便携式双通道振动故障诊断仪的制作方法

专利名称：便携式双通道振动故障诊断仪的制作方法
便携式双通道振动故障诊断仪技 术 领 域本发明涉及一种测量振动的测量器具，更特别地说，是指一种基于双核处理器(ARM核和 DSP核)的、嵌入式Linux操作系统的便携式双通道振动故障诊断仪。背 景 技 术测振仪作为振动测试和分析最常用的工具广泛应用于工业领域，研制和开发功能强、成本低、体积小、重i轻的便携式智能测振仪具有重要的现实意义。对于便携式测振仪，从技术角度而言，考虑硬件的体积、成本、重量等物理因素，必不可少的几个环节是模拟电路的数字化，电源管理 的"零"功耗化，电路布局的紧凑化。进而，在硬件资源有限的情况下，考虑软件的性能、功能、 效率，必须面对的问题是高精度振动参数的实时检测、多功能仪器管理的合理组织、高效率信号 处理算法的实时实现。这些都是便携式智能测振仪器值得探讨和研究的问题。发明人郑红等在专利号03155963.8 (授权公告号CN 1181321C)公开了一种"便携式智 能测振仪"。是以DSP处理器为核心的电路结构，釆用高性能数字滤波器实现频谱细化抽取的频 谱抗混淆、积分算法去趋势项、增强系统阻带衰减；釆用仿人智能抗千扰方法去除对于白噪声和 有色噪声的干扰；利用环形连续数据存储的方法，完成信号滚动输入的长数据采集，从而可在不 增加硬件配置的基础上，实现实时高倍频谱细化；实现了硬件结构的微功耗待机，软件控制的零 功耗调度的低功耗的测振装置。 发 明 内 容为了改善大容量数据信息的处理速度、提高仪器的管理功能、增加故障诊断专家模块、以及 对动态平衡的实时校准功能，本发明提供一种便携式双通道振动故障诊断仪，该诊断仪具有如下 性能(A)采用双通道对振动信号进行实时采集，有效地增加了仪器对被测设备动平衡参数的实 时校准功能；(B)采用两路相互独立的信号调理方式对双通道采集的数据信息进行多级程控放大、 抗混淆滤波，有效地调整了系统输入信号的检测灵敏度；(C)采用双核OMAP5912处理器，其 中ARM核运行嵌入式Linux操作系统，釆用C语言和ARM汇编语言的混合编程方式；DSP 核釆用C语言和DSP汇编语言的混合编程方式；实现了双CPU并行处理的高速、高性能便携 式仪器的技术要求；(D)采用"图形界面"进行多模式功能调度，提高了便携式仪器的可操作性、 可重构性，为通用便携式仪器的柔性人机接口提供了技术支持。
在本发明中，硬件电路由信号调理电路、双核处理器、电源管理电路和外部传输接口电路组 成。其中，信号调理电路由程控开关分别调节A路和B路运放的放大倍数，通过判断振动信号 的峰值来实时修改振动信号放大倍数/。 (/。为1 10);外部传输接口电路的设计实现了本发明 诊断仪可以通过以太网、USB进行数据传输和存储；电源管理电路用于提供+ 5V、十3.3V、 + 1.8V、 +1.6￥电压等级的系统电源电路，采用了低功耗设计、电路布局紧凑。本发明便携式双通道振动故障诊断仪的优点该诊断仪采用基于双核处理器结构的设计方 案，将硬件电路软件化，包括高性能带宽可调整数字滤波器算法、高性能一次、二次数字积分算 法、专家诊断模块算法、柔性可重构人机界面管理程序等，在简化硬件电路的同时实现了体积小， 重量轻、低功耗、低成本、高性能的智能数字化仪表电路设计。 附 图 说 明

图1是本发明双通道振动故障诊断仪的结构框图。图2是本发明双通道振动故障诊断仪的外部结构示意图。图2A是显示屏中图形界面的布局示意图。图3是本发明双核处理器内部数据信息的处理流程框图。图4A是A通道信号调理电路原理图。图4B是B通道信号调理电路原理图。图4C是A通道、B通道的数模转换电路原理图。图5A是双核处理器与键盘、显示屏、存储器之间常规电路管脚的连接框图。 图5B是DSP核通讯接口电路原理图。 图5C是DSP核外部配置电路原理图。 图5D是DSP核供电电路原理图。 图6是网络接口电路原理图。 图7是计时芯片电路。 图8是USB接口电路原理图。 图9A是电源管理电路原理图。 图9B是DSP核供电电源芯片电路。 图9C是RAM核供电电源芯片电路。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图1所示，本发明是一种便携式双通道振动故障诊断仪，由信号调理电路、双核处理器、 电源管理电路和外部传输接口电路组成；其中，信号调理电路由程控开关分别调节A路和B路
运放的放大倍数，通过判断振动信号的峰值来实时修改放大倍数(一倍或者十倍)；外部传输接 口电路的设计实现了本发明诊断仪可以通过以太网、USB数据传输和存储；电源管理电路采用 了低功耗设计，使得电路布局紧凑。在本发明中，可以利用压电式加速度传感器，把振动信号转 换成电信号，经过A通道、B通道进入信号调理电路，信号调理电路对接收的两路信号分别进行 放大、抗混淆滤波、A/D转换后输出给双核DSP处理器，双核DSP处理器对接收的两路信号 经过带通滤波模块、数字积分模块处理，分别由加速度信号产生速度信号和位移信号，而后实时 同时显示两路的加速度、速度、位移三个振动物理量。同时，通过FFT以及频谱细化算法，动 态显示三个振动物理量的实时频谱图，并可存储相应的测量值及频谱图，而且可经通过嵌入式专 家系统模块诊断设备故障，并给出故障排除策略。