fā)的具有實(shí)時(shí)特征提取和測試數據壓縮能力的高性?xún)r(jià)比ats如圖2所示[4]。

在圖2中，（1）為系統機箱前視圖；（2）為系統機箱后視圖；（3）為八通道大動(dòng)態(tài)范圍計數器程控模擬前端調理卡；（4）為智能計數器卡；（5）為多功能傳輸器調理及采集板；（6）為儀器內部底板總線(xiàn)；（7）為零槽通信控制卡；（8）為四通道高速連續采集及實(shí)時(shí)處理卡；（9）為四通道高精度連續采集及實(shí)時(shí)處理卡。

◇零槽通信控制卡研制

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

在該系統中，dsp作為pc104嵌入式系統的協(xié)處理器，可通過(guò)儀器總線(xiàn)對內管理各儀器模塊，并和pc104基于fifo一起緩沖數據池進(jìn)行高速數據交換和通信控制，以支持突發(fā)式海量數據傳輸。大容量sdram可實(shí)現4m×32bit的同步數據緩存。通過(guò)高速同步串口（sport0），可與其他系統實(shí)現分布式同步互聯(lián)；也可借助pc高速通信控制卡實(shí)現對本卡的監控調試和通信控制。對內借助總線(xiàn)驅動(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)鐘復位、讀寫(xiě)、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(shí)現從模塊dsp/mpu的多種串行通信模式：sport1以tdm的方式可實(shí)現與最多32個(gè)從設備的高速同步通信，通過(guò)可編程io腳flagx，可模擬實(shí)現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(xiàn)所必要的控制握手信號線(xiàn)/br1-6、ack、/sw以及片內總線(xiàn)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)存儲空間統一、dsp相互之間既緊密耦合又相對獨立、數據傳送效率極高的共享總線(xiàn)式并行處理系統[6]，此外還可以通過(guò)hpi以矢量中斷驅動(dòng)的方式建立主從多dsp并行處理系統，作為ats的“神經(jīng)中樞”，pc104嵌入式系統主要包括cpu模塊和系統擴展模塊，cpu模塊提供標準鍵盤(pán)鼠標、crt、硬盤(pán)和10/100m以太網(wǎng)絡(luò )接口等，借助網(wǎng)絡(luò )接口對外可將機內數據快速傳送給主計算機和接收遠程控制指令，筆記本結構硬盤(pán)也可以對測試數據進(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、建立監測數據庫以及確保友好的人機界面等。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isa總線(xiàn)接口；（2）表示pc104系統；（3）為鼠標接口；（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(xiàn)接口；（9）為儀器內部總線(xiàn)sport口緩沖驅動(dòng)；（10）為sharc dsp；（11）為dsp引導flash；（12）為儀器總線(xiàn)接口驅動(dòng)隔離及idx產(chǎn)生電路等；（13）為sdram同步緩存；（14）為pc104系統isa總線(xiàn)與dsp之間數據交換的讀&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的四通道高速連續采集與實(shí)時(shí)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，可對大動(dòng)態(tài)范圍（-10-+10v）帶寬電壓信號進(jìn)行智能化精密調理，直流測量精度達到了0.05%fs。利用dsp及其他數字部件（mux），通道輸入信號可切換為內部的dac，用dac產(chǎn)生特定的直、交流標定信號，不僅可以標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）三者構成一個(gè)靈活緊湊的實(shí)時(shí)信號處理結構，保證dsp充分發(fā)揮高密度、實(shí)時(shí)信號處理能力（數字濾波、特征提取和測試數據實(shí)時(shí)壓縮等），同時(shí)實(shí)現高速緩存、連續采樣和同步數據傳送[7]，基于sport接口，本卡既可以接受pc的監控調試和通信控制，又可進(jìn)行分布式同步互聯(lián)，通過(guò)總線(xiàn)接口邏輯控制isp2和驅動(dòng)隔離部分，可以sport、多sharc dsp共享總線(xiàn)或hpi等方式建立起與零槽通信控制卡的通信控制和數據交換。

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監控調試接口；（14）為總線(xiàn)接口邏輯控制isp2；（15）為sharc dsp；（16）為總線(xiàn)驅動(dòng)及隔離；（17）為儀器底板總線(xiàn)接口。

◇ 高精度連續采集與實(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)現理想的幅頻特性，系統采用前端模擬抗混迭濾波和后端dsp數字濾波相結合的工作方式[8]，直流測量精度可達到0.01%fs。高性能dsp和sdram構成一個(gè)靈活緊湊的實(shí)時(shí)信號處理結構，保證dsp充分發(fā)揮高精度、實(shí)時(shí)信號處理能力，同時(shí)實(shí)現高速緩存、連續采集和同步數據傳送、rs485接口為高精度采集和處理模塊提供了與pc機的命令和數據交互、與其他測控模塊實(shí)現高速同步互聯(lián)的通道，通過(guò)總線(xiàn)接口邏輯控制isp2和驅動(dòng)隔離部分，可通過(guò)sport、多sharc dsp共享總線(xiàn)或hpi等方式建立與零槽通信控制卡的通信控制和數據交換，圖5所示是高精度四通道連續采集與實(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flash；（6）為sharc dsp；（7）為基于rs485的pc監控調試接口；（8）為sdram同步緩存；（9）為總線(xiàn)接口邏輯控制isp2；（10）為總線(xiàn)驅動(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(xiàn)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）為一級程控增益放大器（pga）；（2）為狀態(tài)指示（lde）；（3）為可調精密橋源電路；（4）為sdram同步緩存；（5）為dsp引導flash；（6）為sharc dsp；（7）為基于sport口的pc監控調試接口；（8）為總線(xiàn)接口邏輯控制isp2；（9）為總線(xiàn)驅動(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(xiàn)接口。

