大型旋转机械振动信号采集与处理系统的研究

了 数据采集的速率， 使该系统能满足高速、 高效、 实时及方便的要求。随着 Ｐ Ｃ Ｉ 总线和Ｄ Ｓ Ｐ 处理器的普及与
应用 ， 这种结合方式相信会有比较广阔的前景。
参考文献 ：
［ Ｉ 〕 李贵山， 戚德虎 Ｐ Ｃ Ｉ 局域总线开发都指南 【 Ｍ ］ ． 西安： 西安电子科技大学出版社 １ ９ ９ ７ ．
Ｗ ２５
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２１一 工 Ｋ － ｐ －－ 卜 －－ 注
图 ５ 总线读操作时序
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
效。一旦主设备设置了Ｉ Ｒ Ｄ Ｙ ＃ 信号， 直到当前数据结束为止， 主设备不能改变Ｉ Ｒ Ｄ Ｙ ＃ 信号和Ｆ Ｒ Ａ Ｍ Ｅ ＃ 信号
的状 态 。
２ ． ４ 电压转换［ １ ５ １ Ｔ ＭＳ ３ ２ ０ Ｃ ５ ４ ０ ２采用低压工作， 其内核电压为 １ ． ８ Ｖ ， Ｉ ／ ０管脚电压为 ３ ． ３ Ｖ ， 而Ｐ Ｃ机插槽上只有 ５ Ｖ电源， 而且 Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ， Ｒ Ａ Ｍ和 Ａ ／ Ｄ都是 ５ Ｖ器件， 它们和 Ｔ Ｍ Ｓ ３ ２ ０ Ｃ ５ ４ ０ ２ 相连时必须经过电平转换， 所以必须在电路中
要求。文章在原有某化工厂汽轮机信号采集系统的基础上提出了 基于 Ｄ Ｓ Ｐ 和Ｐ Ｃ Ｉ 总线的信号采集系统， 对原有信号
采集 系统结构进行 了改进 ， 并阐明了新 系统的优点和各功能部件之间的通信连接。 关键词 ： 信号采集； 旋转机械
中图分类号 Ｔ Ｐ ２ ７ ４ ． ２ 文献标 识码 ： Ａ
时信号处理打下良好的基础〔 ３ ］ ０
２ 关键部分电路的实现
２ ． １ 信号调理电路 在工业现场， 环境非常复杂， 会对传感器采集 信号 的原始振动信号产生很多干扰 ， 而且反映间隙电 压的直流量比较大， 反映振动量的交流量比较小 ， 交流分量 所以必须经过预处理 ， 包括滤波、 放大和隔直等， 图 ２ 调理电路图框架 将其振动信号调理到系统监测和分析所需要的要 求， 提高信噪比、 减少信号分析和处理的误差。信 号调理模块由隔交流电路 、 调零电路 、 放大电路和滤波电路等组成（ 如图 ２ ） 。从传感器输出的信号经过隔交 流电路后分离出直流分量 ， 该直流分量与原信号在减法电路中相减后 ， 得到交流分量 ， 放大电路对交流分量 进行放大， 以提高采样的精度， 而低通滤波器则将信号中不需要的高频成分滤掉， 预处理电路图见图 ３ ， 整个 预处理电路包括滤波、 放大 、 加法、 跟随和调零等部分 ， 其中关键部分是滤波电路和放大电路。
大型旋转机械振动信号采集与处理系统的研究
楼建忠‘ ， 杨世锡‘ ， 马 丽２
（ １ ． 浙江大学机械与能源学院， 杭州 ３ １ ０ ０ ２ ７ ； ２ ． 浙ｘ人才专修学院， 杭州 ３ １ ０ ０ ０ ６ ） 摘 要： 在大型旋转机械状态监测中， 信息量非常大， 对信号的实时性要求非常高， 这对采集系统提 出了更高的
２ ． ３ Ｔ Ｍ Ｓ ３ ２ ０ Ｖ Ｃ ５ ４ ０ ２ 和接口 芯片Ｐ Ｃ Ｉ ９ ０ ５ ４ 的通讯［ ａ ｌ