参见图2、图2A所示，本发明便携式双通道振动故障诊断仪外形设计小巧，其正视面板上 从左至右设有电源开关7、第一按键ll、第二按键12、第三按键13、第四按键14 (这四个按 键可以是图形界面左列对应菜单操作的快捷键等，以第一按键11为例，在测量模块21下，图 形界面左列菜单对应此键的操作为显示方式，按下此键，界面就会切换显示模式为数据显示或图 形显示)、显示屏2、轨迹球(JOGBALL) 1;俯视面板上设有电源接口 6 (该电源接口搪入5V 稳压电源连接)、B通道接口 5、 A通道接口 4;右面板上设有USB接口 3。显示屏2内设有的 "图形界面"包括测量模块21、系统设置模块22、测量设置模块23、数据管理模块24、系统 信息模块25和专家系统模块26 (即故障诊断专家模块)。各个模块实现的功能如下所述测量模块21该模块主要是完成现场对振动信号的测试、分析。先根据被测设备检测点编号，测量所在编 号的振动信息，可以对两个检测点进行同时测量(A通道、B通道即壳体俯视面板上的A通道接 口 4、 B通道接口 5)。振动信号通过压电式加速度传感器转化为电信号，再通过信号调理电路变 换为具有一定幅值、 一定带宽的标准电压信号，对标准电压信号进行模数转换进入双核处理器中， 通过IIR滤波后对信号积分，实时分析振动信号的加速度"、速度v 、位移J ，同时进行实时FFT 分析得到振动信号的频率y;， ZFFT算法可实现现场的频谱细化分析，获得细化后频率厶。系统设置模块22该模块主要是完成对系统基本参数的设置。如中文、英文选择，定时关机选择，显示屏的亮 度调节，时间设定等。 测量设置模块23该模块主要是依据"被测设备要求的测量参数范围"来完成对测量模块21的功能设置。 "测量参数"包括有不同设备不同频带厶下的采样率/p以及对应的检测点编号。
数据管理模块24该模块主要是完成双核处理器对数据的管理。通过USB接口可将存储下来的数据存储到U 盘方便后期的离线分析，存储的信息包括振动信号的加速度"、速度v、位移J和频率F以及原 始振动信号数据(A路放大电路和B路放大电路接收的振动信号)。系统信息模块25该模块主要是显示该设备的软件版本相关信息等。 专家诊断模块26该模块主要是由专家诊断算法实现振动信号的故障诊断。通过原始数据(A路放大电路和B 路放大电路接收的正弦信号)的输入，以及相应振动源(如电机产生的)的参数的输入，通过专 家系统(故障诊断专家模块)的分析来得出振动源的工作情况。本专家诊断模块釆用产生式描述 规则，以及正向链策略，进行推理诊断。此专家系统模块是一个可扩充的故障诊断专家系统，通 过对原始数据的不断积累和专家的分析，将先前未能考虑到的故障原因加入专家系统中，不断的 丰富专家库，完善专家系统，提高本专家系统诊断准确度。参见图3所示，本发明测量控制系统在双核处理器OMAP5912的ARM核和DSP核中运 行，其中ARM核运行嵌入式Linux操作系统，编程语言为C语言和ARM汇编语言；DSP核 运行C语言和DSP汇编语言。ARM核完成管理功能，DSP核完成信号检测分析功能。ARM核运行的软件程序包括图形界面程序、设备驱动程序、专家系统分析程序、双核通 讯程序(DSP/BIOS LINK)、系统管理调度程序。DSP核运行的软件程序包括数据采集程序、数字信号预处理程序、信号分析程序、双核 通讯程序(DSP/BIOS LINK)。在系统启动后，通过轨迹球3控制显示屏上的鼠标位置，选择执行显示屏2中的各个模块， 根据用户需求进行数据釆集、处理、分析、输出等操作，在是否有采集命令的条件下，运行ARM 核发送单元向DSP核接收单元发送命令。DSP核运行数据釆集单元，对振动信号进行A/D釆 集。信号采集后，DSP核运行数字信号预处理单元，对数字信号进行预处理，所述预处理釆用满 足8阶的直接I型HR滤波；预处理操作结束后，DSP核运行信号分析单元，得到振动信号的加速度"、速度v、位移d、频率yi和细化频率/;信息，速度v信号通过对加速度a信号进行梯型数字积分得到，位移d信号通过对速度v信号进行梯型数字积分得到，频率F通过快速傅立叶算 法得到，细化频率乂通过复调制ZOOMFFT算法得到。下面针对本发明的硬件电路设计进行详细说明本发明双核处理器采用美国TI公司生产的型号为OMAP5912芯片，该双核处理器共有289 个端子。参见图6A所示其相应的端子分别键盘、显示器、RAM、 FLASH连接(常规连接，故 在本发明中不对各管脚作详细说明)。外部连接的键盘和显示器为实现人机对话工具，操作者可
以按动振动故障诊断仪面板上的"功能键"和"JOGBALL"球，可将要完成的功能通知"图形 界面"(图2A所示)，通过显示器做出响应。通过RS232通用接口、网络接口、串行接口可使 振动故障诊断仪和计算机(PC机)或者打印机等外部设备的相连，便于对数据进行后续的处理。 外扩的64KRAM存储器用作程序区，扩展串行1IC协议FLASH芯片存储数据。在本发明的硬 件电路中，除了常规管脚的联接未公开外，其余各管脚的联接请参见下面的详细说明。 (一)信号调理电路单元 .参见图4A所示，A传感器输出的信息经A通道接口 Jl的1脚进入信号调理电路中，A通 道接口 Jl的4脚接AGND， 3脚接A3.3V， 1脚经电容C4与放大器U1A的3脚联接；放大 器U1A的3脚与电容C4之间经电阻Rl后接A3.3V，放大器U1A的3脚与电容C4之间经电 阻R3后接AGND。放大器U1A的2脚顺次经电阻R6、电容C6后联接到AGND， 2脚与1脚串联有程控开 关U2A; 4脚接AGND; 8脚经电感Ll后接A3.3V，电感Ll的1脚经电容C3后接AGND, 电感Ll的2脚经电容Cl后接AGND;的1脚顺次经电容C5、电阻R2与放大器U1B的6 脚联接。