基于TMS320F28335的通用故障診斷平臺

朱兵，潘宏俠

（中北大學 機械工程與自動化學院，太原 030051）

0 引言

目前，用于機械與電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障分析的系統(tǒng)大致可分為2類：在線式分析系統(tǒng)和以便攜式數(shù)據(jù)采集器為前端的計算機輔助系統(tǒng)。傳統(tǒng)的在線式系統(tǒng)因為嵌入式芯片的限制，前端只能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)回傳功能，狀態(tài)監(jiān)測和診斷靠后臺的PC 實現(xiàn)，系統(tǒng)成本較高。而便攜式系統(tǒng)一般采用人工對前端進行巡檢，故障發(fā)現(xiàn)率不高，對突發(fā)性故障更是無法處理[1]。隨著嵌入式芯片處理能力的快速發(fā)展，可以將檢測和分析功能移至前端，本文設(shè)計了通用故障檢測平臺，實現(xiàn)故障診斷的實時化，減少故障診斷儀器重復(fù)開發(fā)的浪費，降低成本。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

通用故障診斷平臺是一個能脫離PC 獨立穩(wěn)定運行的數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、故障診斷系統(tǒng)。考慮到系統(tǒng)的通用性，須為算法提供較寬的采樣頻率以適用于各種不同的前端傳感器信號輸入；考慮系統(tǒng)實時性，須為算法提供較快的浮點數(shù)據(jù)處理能力，特別是密集型數(shù)據(jù)處理能力，比如FFT變換；考慮到故障診斷一次處理的數(shù)據(jù)量比較大，必須提供較大的數(shù)據(jù)存儲能力；同時，為便于與其他儀器的數(shù)據(jù)交換，還要提供串行接口和CAN工業(yè)總線接口。綜合上述要求，設(shè)計了如圖1所示的通用故障診斷平臺。

整個系統(tǒng)由信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理部分、通訊接口電路和電源模塊組成。

信號調(diào)理電路將多路傳感器輸入的0～5V電氣信號調(diào)理成適合后續(xù)電路處理的信號。通過模擬開關(guān)對多路信號進行切換，程控放大器和低通濾波器可以對各個通道設(shè)置不同的放大倍數(shù)和通帶頻率。A/D轉(zhuǎn)換電路將信號調(diào)理電路送過來的模擬信號轉(zhuǎn)換成適合DSP處理的數(shù)字信號；然后由DSP進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、FFT變換、提取特征值，診斷故障。當有異常情況出現(xiàn)時，儀器將異常數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果通過串行接口傳送到PC上位機，從而減少不必要的數(shù)據(jù)存儲和傳輸。為了減少DSP 作軟件濾波帶來的系統(tǒng)開銷，模數(shù)轉(zhuǎn)換器宜選取內(nèi)置硬件濾波器的ADC芯片。當儀器確定上位機接收到故障數(shù)據(jù)時，儀器內(nèi)部存儲的故障數(shù)據(jù)就可以被覆蓋了。同時對于變化緩慢的信號，如溫度、低頻振動可以通過CAN 總線實時傳到狀態(tài)監(jiān)控與診斷終端進行在線監(jiān)測、智能化故障診斷，同時還可以打印有關(guān)數(shù)據(jù)、分析圖形,使用數(shù)據(jù)庫對測點信息及數(shù)據(jù)進行有效地管理。

2 系統(tǒng)硬件組成

圖1 系統(tǒng)框圖

數(shù)字信號處理器的選取是本設(shè)計的關(guān)鍵，它的運算速度直接影響系統(tǒng)的實時性的實現(xiàn)[8]。本系統(tǒng)中包括的故障診斷算法部分包括大量的密集型數(shù)據(jù)處理要求，考慮DSP芯片作為本系統(tǒng)的處理器。選用TI公司的TMS 320F28335[2]。

隨著半導(dǎo)體的集成度越來越高，以往需要很多電路才能實現(xiàn)的功能現(xiàn)在可由單芯片來實現(xiàn)。系統(tǒng)的信號調(diào)理和A/D采樣部分，考慮采用單芯片的解決方案，將信號調(diào)理和A/D采樣用單個芯片實現(xiàn)，這樣可以降低電路的復(fù)雜性、提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)選擇美國TI公司的內(nèi)置模擬開關(guān)、增益放大、A/D采樣和低通濾波功能的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS 1256來實現(xiàn)這一部分功能。