該卡的主要功能是對應變、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(shí)時(shí)處理，為實(shí)現1-10000倍的程控增益倍數，模塊采用一級放大pga202（1，10，100，1000倍）和ad7710內嵌的二級pga（1-128倍）。四通道串行dac（dac7614）為各模擬通道提供調零信號；isp1實(shí)現pga/dac/adc的程控選擇；sdram為系統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機進(jìn)行命令和數據交互、與其他測控模塊實(shí)現高速同步互聯(lián)的通道，基于總線(xiàn)接口邏輯控制isp2和驅動(dòng)隔離部分，可以sport、多sharc dsp共享總線(xiàn)或hpi等方式建立起與零槽通信控制卡的通信控制和數據交換。

◇ 大動(dòng)態(tài)范圍計數模擬前端程控調理與智能技術(shù)卡研制

智能計數器包括大動(dòng)態(tài)范圍模擬前端程控調理卡和智能技術(shù)卡兩部分，為實(shí)現對大幅值范圍（±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理[9]。系統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)二極管限壓保護電路后，進(jìn)行25倍的精密放大；高性能單片機msp430f149對半波整流輸出進(jìn)行峰值檢測，據此對程控衰減倍數（1，1/10，1/100）進(jìn)行自適應調整，緩沖整形電路輸出標準ttl電平送往計數器模塊。

計數器模塊采用isp硬件加dsp軟件相結合，可靈活實(shí)現超高范圍的高性能智能計數：累加技術(shù)范圍232-1，原則上計數器字寬不受限制，頻率測量精度可達到1×10-6；既可統一選擇外部閘門(mén)信號，又能通道1-8互為閘門(mén)信號。rs232接口為智能計數器卡的pc監控調試接口，智能計數器卡基于sport、模擬前端程控調理卡（mpu）基于spi通信接口通過(guò)儀器底板總線(xiàn)分別建立起來(lái)與零槽通信控制卡的通信控制和數據交換。

這種大動(dòng)態(tài)范圍計數模擬前端程控調理與智能計數卡可由以下20個(gè)部件組成：其中（1）為隔直及輸入阻抗匹配；（2）為程控r&c衰減網(wǎng)絡(luò )；（3）為限壓保護電路；（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理電路；（12）為八通道計數模擬前端調理底板；（13）為計數信號數據驅動(dòng)隔離；（14）為基于isp的8通道智能計數模塊；（15）為計數前端程控調理控制器板；（16）為基于rs232的pc監控調試接口；（17）為儀器底板總線(xiàn)接口；（18）為sport口緩沖驅動(dòng)；（19）為sharc dsp小系統，包括dsp，fdash等；（20）為智能計數器卡。

結束語(yǔ)

數字信號處理解決方案（dsp）是數字化時(shí)代解決電子儀器開(kāi)放式體系結構（osa）設計的必要技術(shù)環(huán)節。應用高性能dsp作為系統控制和數據處理的主芯片，構成多dsp分布式、并行處理系統，充分發(fā)揮系統實(shí)時(shí)信號處理和海量數據的吞吐能力，仿vxi/pxi先進(jìn)總線(xiàn)技術(shù)，設計專(zhuān)門(mén)的背板式儀器總線(xiàn)，用于內部控制和數據交換，實(shí)現了模塊化、標準化、通用化的開(kāi)放式結構，專(zhuān)門(mén)的儀器同步互聯(lián)接口和100m以太網(wǎng)接口，用于與其他測試系統同步互聯(lián)及pc機遠程操作與調試，便于大型分布式測試系統的組建與同步互聯(lián)、同步控制以及綜合觸發(fā)等。本系統得成功研制，對分布式同步互聯(lián)型測控網(wǎng)體系結構和高端ats的國產(chǎn)化等進(jìn)行了有意的探索，在x代步兵戰車(chē)發(fā)動(dòng)機綜合闡述動(dòng)態(tài)測試、裝甲車(chē)載荷譜測試中取得了良好的應用效果，在大型旋轉機械連續采集和實(shí)時(shí)壓縮以及遠程狀態(tài)監測和故障診斷領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用價(jià)值；可實(shí)時(shí)地全部測試振動(dòng)（應力）測量中最主要的9項評估指標；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)參數和振型，各個(gè)高性?xún)r(jià)比功能模塊卡都可自成系統，可對各種常用工業(yè)傳感器信號進(jìn)行高速高精度連續采集、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。