放大器U1B的5脚经电阻R7接A3.3V，且5脚经电阻R8接AGND; 6脚与7脚之间串 联有电位计Rl 1; 7脚顺次经电阻R9、电容C9后与抗混淆滤波器U3的2脚联接，且电阻R9 与电容C9之间经电容CIO后接AGND。抗混淆滤波器U3的4脚与7脚联接，且通过电感L2接A3.3V，电感L2的1脚经电容 C8后接AGND，电感L2的2脚经电容C7后接AGND; 1脚经电容C12后接AGND; 6脚经 电容C14后接AGND; 8脚经电容C13后接AGND; 3脚接AGND; 5脚顺次经电阻RIO、 电容C11后接AGND ，且5脚与数模转换芯片U8的6脚联接。稳压芯片U4的1脚接A3.3V, 3脚接AGND， 2脚接分压电路后与抗混淆滤波器U3的6 脚联接。分压电路是在A3.3V与AGND之间串联电阻R12、电阻R13构成。参见图4B所示，B传感器输出的信息经B通道接口 J2的1脚进入信号调理电路中，B通 道接口 J2的4脚接AGND, 3脚接A3.3V， 1脚经电容C18与放大器U5A的3脚联接；放大 器U5A的3脚与电容C18之间经电阻R14后接A3.3V，放大器U5A的3脚与电容C18之间 经电阻R16后接AGND。放大器U5A的2脚顺次经电阻R19、电容C20后联接到AGND, 2脚与1脚串联有程控 开关U2B;4脚接AGND;8脚经电感L3后接A3.3V，电感L3的1脚经电容C17后接AGND， 电感L3的2脚经电容C15后接AGND;的1脚顺次经电容C19、电阻R15与放大器U5B的 6脚联接。
放大器U5B的5脚经电阻R20接A3.3V，且5脚经电阻R21接AGND; 6脚与7脚之间 串联有电位计R24; 7脚顺次经电阻R22、电容C23后与抗混淆滤波器U6的2脚联接，且电 阻R22与电容C23之间经电容C24后接AGND。抗混淆滤波器U6的4脚与7脚联接，且通过电感L4接A3.3V，电感L4的1脚经电容 C22后接AGND，电感L4的2脚经电容C21后接AGND; 1脚经电容C26后接AGND; 6 脚经电容C28后接AGND; 8脚经电容C27后接AGND; 3脚接AGND; 5脚顺次经电阻R23、 电容C25后接AGND,且5脚与数模转换芯片U8的7脚联接。稳压芯片U7的1脚接A3.3V, 3脚接AGND， 2脚接分压电路后与抗混淆滤波器U6的6 脚联接。分压电路是在A3.3V与AGND之间串联电阻R25、电阻R26构成。在本发明中，程控开关芯片分为三部分，即第一部分程控开关U2A、第二部分程控开关U2B 和第三部分程控开关U2C。串联在放大器U1A的1脚与2脚之间的第一部分程控开关U2A， 其4脚与放大器U1A的2脚联接，3脚经电阻R5后与放大器U1A的1脚联接，5脚经电阻 R4后与放大器U1A的1脚联接；串联在放大器U5A的1脚与2脚之间的第二部分程控开关 U2B，其14脚与放大器U5A的2脚联接，13脚经电阻R18后与放大器U5A的1脚联接， 12脚经电阻R17后与放大器U5A的1脚联接；第三部分程控开关U2C的16脚经电感L6后 接A3.3V，电感L6的1脚经电容C34后接AGND，电感L6的2脚经电容C33后接AGND; 6脚、7脚、8脚、10脚接AGND; 9脚与处理器U1C的M17脚联接；11脚与处理器U1C 的L13脚联接。参见图4C所示，数模转换电路U8的9脚经电阻R27后与电源芯片UIO的42脚联接， 且9脚经电阻R28后接GND; 5脚经电感L5后接A3.3V，电感L5的1脚经电容C29后接 AGND，电感L5的2脚经电容C30后接AGND; 11脚接AGND; 15脚与14脚之间串联有 电容C31、电容C32，且14脚接AGND; 10脚经电阻R31接A3.3V; 12脚经电阻R30接 A3.3V; 16脚经电阻R29接AGND; 13脚、3脚、2脚、1脚与处理器U1B的N6脚、U5 脚、T5脚、L8脚联接。稳压芯片U9的1脚接A3.3V; 3脚接AGND; 2脚与数模转换电路 U8的15脚联接。在本发明中，为了方便进行说明处理器与各芯片的联接关系，将处理器分为了多个模块进行 说明，其中是U1A表示处理器与键盘、显示屏、RAM、 FLASH的常规联接(各管脚在本发明 中不作详细说明)；U1B表示实现与处理器的通讯管脚部分；U1C表示处理器的外部配置电路； U1D表示处理器的供电电路部分。参见图5A所示，处理器U1A的KB严的11个管脚分别与键盘联接，LCD"的20个管 脚分别与显示屏联接，16条数据线、14条地址线、10条控制线分别与RAM存储器联接，16 条数据线、25条地址线、12条控制线分别与FLASH存储器联接。参见图5B所示，处理器U1B的Ml 1脚经电阻R67后接VDD_3V3; P16脚经电阻R68 后接VDD—3V3; K15脚与显示屏联接；U5脚与U6脚之间串联有电阻R69; N6脚与R5脚 之间串联有电阻R70; T5脚与L8脚之间串联有电阻R71 。参见图5C所示，处理器的外部配置电路U1C的R2脚与P2脚接无源晶振电路；Tl 1脚 接有源晶振电路；U11脚与U10脚接无源晶振电路后与处理器U1D的H8脚联接，且U11脚 经电阻R73后接VDD_3V3， UIO脚经电阻R74后接GND; N8脚经电阻R75后联接在电源 管理芯片UIO的33脚上，且N8脚经电阻R77后联接在电源管理芯片UIO的32脚上，且N8 脚经电阻R79后接VDD—3V3; PIO脚经电阻R80接VDD—3V3; N14脚经电阻R76后联接 在电源管理芯片UIO的33脚上，且N14脚经电阻R78后联接在电源管理芯片UIO的32脚 上，且N14脚经^阻R81后接VDD—3V3; R9脚经电阻R82后接GND; R14脚经电阻R83 后接GND; H14脚经电阻R84后接VDD—3V3; M15脚经电阻R85后接GND; L17脚与路 线接口 J3的2脚联接；L12脚、R6脚、M14脚与显示屏联接；路线接口 J3的3脚经电阻R86 后接VDD_3V3， 1脚经电阻R87后接GND。