根據(jù)選取的TMS320F28335和ADS125 6，并配置必要的外圍電路，設(shè)計出本系統(tǒng)的硬件框圖，如圖2所示。

2.1 信號調(diào)理與A/D采樣

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

ADS1256是美國TI公司推出的一種多路輸入、低噪聲、24位△Σ型的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)如圖3所示[3]。

圖3 ADS1256內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)設(shè)計中ADS1256通過SPI接口與DSP相連，此部分的連線圖如圖4所示。其中，參考電壓+2．5V，8路模擬信號輸入電壓0～5V，軟件配置Buffer緩沖、PAG增益倍數(shù)和低通濾波器濾波系數(shù)控制數(shù)據(jù)采樣率和采樣精度。需要特別注意的是，硬件上應(yīng)將ADS1256模擬地和數(shù)字地在芯片附近連在一起，以免ADS1256采樣精度過低甚至工作不正常。軟件方面配合ADS1256時序，初始化好DSP的SPI接口，注意控制指令到數(shù)據(jù)指令之間有一定的延時時間。

2.2 大容量存儲器擴展

TMS320F28335芯片只集成了256k FLA SH，38K的SRAM，不能滿足系統(tǒng)實時性和大容量數(shù)據(jù)存儲的需要，需要在外部存儲器接口XINTF上擴展存儲器空間。系統(tǒng)采用IS SI公司的256k×16bit SARAM芯片IS61LV6 416，映射到地址空間0x100000-0x140 000；本系統(tǒng)還擴展1M×16bit FLASH (SST39VF 1601F)，地址空間0x200000-0x300000。

圖4 ADS1256接線圖

2.3 CAN總線、RS232通訊和基于I2C總線的時鐘芯片

TMS320F28335集成了增強型CAN總線控制器， 稱 為 eCAN[2]， 支 持 CAN2．0A 和 CAN2．0B協(xié)議, 配合總線收發(fā)器SN65HVD 30可提供高達1MB/s數(shù)據(jù)傳輸率。eCAN模塊主要由CAN協(xié)議內(nèi)核和消息控制器構(gòu)成。CAN協(xié)議內(nèi)核主要完成消息解碼向接收緩沖發(fā)送解碼后的消息，同時根據(jù)CAN協(xié)議向總線上發(fā)送消息，消息控制器決定接收到消息的取舍。注意對CANMC、CANBTC、CANGIM、MIM、TSC、IOCONT1[3]、IOCONT2[3]這些位采用EALLOW保護，對這些位設(shè)置時要特別注意[4]。

TMS320F28335內(nèi)部集成有3個串行通訊口(SCI)，支持16 級接收、發(fā)送FIFO，支持自動通訊速率檢測。如果只使用串口的基本功能,設(shè)置1個啟動位、8 個數(shù)據(jù)位、1個停止位，不使用FIFO，則它的操作同51系列芯片相同。通過該串口對采集通道、采集頻率、放大倍數(shù)等參數(shù)進行設(shè)置。

時鐘芯片選擇DS1302。DS1302是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片。它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能[5]。DS1302與CPU 的連接僅需要3條線[3]，即 SCLK(7)、I/ O(6)、RST(5)，RST 高電平時，SCLK位于上升沿處，I/ O 數(shù)據(jù)寫入或讀出。TMS320F28335內(nèi)部集成I2C總線接口，使用時注意I2C 總線接口為開漏級輸出，必須連接10kΩ上拉電阻到3．3V電平上。