应用 目标接口芯片 Ｐ Ｃ Ｉ ９ ０ ５ ４的接口电路设计， 使高速的Ａ ／ Ｄ转换器有高速的总线与其相匹配， 有效的解
决了数据的实时传输和存储问题 ， 为信号的实时处理提供了方便。 Ｐ Ｉ 是一个 ８ 位 Ｖ Ｃ ５ ４ ０ ２ 和接口芯片 Ｐ Ｃ Ｉ ９ ０ ５ ４ 是通过 Ｖ Ｃ ５ ４ ０ ２ 的主机接口（ Ｈ Ｐ Ｉ ） 来实现数据的交换的。该 Ｈ 并且 Ｖ Ｃ ５ ４ ０ ２ 为Ｈ Ｐ Ｉ 的双向并行口， 使主机可以通过 Ｈ Ｐ Ｉ 口自由地读写 Ｖ Ｃ ５ ４ ０ ２ 片内 Ｒ Ａ Ｍ的任何一个空间， 口提供了专门的中断线 ， 这样两个系统可以通过控制信息交互。 个端 口上 Ｈ Ｐ Ｉ 为上层系统的访问提供了４ 个端 口， 这４ 个端 口由 Ｈ Ｃ Ｎ Ｔ Ｌ ｌ 和Ｈ Ｃ Ｎ Ｔ 功 来寻址。通过这 ４ Ｈ Ｐ Ｉ Ｄ Ｓ 来分别连续 层系统可以读写 Ｈ Ｐ Ｉ 的地址寄存器 Ｈ Ｐ Ｉ Ａ和控制寄存器 Ｈ Ｐ Ｉ Ｃ ； 通过另外两个端 口 Ｈ Ｐ Ｉ Ｄ Ｃ ， 或单个的读写 Ｖ Ｃ ５ ４ ０ ２ 存储器中的数据。 总线一次读操作中时序变化情况如图 ５ ， 数据传 ＣＩ Ｋ 输过程中的握手和等待控制信号主要由帧周期信号
增加电压转换膜块 ， 否则容易损坏 Ｄ Ｓ Ｐ 器件。
３ 结束语
Ｐ 本设计结合 Ｃ Ｉ ９ ０ ５ ４ 强大的功能和简单的用户接 口， 利用 Ｔ Ｍ Ｓ ３ ２ ０ Ｖ Ｃ ５ ４ ０ ２ 强大的运算处理能力 ， 可以将 高速采集与实时处理结合在一起， 同时利用 Ｍ Ａ Ｘ １ ２ ５ 进行 Ａ ／ Ｄ转换， 改善了高速数据采集系统的性能， 提高
Ｆ Ｒ Ａ Ｍ Ｅ ＃、 主设备准备好信号 Ｉ Ｒ Ｄ Ｙ ＃、 从设备准备
好信号 Ｔ Ｒ Ｄ Ｙ＃ 和设备选择信号 Ｄ Ｅ Ｖ Ｓ Ｅ Ｌ ＃ 组成。为
Ｆ ＲＡＭ Ｅ＃
ＡＤ
Ｃ／ ＢＥ＃
了避免 Ｐ Ｃ Ｉ 总线上信号接收和发送的时候占用总线 的冲突， 由总线占用请求信号 Ｒ Ｅ Ｑ＃和总线占用允
许信号 Ｇ Ｎ Ｔ＃仲裁。Ｆ Ｒ Ａ Ｍ Ｅ＃和 Ｉ Ｒ Ｄ Ｙ＃定义了总 线的忙／ 闲状态， 当其中一个有效时， 总线是忙的； 两
Ｉ ＲＤＹ＃ ＴＲＤＹ＃
ＤＥＶＳ ＥＬ＃
个都无效时， 总线处于空闲状态。一旦 Ｆ Ｒ Ａ Ｍ Ｅ ＃ 信 号设置无效， 在统一传输器件不能重新设置。除非设置 Ｉ Ｒ Ｄ Ｙ ＃ 信号， 一般情况下不能设置 Ｆ Ｒ Ａ Ｍ Ｅ ＃ 信号无
２ ０ ０ ５ 年
第２ ２ 卷
Ｄ Ｓ Ｐ 读数并处理数据的速度要比Ａ ／ Ｄ转换速度高得多， 它根据 Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ的状态决定如何读出数据。Ｄ Ｓ Ｐ的 Ｂ Ｉ Ｏ＃ 管脚与 Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ的空标志相连， Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ的满标志接 Ｄ Ｓ Ｐ的中 Ｉ Ｎ Ｔ Ｉ ＃（ 如图 ４ ） 。当 Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ不空时读 ， Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ空则 等待。