参见图5D所示，处理器的供电电路U1D的K5脚、M7脚、T16脚、Cll脚、T3脚、 G8脚、G9脚、H7脚接VDD—CORE; L9脚经电阻R89后接VDD—CORE; J10脚、Kl 1 脚、Hll脚、GIO脚J妾VDD—DSP; C14脚、G12脚、T6脚、Bl脚、L3脚、Gl脚、T10 脚、T13脚、J15脚、M13脚、R10脚接VDD—3V3; U2脚经电阻R90后接VDD—3V3; Dll 脚、D8脚、D6脚、D7脚接VDD—SDRAM; HI脚经电容C94后接GND; E5脚、E13脚、 F6脚、F12脚、G7脚、Gll脚、H9脚、H10脚、J9脚、K8脚、K9脚、K10脚、L7脚、 Lll脚、M6脚、M12脚、N5脚、N13脚接GND; H8脚经电阻R88接GND;参见图6所示，网络接口P4、的1脚、2脚、4脚与处理器U1B的T12脚、U13脚、N17 脚联接，3脚、47脚、48脚接GND, 49脚、50脚接VDD_3V3, 5~45脚与FLASH存储 器联接。参见图7所示，计时芯片U14的1脚与2脚接无源晶振电路，4脚接GND， 8脚接DC， 7脚经电阻R58后接VDD—3V3， 6脚、5脚与处理器U1B的P16脚、Mll联接。参见图8所示，USB电源芯片U17的8脚与6脚之间串接有电感L11,且8脚接VDD—3V3 ， 且经电容C56后接GND; 1脚、3脚、5脚、2脚接GND; 4脚与电源管理芯片UIO的26脚 联接，且经电阻R63接VDD—3V3; 7脚与电源开关芯片U15的3脚联接，7脚与GND之间 并联有电解电容C57、滤波电容C58。开关芯片U15的1脚接GND; 5脚与处理器U1C的 U7脚联接，且经电阻R62后接VDD—3V3; 4脚与电源管理芯片UIO的26脚联接；3脚、2 脚与6脚、7脚、8脚之间串接有电阻R66， 6脚、7脚、8脚经电容C59后接GND，且6脚、 7脚、8脚与USB接口 Pl的1脚联接；USB抗干扰芯片U16的1脚、3脚、5脚、7脚接GND; 6脚经电阻R64后接GND,且 6脚经电阻R60后与处理器U1B的Ul脚联接，6脚与USB接口 Pl的2脚联接；8脚经电阻 R65后接GND,且8脚经电阻R61后与处理器U1B的T2脚联接，8脚经电阻R59后与处理 器U1B的P4脚联接，且8脚与USB接口 Pl的3脚联接；USB接口 Pl的4脚、5脚、6脚 接GND。参见图9A所示，电源处理芯片UIO的40脚经电容C40后接GND,且联接在电阻R32 的2脚；37脚经电阻R41后接GND; 1脚、12脚接DC; 14脚、28脚接GND; 30脚、29 脚与处理器U1B的P16脚、Mll脚联接；36脚、32脚、33脚、35脚与处理器U1C的N16 脚、N8脚、N14脚、N15脚联接，其中36脚经电阻R3A后接GND， 35脚经电阻R36后接 VDD_3V3; 31脚经开关Sl接GND; 39脚经电阻R35后接DC; 25脚顺次经电阻R50、发 光二极管D3后接VDD_3V3; 18脚与网络接口 P4的46脚联接，且18脚经电阻R37后接 VDD_3V3; 2脚顺次经电阻R51、发光二极管D4后接VDD_3V3; 21脚、44脚、45脚、46 脚、16脚、15脚接GND; 20脚顺次经电阻R49、电感L9后接A3.3V，电阻R49的1脚经 电容CM8后接GND，电阻R49的2脚联接在电源芯片Ul 1的5脚，电感L9的2脚经电容 C49后接GND; 19脚经电阻R48后接DC，且19脚经电容C46后接GND; 24脚经电阻R45 后接VDD一DLL，且24脚经电容C47后接GND，且24脚顺次经电阻R46、电阻R47后接 GND; 23脚联接在电阻R46、电阻R47之间；22脚经电容C45后接GND，且22脚经电阻 R44后接VDD_3V3; 48脚联接在电感L8的2脚上；4脚顺次经电感L8、电阻R43后接 VDD_CORE，电感L8与电阻R43之间经电容C44接GND; 5脚、7脚、8脚接DC,且5 脚、7脚、8脚经电容C42接GND; 13脚联接在电感L7的2脚上；9脚顺次经电感L7、电 阻R42后接VDD—3V3，电感L7与电阻R42之间经电容C43接GND， 10脚与9脚联接；6 脚经电阻R59接DC, 6脚经电容C41接GND， 6脚经电阻RIOO接DC; 11脚顺次经电阻 电阻R38、发光二极管D2后接DC, 42脚与41脚联接，且与电池接口 P2的2脚联接，且经 电阻R39后接DC; 38脚经电阻R40后接GND;电池接口 P2的1脚接GND。在本发明中，外部电源接口 P3接入5V直流稳压电源，3脚、2脚接GND; 1脚经电容 C35后接GND，且1脚经二极管Dl后接GND,且1脚顺次经电阻R32、电阻R33后接DC。在本发明中，电源芯片Ul 1的5脚经电容C39后接GND， 5脚与4之间串联有电容C38; 1脚接DC， 2脚接GND，且1脚与2脚之间串联有电容C37; 3脚与处理器U1C的M16脚 联接。参见图9B所示，DSP核供电电源芯片U12的4脚接VDD—CORE; 5脚经电阻R53后接 VDD—3V3，且与电源管理芯片UIO的17脚联接；6脚经电阻R54后接VDD—CORE; 1脚经 电阻R55后接GND;3脚与2脚联接，且经电容C50后接GND,经电阻R52后接VDD—DSP。