2.4 電源部分

系統(tǒng)的主輸入電源為+6V。但TMS320 F28335內(nèi)核需要+1．9V，大于200mA的電源供應(yīng)；I/O外設(shè)及其外圍電路需要+3．3V，大于300mA的電源供應(yīng)；而且+1．9V核電源要求先于+3．3V I/O電源上電。本系統(tǒng)選取TI公司TPS62400提供+1．9V和+3．3V電壓。ADS1258及其外圍電路供電分為+5V數(shù)字電壓，+5V模擬電壓和+2．5V基準電壓。其中,+5V數(shù)字電壓要求瞬間輸入電流大于100mA，噪聲不敏感但對其它部分的干擾較大；+5V模擬電壓要求輸入電流大于10mA，對噪聲比較敏感；+2．5V基準電壓要求輸出電流大于1mA，對噪聲及其敏感。電源部分選取TI公司的低靜態(tài)電流LDO芯片REG104EA-5為提供+5V數(shù)字電壓，REG104EA-5輸出電流最大可達1A，可以滿足要求；選取ADI公司的低噪聲、大電流串行參考芯片REF195EA提供+5V模擬電壓，REF195EA初始精度±2mV，輸出電流最大30mA，噪聲密度3uVpp，可以滿足系統(tǒng)要求；選取TI公司的低噪聲、高精度串行參考芯片REF5025提供+2．5V參考電壓。系統(tǒng)擴展的存儲器、通訊電路及其外圍電路供電為+3．3V，無特殊要求。電源部分通過TPS62400產(chǎn)生的+3．3V為存儲器擴展部分提供電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

考慮到診斷平臺的通用性和用戶故障診斷算法的多樣性，系統(tǒng)軟件設(shè)計給出架構(gòu)流程。在此框架下，用戶可配置自己的故障診斷算法，實現(xiàn)不同領(lǐng)域多通道數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、監(jiān)控、故障診斷和通訊。軟件架構(gòu)如圖5所示。

系統(tǒng)上電執(zhí)行初始化程序，將DSP系統(tǒng)由匯編編譯環(huán)境帶到C語言運行環(huán)境下，并對DSP的中斷系統(tǒng)進行設(shè)置；然后對定時器、串口和CAN總線進行初始化；初始化完成后通過串口向上位機發(fā)送“參數(shù)設(shè)置”提示信息，等待上位機設(shè)置參數(shù)；如果超過10s上位機無動作或者上位機不設(shè)置參數(shù)，設(shè)置參數(shù)為默認參數(shù)；然后設(shè)置ADS1256參數(shù)；完成參數(shù)設(shè)置后，進入到系統(tǒng)的10s循環(huán)中；在此循環(huán)中，完成ADS1256數(shù)據(jù)采集；然后插入用戶的故障診斷算法；根據(jù)故障診斷結(jié)果向上位機發(fā)送診斷結(jié)果和故障數(shù)據(jù)。軟件框架下默認情況為執(zhí)行用戶故障診斷算法并通過CAN工業(yè)總線發(fā)送診斷結(jié)果，用戶也可編寫不同的控制程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、監(jiān)控等功能。

圖5 軟件架構(gòu)流程圖

4 故障診斷實例

本文設(shè)計的通用故障診斷平臺對該電機軸承運行情況進行監(jiān)控，采用壓電式加速度傳感器測量振動加速度，主要監(jiān)測軸承的振動加速度有效值和最大值。在圖6為軸承故障信號X軸向加速度時域圖像。編寫程序在通用故障診斷平臺內(nèi)進行頻譜分析，可以得到故障信號的頻譜圖像如圖7所示，其中包含故障特征頻率251．7Hz,與滾動體故障特征頻率253．8Hz非常接近，可以判斷此次故障為滾動體故障。這個診斷實例證明了本文設(shè)計的通用故障診斷平臺的實用性。

表1 電機滾動軸承參數(shù)

圖6 某電機軸承x向時域曲線

圖7 某電機軸承x向功率譜曲線

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)以減少故障診斷儀器的重復(fù)開發(fā)為目標，充分考慮故障診斷儀器的通用性和用戶算法的多樣性，設(shè)計了基于TMS320F28335的通用故障診斷平臺，并給出了系統(tǒng)軟件架構(gòu)。在此框架下，用戶配置自己的故障診斷算法，可實現(xiàn)不同領(lǐng)域多通道數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、監(jiān)控、故障診斷和通訊。診斷實例證明該系統(tǒng)切實可行，可以滿足故障診斷的要求。

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