DSP旋转机械特征提取测试数据压缩系统

引言

      旋转机械状态监测、故障诊断与在线预测技术、是近年来研究的热门课题,它是对运行信息进行数据采集、特征提取和模式分配等工作,发展趋向是状态监测与故障诊断的智能化（监测设备的强大实时信号处理能力）、系统化（强调多故障征兆信息的融合：多传感器融合技术）、早期化（变在线采集与离线分析为在线连续采集与实时处理,变预防性维修为视情维修）和网络化（应用基于internet的远程检测和专家联合诊断技术）[1]。因此,针对大型转转机械监测系统信号种类繁多、频带宽、动态范围大,瞬时性强等特点,并以多种类、多通道传感器信号高速高精度连续采集、实时状态特征提取和测试数据压缩的高性价比、网络型ats（automatic testing system）为研制目标,笔者对该技术进行了较为细致地探索。

需求分析及总体设计思路

      基于以上分析,大型旋转机械状态特征实时提取与测试数据压缩（处理）系统应具有以下性能：应包括通信控制模块、高速连续采集、高精度连续采集、多功能传感器调理采集与实时处理模块以及智能时间频率测量模块等,各模块并行工作,且自带高性能dsp,以是现在连续采集的同时进行测试数据压缩等处理,通信控制模块对内实现同步控制和综合触发,对外有网络接口和海量数据缓存设备。高速、高精度、多功能传感器连续采集与实时处理模块分别对传感器信号或电压信号进行调理、滤波、连续采集、实时处理（数字滤波、特征提取和数据压缩处理等）和同步传送等,智能时间频率测量模块用于转送等脉冲式传感器信号测量,也可接入ttl信号直接进行时间计数和频率测量。既可作为专用旋转机械状态检测、特征提取和测试数据实时压缩、又可作为通用测试平台。

      虚拟仪器（vi）整合了计算机、智能测试、模块及总线的标准化以及数字信号处理（dsp）等技术,是建立在标准化、模块化、积木化的硬件与软件平台上的一个完全开放的系统,这种vi/ats系统的体系结构如图1所示。

系统研制

      针对大型旋转机械特征提取和测试数据实时压缩需求分析和开放性体系结构设计、结合pc104嵌入式系统功能强、体积小、兼容性好、工作稳定、适应性强[2],特别是具有产品化的网络通信和海量存储固态盘接口等优点,整合vxi总线、多dsp（sharc）并行处理[3],高速缓存、vi以及网络技术等先进技术,按照测量、控制、通信、计算机（mc3）一体化系统的思路,本着先进、实用、可靠和经济的原则,笔者自主研发的具有实时特征提取和测试数据压缩能力的高性价比ats如图2所示[4]。

      在图2中,（1）为系统机箱前视图;（2）为系统机箱后视图;（3）为八通道大动态范围计数器程控模拟前端调理卡;（4）为智能计数器卡;（5）为多功能传输器调理及采集板;（6）为仪器内部底板总线;（7）为零槽通信控制卡;（8）为四通道高速连续采集及实时处理卡;（9）为四通道高精度连续采集及实时处理卡。

◇零槽通信控制卡研制

      笔者应用研华科技公司的pcm-3346 486 dx66-based模块,并通过pc104 isa总线与高性能shirc adsp2106x相结合的方式研发了基于pc104嵌入式系统的零槽通信控制卡[5]。

      在该系统中,dsp作为pc104嵌入式系统的协处理器,可通过仪器总线对内管理各仪器模块,并和pc104基于fifo一起缓冲数据池进行高速数据交换和通信控制,以支持突发式海量数据传输。大容量sdram可实现4m×32bit的同步数据缓存。通过高速同步串口（sport0）,可与其他系统实现分布式同步互联;也可借助pc高速通信控制卡实现对本卡的监控调试和通信控制。对内借助总线驱动隔离和逻辑控制电路,与从功能模块卡建立起模块选择（idx）、同步触发、时钟复位、读写、状态反馈等常用仪器状态控制信号的连接,零槽主控dsp可实现从模块dsp/mpu的多种串行通信模式：sport1以tdm的方式可实现与最多32个从设备的高速同步通信,通过可编程io脚flagx,可模拟实现uart、i2c、spi三种常用串行通信接口,从而便的与低端mpu进行通信交换。

      adi公司的sharc adsp2106x提供了共享总线所必要的控制握手信号线/br1-6、ack、/sw以及片内总线仲裁功能,功能使最多6片adsp2106x无需外部控制电路直接相连就可以组成一个存储空间统一、dsp相互之间既紧密耦合又相对独立、数据传送效率极高的共享总线式并行处理系统[6],此外还可以通过hpi以矢量中断驱动的方式建立主从多dsp并行处理系统,作为ats的“神经中枢”,pc104嵌入式系统主要包括cpu模块和系统扩展模块,cpu模块提供标准键盘鼠标、crt、硬盘和10/100m以太网络接口等,借助网络接口对外可将机内数据快速传送给主计算机和接收远程控制指令,笔记本结构硬盘也可以对测试数据进行海量存储。操作平台为windows 98/2000,用visual c++6.0编程,主要功能是通信控制、建立监测数据库以及确保友好的人机界面等。这种零槽通信控制卡的实物图片如图3所示。