参见图9C所示，SDRAM供电电源芯片U13的1脚、2脚、3脚接VDD—3V3，且经电容 C51后接GND; 4脚、6脚、9脚、IO脚接GND， 8脚与7脚联接，8脚顺次经电感LIO、 电阻R99后接VDD_SDRAM,电感LIO与电阻R99经电容C51后接GND; 5脚与电感LIO 的2脚之间串联有由电阻R56与电容C52构成的并联电麵，5脚与GND之间串联有由电阻R57 与电容C53构成的并联电路。下面针对本发明内嵌在双核处理器中的软件设计进行说明 本发明测振仪软件在DSP中运行，采用的是C语言和汇编语言混合编程方法。 本发明的测振仪软件由监控程序、中断程序、测量程序，数据处理程序组成。 监控程序是智能仪器软件的主线，它调用各模块，并将它们联系起来，形成一个有机的整体， 从而实现对仪器的全部管理功能。其程序的主要功能如下(l)管理键盘和显示器，实现菜单操作，按仪器的键入命令调用相应的服务程序。 (2展收输入输出接口、内部电路等发出的中断请求信号，按中断优先级的顺序转入相应的服 务程序，进行实时测量、控制或处理。(3)实现仪器的初始化，手动自动控制等。作为一个智能仪器，用户对它的操作主要通过菜单完成，菜单模式设计如图5所示，这个友 好的菜单界面使得用户能够方便的完成仪表的各种使用参数的设置，并且简单快速地使用该仪表。测量控制程序完成测量以及测量过程的控制任务，如采样、A/D转换，输出限幅、越限报 警、可程控放大器增益控制等。这些功能可以由若干个程序模块实现，供监测程序或中断服务程 序调用。数据处理程序包括各种数值运算(算术运算、逻辑运算和各种函数运算)，非数值运算(如 査表、排序和插入等)和数据处理(数字滤波和标度变换等)程序。中断处理程序处理各种服务请求，有时调用测量控制程序或数据处理程序。主程序即监控程序通过液晶显示器显示菜单，提供给人们控制信息(出厂初始化数据)，然 后通过键盘让使用者选择菜单设定从而接受使用者发给的指令，以决定下一步的运行任务，用户 选择不同的菜单(参见图2A所示)项意味着ARM核程序转而执行相应不同的任务。对菜单的 操作主要通过四个键来完成，其中"上健"和"下键"用来在同一级菜单的不同项之间跳转，"确 认'和"退出"健用来在不同级的菜单之间跳转，所以从流程上来分析，根据健值的不同主程序 将在不同的菜单等级和菜单项之间跳转。为了充分利用DSP芯片的资源，更好发挥C语言和汇编语言进行软件开发的各自的优点， 可以将两者有机结合起来，兼顾两者的优点，避免其弊端。在本发明中菜单程序、测量程序使用 C语言编写，FFT快速傅立叶变换程序及细化算法程序，液晶驱动程序、时钟芯片驱动程序、IIC 存储器驱动程序和各个I/O 口控制程序用汇编语言来实现。
下面对本发明中使用的硬件进行说明(一) 传感器的选择在振动测量中，把被测的振动力学参数转换成电学参数的装置称为振动测量传感器。在使用 电测法采测量振动位移、速度和加速度时，由于三个参数可以互相转换，测振仪的组成根据所用 传感器的不同而有不同的形式，所以测振仪主要是根据某种传感器来进行设计。振动测量中最常 用到的传感器是位移、速度和加速度传感器。由于加速度传感器，通常可以作得比速度传感器的 尺寸小、重量轻，且工作频率较宽。这样在测量时，不仅传感器对试件振动特性的影响(附加质量) 小，而且所测得结果也更接近某个点，而不是某个面的振动，同时能更女 的适应振动频率的要求。由于压电式加速度传感器的输出阻抗较高(10MQ以上)，故在与放大器联接时，中间必须经 过阻抗变换进行匹配。使用阻抗变换时，希望与加速度传感器近一些，以避免信号能量的损耗。 在阻抗变换与测振仪之间，如联接一放大器，可以提高测量的灵敏度。因此，本设计中传感器选 择将前置放大器与压电式加速度传感器做成一体的传感器，它使用方便，性能可靠，抗干扰性强。(二) 双核DSP处理器选择微计算机芯片为智能仪器的核心，它的选择将决定仪器的结构、性能、技术指标。OMAP5912 具有独特的双核结构，由一个ARM926EJ-S (下文简称ARM9)处理器和TMS320C 5509 (下 文简称DSP55x) DSP核组成。其中，ARM9处理器主要用来实现对整个系统的管理，包括界 面、网络和DSP数据处理的调度管理等；DSP核则主要用来实现对各种数据的高速处理。相对 于单核结构，OMAP5912的一个明显优势就是可以大大提高系统的功能和运算速度；双核通讯 的驱动程序DSPLINK允许开发者在ARM9和DSP55X之间优化分割各项任务，很好的实现了 任务的并行处理，在不增加功耗的前提下获得更加优良的性能，成功实现了性能与功耗的最佳组 合。OMAP5912的以上优点很好的满足了便携式测振设备的要求。仪器通过轨迹球操作和液晶显示方便了用户操作，实现了便携式仪器的柔性人机接口 。 RS232通用接口和以太网可使仪器和计算机相连，便于系统的更新和升级，USB接口可以方便 数据的下载，便于数据进行后续的处理。数字部分中的核心是OMAP5912芯片，扩展外部 16MRAM存储器用作程序区，扩展32MFLASH用于系统文件的存放。(三) 程控开关程控开关芯片选用MAX4053，该芯片是由三个数控开关组成，通过IO拉高开关的控制管 脚实现开头的选通和关断。当振动信号的幅值较小时，选用10倍放大电阻对信号进行10倍放 大，当幅值较大时，选用1倍放大电阻对信号进行1倍放大。