当 Ｄ Ｓ Ｐ 任务较重时， Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ数据长时间没有被读走， Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ半满或全满时， 会向 Ｄ Ｓ Ｐ 发出一个中断信号， Ｄ Ｓ Ｐ 暂时停止当前的工作 ， 进人中断服务程序。若 Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ已满 ， 而Ｄ Ｓ Ｐ来不及处理时， 就会发生丢失 Ａ ／ Ｄ数 据的现象 ， 必须将 Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ清空以保证 Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ中数据的完整性。
） ， 男， 浙江诸暨人， 硕士研究生 ， 从事大型旋转机械状态监测和故障诊断研究。
第 ２期
楼建忠等 ： 大型旋转机械振动信号采集与处理系统的研究
系统的运行过程： 现场信号经过调理电路模块， 实现了滤波、 放大和交直流隔离， 其中交流部分在键相信 号的触发下进行 Ａ ／ Ｄ转换 ， 连续地写人 Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ存储器中， 并在一定的条件下 ， 被读人 Ｄ Ｓ Ｐ信号处理器中。在 Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ中固化了程序代码和数据表 ， 而Ｄ Ｓ Ｐ 片内 Ｒ Ｏ Ｍ中固化了引导加载程序（ Ｂ ｏ ｏ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｅ ｒ ） ， 加电复位后 ， Ｄ Ｓ Ｐ 启动这一程序， 将片外 ８ 位宽的 Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ内容拼成 １ ６ 位的程序指令放在 Ｄ Ｓ Ｐ片内和片外的高速 Ｒ Ａ Ｍ中， 使 得执行速度大大提高。通过 Ｐ Ｃ Ｉ 总线的高速数据通道， 不仅可以将信号处理的结果直接实时的传送到计算 机内存中加以保存 ， 还可以利用图形用户界面对信号处理的结果进行更进一步的分析和处理， 为实现高速实
［ ２ ］ Ｐ Ｃ Ｉ ９ ０ ５ ４ Ｄ ａ ｔ ａ Ｂ ｏ ｏ ｋ Ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ １ ． ０ （ Ｐ ｌ ｘ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ） ［ Ｓ ］ ， １ ９ ９ ９ ．
１ ２ ［ Ｌ Ｕ Ｆ ２ ３ ５ ４ Ｂ ７ ７ ６ Ｒ １ ０ Ｐ Ｋ ２ Ｆ １ ０ ， Ｌ Ｕ Ｆ ２ ３ ５ ４ ＣＦ ７ Ｏ Ｕ Ｔ Ｐ Ｕ Ｉ Ｂ
＝ ｏ Ｃ ０ ｏ ７ ｐ
３ Ｒ ０ ７ Ｋ ３ １ ０ ２ － Ｖ ４ Ｕ Ｃ ７ １ ２ ３ ０ ５ ８ Ａ １ ８ 了 Ｒ Ｉ Ｐ Ｏ ２ Ｋ Ｈ ７ １ ３ ２ Ｕ ２ ＇ Ｄ － ， Ｏ Ｕ Ｔ Ｐ Ｕ Ｔ Ｉ Ａ