      在图3中,（1）为pc104嵌入式系统isa总线接口;（2）表示pc104系统;（3）为鼠标接口;（4）为键盘接口;（5）为crt接口;（6）为以太网络接口;（7）为rs485同步互联接口;（8）为仪器底板总线接口;（9）为仪器内部总线sport口缓冲驱动;（10）为sharc dsp;（11）为dsp引导flash;（12）为仪器总线接口驱动隔离及idx产生电路等;（13）为sdram同步缓存;（14）为pc104系统isa总线与dsp之间数据交换的读&写fifo;（15）为pc高速通信控制卡（isa插卡）;（16）为笔记本硬盘。

◇ 高速连续采集与实时处理卡研制

      图4所示是一种四通道高速连续采集与实时处理卡的实物图片,这种基于ad9260的四通道高速连续采集与实时处理卡主要包括信号程控选择（mux）、程控放大（pga）、程控衰减（dcp）、直流电平偏置、抗混迭滤波（lpf）和自校正参考源（dac）等具有自检和自标定功能的高精度大动态范围程控模拟前端（afe,analog front end）,在isp1的控制下,可对大动态范围（-10-+10v）带宽电压信号进行智能化精密调理,直流测量精度达到了0.05%fs。利用dsp及其他数字部件（mux）,通道输入信号可切换为内部的dac,用dac产生特定的直、交流标定信号,不仅可以标定通道的增益与零偏,而且还可自检模拟通道的功能正确与否,由高速adc、高性能dsp和高速缓存（fifo一级缓存和sdram二级缓存）三者构成一个灵活紧凑的实时信号处理结构,保证dsp充分发挥高密度、实时信号处理能力（数字滤波、特征提取和测试数据实时压缩等）,同时实现高速缓存、连续采样和同步数据传送[7],基于sport接口,本卡既可以接受pc的监控调试和通信控制,又可进行分布式同步互联,通过总线接口逻辑控制isp2和驱动隔离部分,可以sport、多sharc dsp共享总线或hpi等方式建立起与零槽通信控制卡的通信控制和数据交换。

      图4中（1）为四通道afe;（2）为mux;（3）为dcp;（4）为pga;（5）为四通道串行dac;（6）为四通道高速连续采集及一级缓存;（7）为fifo一级缓存;（8）为高速adc;（9）为adc输入直流电平偏置及抗混迭滤波电路;（10）afe及daq控制isp1;（11）为flash;（12）为sdram二级同步缓存;（13）为基于sport的pc监控调试接口;（14）为总线接口逻辑控制isp2;（15）为sharc dsp;（16）为总线驱动及隔离;（17）为仪器底板总线接口。

◇ 高精度连续采集与实时处理卡的研制

      基于cs5397的四通道高精度连续采集与实时处理卡主要包括高精度大动态范围程控afe,如3.2所述,为了实现理想的幅频特性,系统采用前端模拟抗混迭滤波和后端dsp数字滤波相结合的工作方式[8],直流测量精度可达到0.01%fs。高性能dsp和sdram构成一个灵活紧凑的实时信号处理结构,保证dsp充分发挥高精度、实时信号处理能力,同时实现高速缓存、连续采集和同步数据传送、rs485接口为高精度采集和处理模块提供了与pc机的命令和数据交互、与其他测控模块实现高速同步互联的通道,通过总线接口逻辑控制isp2和驱动隔离部分,可通过sport、多sharc dsp共享总线或hpi等方式建立与零槽通信控制卡的通信控制和数据交换,图5所示是高精度四通道连续采集与实时处理卡的实物图。

      图5中,（1）为四通道afe;（2）为状态指示led;（3）为afe及daq控制isp1;（4）为双通道高精度串行dac;（5）为dsp引导flash;（6）为sharc dsp;（7）为基于rs485的pc监控调试接口;（8）为sdram同步缓存;（9）为总线接口逻辑控制isp2;（10）为总线驱动及隔离电路;（11）为adc输入直流电平偏置及抗混迭滤波电路;（12）为仪器底板总线接口;（13）为四通道串行dac;（14）为pga;（15）为dcp;（16）为mux。