DSP通过釆集到的振动信号来判 断当前的振动信号的幅值大小，实时调整放大倍数，以获得最为理想的信号用于AD采集。(四) 抗混淆滤波器为减小通带之外信号对测量结果的影响，采用MAX7414滤波芯片。(五) A/D转换器及其与DSP的接口设计 双通道对两路振动信号同时进行数据采集、滤波、频谱分析。(六) 电源及电源功耗设计在本发明中，电源管理电路包括有用于提供+ 5V、 +3.3V、十1.8V、 +1.6V电压等级的 系统电源电路、以及对锂电池的充电/放电电路。电源芯片采用了TPS65010芯片、TPS62040 芯片、FDC6331L芯片。TPS65010芯片可以提供两路开关电源输出和两路线性电源输出，同 时提供锂电池充电电路、复位管理电路以及通用10。另外，双核处理器可以通过TPS65010的 12C接口 (图9A中，即U10的30脚、29脚)对本芯片进行设置。TPS65010的两路开关电 源为双核处理器提供IO电压和核电压，其中核电压可以根据双核处理器的工作状态改变电压值， 达到最佳的省电效果。TPS65010的两路线性电源为双核处理器的DLL和A/D电路提供电源， 这两路电源对纹波要求较高，故釆用线性电源，可减小干扰。在本发明中，故障诊断专家模块用于实现针对不同被测设备检测得到的振动信号的振动参数 特性以及其振动频谱特性，进行故障模态分析，得到故障原因诊断结果，并给出故障排除策略。 其通过对振动源的振动测量分析，与被测设备相关的振动模态进行比较，对机组振动故障进行简 单快捷的诊断。通过对现场故障的分析，以及对数据进行统计处理，得到输入信号的频谱分析结 果，得出被诊断设备产生故障的原因、故障类型、故障部位。具体流程如下通过被测设备技术 指标的输入，确定被测设备故障诊断模态。
权利要求
1、一种便携式双通道振动故障诊断仪，包括有壳体、以及安装在壳体内的硬件电路板，所述硬件电路板上包括有处理器芯片、电源电路、信号调理电路、接口电路，其特征在于所述处理器芯片采用双核OMAP5912处理器，其上内嵌有测量控制系统；所述壳体的正视面板上从左至右设有电源开关(7)、第一按键(11)、第二按键(12)、第三按键(13)、第四按键(14)、显示屏(2)、轨迹球(1)；俯视面板上设有电源接口(6)、B通道接口(5)、A通道接口(4)；右面板上设有USB接口(3)；所述硬件电路由信号调理电路、双核处理器、电源管理电路和外部传输接口电路组成；所述信号调理电路包括有程控开关、A路放大电路、A路抗混淆滤波电路、B路放大电路、B路抗混淆滤波电路、模数转换电路；信号调理电路由程控开关分别调节A路放大电路和B路放大电路的放大倍数，通过判断振动信号的峰值来实时修改振动信号放大倍数f0；外部传输接口电路用于通过以太网、USB接口实现数据传输和存储；电源管理电路包括有用于提供+5V、+3.3V、+1.8V、+1.6V电压等级的系统电源电路、以及对锂电池的充电/放电电路；所述测量控制系统包括有测量模块(21)、系统设置模块(22)、测量设置模块(23)、数据管理模块(24)、系统信息模块(25)和故障诊断专家模块(26)；是采用图形界面进行功能切换的。
2、 根据权利要求1所述的振动故障诊断仪，其特征在于振动信号放大倍数/。为1~10。
3、 根据权利要求1所述的振动故障诊断仪，其特征在于DSP核对接收信号的预处理釆用 8阶的直接I型IIR滤波；DSP核对正弦信号进行信号分析处理后得到振动信号中的加速度Cl 、 速度v、位移^、频率乂和细化频率/z信息；其中速度v信号通过对加速度"信号进行梯型数字 积分得到；位移^信号通过对速度v信号进行梯型数字积分得到；频率,通过快速傅立叶算法得 到；细化频率y;通过复调制ZOOMFFT箅法得到。
4、 根据权利要求1所述的振动故障诊断仪，其特征在于专家诊断模块用于实现针对不同 被测设备检测得到的振动信号的振动参数特性以及其振动频谱特性，进行故障模态分析，得到故 障原因诊断结果，并给出故障排除策略。
5、 根据权刺要求1所述的振动故障诊断仪，其特征在于所述硬件电路的各管脚的联接为 A传感器输出的信息经A通道接口 Jl的1脚进入信号调理电路中，A通道接口 Jl的4脚接AGND， 3脚接A3.3V, 1脚经电容C4与放大器U1A的3脚联接；放大器U1A的3脚与 电容C4之间经电阻Rl后接A3.3V,放大器U1A的3脚与电容C4之间经电阻R3后接AGND; 放大器U1A的2脚顺次经电阻R6、电容C6后联接到AGND,2脚与1脚串联有程控开关U2A; 4脚接AGND; 8脚经电感Ll后接A3.3V，电感Ll的1脚经电容C3后接AGND，电感Ll 的2脚经电容C1后接AGND;的1脚顺次经电容C5、电阻R2与放大器U1B的6脚联接； 放大器U1B的5脚经电阻R7接A3.3V,且5脚经电阻R8接AGND; 6脚与7脚之间串联有 电位计Rl 1; 7脚顺次经电阻R9、电容C9后与抗混淆滤波器U3的2脚联接，且电阻R9与 电容C9之间经电容CIO后接AGND;抗混淆滤波器U3的4脚与7脚联接，且通过电感L2 接A3.3V,电感L2的1脚经电容C8后接AGND,电感L2的2脚经电容C7后接AGND; 1 脚经电容C12后接AGND; 6脚经电容C14后接AGND; 8脚经电容C13后接AGND; 3脚 接AGND; 5脚顺次经电阻R10、电容C11后接AGND,且5脚与数模转换芯片U8的6脚联 接；稳压芯片U4的1脚接A3.3V, 3脚接AGND， 2脚接分压电路后与抗混淆滤波器U3的6 脚联接；分压电路是在A3.3V与AGND之间串联电阻R12、电阻R13构成；B传感器输出的信息经B通道接口 