系统结构之间的瓶颈问题。同时数字信号处理器具有强大的数据吞吐能力， 它用硬件来实现各种算法， 使得
处理数据效率大大提高， 且它具有性价比 高、 能耗低等特点， 非常适合用于实时监测的信号处理系统中〔 １ ， ２ １ ０
本文在结合本科研组为某厂开发的汽轮机组故障诊断系统现场运行的基础上， 为了能更好的实现实时 性和处理大信息量数据， 对系统硬件做了进一步的改进， 提出了用 Ｔ Ｍ Ｓ ３ ２ ０ Ｖ Ｃ ５ ４ ０ ２ 信号处理芯片和 Ｐ Ｃ Ｉ ９ ０ ５ ４
通道的数据采集芯片， 分辨率为 １ ４ 位， 采样率为 ２ ５ ０ ｋ Ｈ ｚ ， 每个通道
的转换时间为 ３ ［ Ｌ ｓ ， 片上带有４ 个采样／ 保持电路， 每个采样／ 保持
电路可复用于 ２ 路输人 ， 这样可同步采样 ４ 路信号。
图 ４ Ｄ Ｓ Ｐ与 Ｆ Ｉ Ｆ Ｏ的连接
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图 ３ 预处理电路图
２ ． ２ Ｔ Ｍ Ｓ ３ ２ ０ Ｖ Ｃ ５ ４ ０ ２ 与Ｍ Ａ Ｘ １ ２ ５ Ａ ／ Ｄ芯片的接 口连接 Ｔ Ｍ Ｓ ３ ２ ０ Ｖ Ｃ ５ ４ ０ ２ Ｄ Ｓ Ｐ 为整个系统的控制核心。它内部采用改进的哈佛结构和流水线操作， 并采用多总线 结构 ， 性价 比高， 在系统中将实时处理能力和控制器外设功能集于一身。 Ａ ／ Ｄ转换器将模拟信号变成 Ｄ Ｓ Ｐ 可处理的数字量， 是Ｄ Ｓ Ｐ 处理的 基础。选用 Ａ ／ Ｄ转换器主要考虑两个指标： 位数和转换速率。本 设计采用 Ｍ Ａ Ｘ Ｉ Ｍ公司的 Ｍ Ａ Ｘ １ ２ ５ 模／ 数转换芯片， 它是一种高速多
浙江理工大学学报， 第２ ２ 卷， 第２ 期， ２ ０ ０ ５ 年６ 月
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｉ － Ｔ ｅ ｃ ｈ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ２ ，Ｎ ｏ ． ２ ， Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ ０ ５ 文章编号： １ ０ ０ ９ － ４ ７ ４ １ （ ２ ０ ０ ５ ） ０ ２ － ０ １ ５ ４ － ０ ３
０ 引
言
目前我国有关工厂正在从对旋转机械的振动进行巡回检测、 定期检测及停机检修状况过渡到对机组进 行长期连续监测的阶段 ， 并进一步实现对机组的振动信号进行在线分析。在这些应用场合， 往往需要现场实 时采集及处理多路信号， 并要求满足一定的实时性， 这就对采集系统提出了非常高的要求。 与传统的 Ｉ Ｓ Ａ总线相比， Ｐ Ｃ Ｉ 总线具有最高工作频率为 ３ ３ Ｍ Ｈ ｚ ， 总线宽度为 ３ ２ 位， 数据传输速率可以达 到１ ３ ２ Ｍ Ｂ ／ ｓ ， 较高的数据吞吐率， 在一定意义上可以认为 Ｐ Ｃ Ｉ 总线解决了高性能的 Ｃ Ｐ Ｕ处理能力和低效的
接口总线来组建信号采集系统的方法。
１ 数据采集和处理系统
本系统由信号调理电路、 Ａ ／ Ｄ转换电路、 Ｄ Ｓ Ｐ ， Ｐ Ｃ Ｉ 接口电路和电源电路等组成（ 如图 １ ） ０
键相信号
信号
图 １ 系统总体结构示意图
收稿 日期 ： ２ ０ ０ ４ － ０ ８ － １ ９
作者简介 ： 楼建忠（ １ ９ ７ ３