◇ 多功能时传感器调理采集与实时处理卡的研制

      基于ad7710的多功能传感器调理采集与实时处理卡可由13个部件组成,其中（1）为一级程控增益放大器（pga）;（2）为状态指示（lde）;（3）为可调精密桥源电路;（4）为sdram同步缓存;（5）为dsp引导flash;（6）为sharc dsp;（7）为基于sport口的pc监控调试接口;（8）为总线接口逻辑控制isp2;（9）为总线驱动及隔离电路;（10）为afe及daq控制isp1;（11）为双通道高精度串行adc（ad7710）;（12）为四通道串行dac（dac7614）;（13）为仪器底板总线接口。

      该卡的主要功能是对应变、压阻、热电阻传感器桥路或热点耦输出的微弱电压信号进行精密采集和实时处理,为实现1-10000倍的程控增益倍数,模块采用一级放大pga202（1,10,100,1000倍）和ad7710内嵌的二级pga（1-128倍）。四通道串行dac（dac7614）为各模拟通道提供调零信号;isp1实现pga/dac/adc的程控选择;sdram为系统提供大容量高速同步缓存,rs485接口为高精度采集和处理模块提供了与pc机进行命令和数据交互、与其他测控模块实现高速同步互联的通道,基于总线接口逻辑控制isp2和驱动隔离部分,可以sport、多sharc dsp共享总线或hpi等方式建立起与零槽通信控制卡的通信控制和数据交换。

◇ 大动态范围计数模拟前端程控调理与智能技术卡研制

      智能计数器包括大动态范围模拟前端程控调理卡和智能技术卡两部分,为实现对大幅值范围（±50v）和高带宽（1hz-10mhz）的正弦波、三角波或锯齿波三种周期性信号的程控调理[9]。系统采用继电器和电阻电容网络首先对输入信号进行隔直、程控衰减、经二极管限压保护电路后,进行25倍的精密放大;高性能单片机msp430f149对半波整流输出进行峰值检测,据此对程控衰减倍数（1,1/10,1/100）进行自适应调整,缓冲整形电路输出标准ttl电平送往计数器模块。

      计数器模块采用isp硬件加dsp软件相结合,可灵活实现超高范围的高性能智能计数：累加技术范围232-1,原则上计数器字宽不受限制,频率测量精度可达到1×10-6;既可统一选择外部闸门信号,又能通道1-8互为闸门信号。rs232接口为智能计数器卡的pc监控调试接口,智能计数器卡基于sport、模拟前端程控调理卡（mpu）基于spi通信接口通过仪器底板总线分别建立起来与零槽通信控制卡的通信控制和数据交换。

      这种大动态范围计数模拟前端程控调理与智能计数卡可由以下20个部件组成：其中（1）为隔直及输入阻抗匹配;（2）为程控r&c衰减网络;（3）为限压保护电路;（4）为基于三极管的阻抗隔离电路;（5）为带宽精密放大电路。（6）为带宽放大器调零电路;（7）为半波整流电路;（8）为施密特触发整形电路;（9）为峰值检测输出;（10）为缓冲驱动电路;（11）为单通道大动态范围及其程控模拟前端调理电路;（12）为八通道计数模拟前端调理底板;（13）为计数信号数据驱动隔离;（14）为基于isp的8通道智能计数模块;（15）为计数前端程控调理控制器板;（16）为基于rs232的pc监控调试接口;（17）为仪器底板总线接口;（18）为sport口缓冲驱动;（19）为sharc dsp小系统,包括dsp,fdash等;（20）为智能计数器卡。

结束语

      数字信号处理解决方案（dsp）是数字化时代解决电子仪器开放式体系结构（osa）设计的必要技术环节。应用高性能dsp作为系统控制和数据处理的主芯片,构成多dsp分布式、并行处理系统,充分发挥系统实时信号处理和海量数据的吞吐能力,仿vxi/pxi先进总线技术,设计专门的背板式仪器总线,用于内部控制和数据交换,实现了模块化、标准化、通用化的开放式结构,专门的仪器同步互联接口和100m以太网接口,用于与其他测试系统同步互联及pc机远程操作与调试,便于大型分布式测试系统的组建与同步互联、同步控制以及综合触发等。本系统得成功研制,对分布式同步互联型测控网体系结构和高端ats的国产化等进行了有意的探索,在x代步兵战车发动机综合阐述动态测试、装甲车载荷谱测试中取得了良好的应用效果,在大型旋转机械连续采集和实时压缩以及远程状态监测和故障诊断领域有着广泛的应用价值;可实时地全部测试振动（应力）测量中最主要的9项评估指标;频率精度、幅值精度、阻尼比、相位差、失真度、灵敏度、抗混迭滤波衰减陡度、模态参数和振型,各个高性价比功能模块卡都可自成系统,可对各种常用工业传感器信号进行高速高精度连续采集、实时处理和同步传送,在智能仪器、ats和军用ate中有可移植性。