J2的1脚进入信号调理电路中，B通道接口 J2的4脚 接AGND, 3脚接A3.3V, 1脚经电容C18与放大器U5A的3脚联接；放大器U5A的3脚与 电容C18之间经电阻R14后接A3.3V，放大器U5A的3脚与电容C18之间经电阻R16后接 AGND;放大器U5A的2脚顺次经电阻R19、电容C20后联接到AGND, 2脚与1脚串联有 程控开关U2B; 4脚接AGND; 8脚经电感L3后接A3.3V，电感L3的1脚经电容C17后接 AGND，电感L3的2脚经电容C15后接AGND;的1脚顺次经电容C19、电阻R15与放大 器U5B的6脚联接；放大器U5B的5脚经电阻R20接A3.3V,且5脚经电阻R21接AGND; 6脚与7脚之间串联有电位计R24; 7脚顺次经电阻R22、电容C23后与抗混淆滤波器U6的 2脚联接，且电阻R22与电容C23之间经电容C24后接AGND;抗混淆滤波器U6的4脚与7 脚联接，且通过电感L4接A3.3V,电感L4的1脚经电容C22后接AGND,电感L4的2脚经 电容C21后接AGND; 1脚经电容C26后接AGND; 6脚经电容C28后接AGND; 8脚经电 容C27后接AGND; 3脚接AGND; 5脚顺次经电阻R23、电容C25后接AGND,且5脚与 数模转换芯片U8的7脚联接；稳压芯片U7的1脚接A3.3V, 3脚接AGND， 2脚接分压电路 后与抗混淆滤波器U6的6脚联接。分压电路是在A3.3V与AGND之间串联电阻R25、电阻 R26构成；串联在放大器U1A的1脚与2脚之间的第一部分程控开关U2A,其4脚与放大器 U1A的2脚联接，3脚经电阻R5后与放大器U1A的1脚联接,5脚经电阻R4后与放大器U1A 的1脚联接；串联在放大器U5A的1脚与2脚之间的第二部分程控开关U2B,其14脚与放大 器U5A的2脚联接，13脚经电阻R18后与放大器U5A的l脚联接，12脚经电阻R17后与放 大器U5A的1脚联接；第三部分程控开关U2C的16脚经电感L6后接A3.3V，电感L6的1 脚经电容C34后接AGND,电感L6的2脚经电容C33后接AGND; 6脚、7脚、8脚、10 脚接AGND; 9脚与处理器U1C的M17脚联接；11脚与处理器U1C的L13脚联接；数模转换电路U8的9脚经电阻R27后与电源芯片UIO的42脚联接,且9脚经电阻R28 后接GND; 5脚经电感L5后接A3.3V,电感L5的1脚经电容C29后接AGND,电感L5的 2脚经电容C30后接AGND; ll脚接AGND; 15脚与14脚之间串联有电容C31、电容C32, 且14脚接AGND; 10脚经电阻R31接A3.3V; 12脚经电阻R30接A3.3V; 16脚经电阻R29 接AGND; 13脚、3脚、2脚、1脚与处理器U1B的N6脚、U5脚、T5脚、L8脚联接；稳 压芯片U9的1脚接A3.3V; 3脚接AGND; 2脚与数模转换电路U8的15脚联接； 处理器UIB的M11脚经电阻R67后接VDD_3V3; PI6脚经电阻R68后接VDD_3V3; K15脚与显示屏联接;U5脚与U6脚之间串联有电阻R69;N6脚与R5脚之间串联有电阻R70; T5脚与L8脚之间串联有电阻R71;处理器的外部配置电路U1C的R2脚与P2脚接无源晶振电路；Tl 1脚接有源晶振电路； Ul 1脚与UIO脚接无源晶振电路后与处理器UID的H8脚联接，且Ul 1脚经电阻R73后接 VDD—3V3, UIO脚经电阻R74后接GND; N8脚经电阻R75后联接在电源管理芯片UIO的 33脚上，且N8脚经电阻R77后联接在电源管理芯片UIO的32脚上，且N8脚经电阻R79 后接VDD_3V3; PIO脚经电阻R80接VDD_3V3; Nl4脚经电阻R76后联接在电源管理芯片 U10的33脚上，且N14脚经电阻R78后联接在电源管理芯片U10的32脚上，且N14脚经 电阻R81后接VDD_3V3; R9脚经电阻R82后接GND; R14脚经电阻R83后接GND; H14 脚经电阻R84后接VDD—3V3; M15脚经电阻R85后接GND; L17脚与路线接口 J3的2脚 联接；L12脚、R6脚、M14脚与显示屏联接；路线接口 J3的3脚经电阻R86后接VDD—3V3, 1脚经电阻R87后接GND;处理器的供电电路U1D的K5脚、M7脚、T16脚、Cll脚、T3脚、G8脚、G9脚、H7 脚接VDD—CORE; L9脚经电阻R89后接VDD—CORE; JIO脚、Kll脚、Hll脚、G10脚 接VDD—DSP; C14脚、G12脚、T6脚、Bl脚、L3脚、Gl脚、TIO脚、T13脚、J15脚、 M13脚、R10脚接VDD—3V3; U2脚经电阻R90后接VDD_3V3; Dll脚、D8脚、D6脚、 D7脚接VDD—SDRAM; HI脚经电容C94后接GND; E5脚、E13脚、F6脚、F12脚、G7 脚、Gll脚、H9脚、H10脚、J9脚、K8脚、脚、K10脚、L7脚、Lll脚、M6脚、M12 脚、N5脚、N13脚接GND; H8脚经电阻R88接GND;网络接口P4的1脚、2脚、4脚与处理器U1B的T12脚、U13脚、N17脚联接，3脚、 47脚、48脚接GND， 49脚、50脚接VDD—3V3， 5 45脚与FLASH存储器联接；计时芯片U14的l脚与2脚接无源晶振电路，4脚接GND， 8脚接DC, 7脚经电阻R58 后接VDD-3V3, 6脚、5脚与处理器U1B的P16脚、Mll联接'，USB电源芯片U17的8脚与6脚之间串接有电感Ll 1,且8脚接VDD_3V3，且经电容 C56后接GND; 1脚、3脚、5脚、2脚接GND; 4脚与电源管理芯片UIO的26脚联接，且 经电阻R63接VDD_3V3; 7脚与电源开关芯片U15的3脚联接，7脚与GND之间并联有电 解电容C57、滤波电容C58。开关芯片U15的l脚接GND; 5脚与处理器U1C的U7脚联接， 且经电阻R62后接VD^3V3; 4脚与电源管理芯片U10的26脚联接；3脚、2脚与6脚、7 脚、8脚之间串接有电阻R66, 6脚、7脚、8脚经电容C59后接GND,且6脚、7脚、8脚 与USB接口 Pl的1脚联接；USB抗干扰芯片U16的l脚、3脚、5脚、7脚接GND; 6脚 经电阻R64后接GND,且6脚经电阻R60后与处理器U1B的U1脚联接，6脚与USB接口 Pl的2脚联接；8脚经电阻R65后接GND，且8脚经电阻R61后与处理器U1B的T2脚联 接，8脚经电阻R59后与处理器U1B的P4脚联接，且8脚与USB接口 Pl的3脚联接；USB 接口P1的4脚、5脚、6脚接GND; 电源处理芯片UIO的40脚经电容C40后接GND，且联接在电阻R32的2脚；37脚经 电阻R41后接GND; 1脚、12脚接DC; 14脚、28脚接GND; 30脚、29脚与处理器U1B 的P16脚、Mll脚联接；36脚、32脚、33脚、35脚与处理器U1C的N16脚、N8脚、N14 脚、N15脚联接，其中36脚经电阻R34后接GND, 35脚经电阻R36后接VDD_3V3; 31 脚经开关S1接GND; 39脚经电阻R35后接DC; 25脚顺次经电阻R50、发光二极管D3后 接VDD_3V3; 18脚与网络接口 P4的46脚联接，且18脚经电阻R37后接VDD—3V3; 2脚 顺次经电阻R51、发光二极管D4后接VDD—3V3; 21脚、44脚、45脚、46脚、16脚、15 脚接GND; 20脚顺次经电阻R49、电感L9后接A3.3V,电阻R49的1脚经电容C48后接 GND,电阻R49的2脚联接在电源芯片Ul 1的5脚，电感L9的2脚经电容C49后接GND; 19脚经电阻R48后接DC，且19脚经电容C46后接GND;24脚经电阻R45后接VDD_DLL, 且24脚经电容CM7后接GND，且24脚顺次经电阻R46、电阻R47后接GND; 23脚联接在 电阻R46、电阻R47之间；22脚经电容C45后接GND，且22脚经电阻R44后接VDD—3V3; 犯脚联接在电感L8的2脚上；4脚顺次经电感L8、电阻R"后接VDD_CORE，电感L8与 电阻R43之间经电容C44接GND; 5脚、7脚、8脚接DC,且5脚、7脚、8脚经电容C42 接GND; 13脚联接在电感L7的2脚上；9脚顺次经电感L7、电阻R42后接VDD_3V3,电 感L7与电阻R42之间经电容C43接GND, 10脚与9脚联接；6脚经电阻R59接DC, 6脚 经电容CM1接GND, 6脚经电阻RIOO接DC; 11脚顺次经电阻电阻R38、发光二极管D2 后接DC， 42脚与41脚联接，且与电池接口 P2的2脚联接，且经电阻R39后接DC; 38脚 经电阻R40后接GND;电池接口 P2的1脚接GND;外部电源接口 P3接入5V直流稳压电源， 3脚、2脚接GND; 1脚经电容C35后接GND,且1脚经二极管Dl后接GND,且1脚顺次 经电阻R32、电阻R33后接DC;电源芯片Ul 1的5脚经电容C39后接GND, 5脚与4之间 串联有电容C38; 1脚接DC, 2脚接GND，且1脚与2脚之间串联有电容C37'， 3脚与处理 器U1C的M16脚联接；DSP核供电电源芯片U12的4脚接VDD_CORE; 5脚经电阻R53后接VDD_3V3,且与 电源管理芯片U10的17脚联接；6脚经电阻R54后接VDD_CORE; 1脚经电阻R55后接 GND; 3脚与2脚联接，且经电容C50后接GND,经电阻R52后接VDD—DSP;SDRAM供电电源芯片U13的l脚、2脚、3脚接VDD—3V3，且经电容C51后接GND; 4脚、6脚、9脚、10脚接GND, 8脚与7脚联接，8脚顺次经电感LIO、电阻R99后接 VDD—SDRAM,电感LIO与电阻R99经电容C51后接GND; 5脚与电感LIO的2脚之间串 联有由电阻R56与电容C52构成的并联电路,5脚与GND之间串联有由电阻R57与电容C53 构成的并联电路。
全文摘要
本发明公开了一种便携式双通道振动故障诊断仪，该诊断仪包括有壳体、双核OMAP5912处理器、测量控制系统；本发明(A)采用双通道对振动信号进行实时采集，有效地增加了仪器对被测设备动平衡参数的实时校准功能；(B)采用两路相互独立的信号调理方式对双通道采集的数据信息进行多级程控放大、抗混淆滤波，有效地调整了系统输入信号的检测灵敏度；(C)采用双核OMAP5912处理器，其中ARM核运行嵌入式Linux操作系统，以及运行C语言和ARM汇编语言的混合编程方式；DSP核运行C语言和DSP汇编语言的混合编程方式；实现了多CPU并行处理的高速、高性能便携式仪器的技术要求；(D)采用“图形界面”进行多模式功能调度，提高了便携式仪器的可操作性、可重构性，为通用便携式仪器的柔性人机接口提供了技术支持。
文档编号G05B19/04GK101118177SQ20071012084
公开日2008年2月6日 申请日期2007年8月28日 优先权日2007年8月28日
发明者吴兴华, 方智文, 骅 李, 鹏 王, 红 郑, 磊 陈 申请人:北京航空航天大学