滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)中連續(xù)數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)

陳新，胡棟，嚴(yán)立，鄭凱，陳玉華

(1.大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.瓦房店軸承集團(tuán)有限公司檢測(cè)試驗(yàn)中心，遼寧 大連 116300)

滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)是評(píng)價(jià)軸承疲勞壽命與可靠性的有效手段[1]。除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料加工外，試驗(yàn)中的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、軸承載荷及潤(rùn)滑質(zhì)量都會(huì)影響軸承疲勞失效的判斷。在高速、重載的運(yùn)行條件下，隨著失效面積的增大，點(diǎn)蝕、疲勞剝落和塑性變形等軸承常見(jiàn)失效形式會(huì)在短時(shí)間內(nèi)相互轉(zhuǎn)化[2]。為判斷軸承是否出現(xiàn)疲勞失效，試驗(yàn)中常對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行周期性采樣，獲得1組振動(dòng)數(shù)據(jù)后分析判斷時(shí)、頻域等特征指標(biāo)，若未出現(xiàn)疲勞失效，則進(jìn)行下一周期的振動(dòng)信號(hào)采集與分析。這種間斷的周期性采樣不利于發(fā)現(xiàn)壽命試驗(yàn)中早期疲勞失效。采用連續(xù)采樣獲取完整的軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)，可提高疲勞失效判斷的準(zhǔn)確性，同時(shí)也可增加采樣數(shù)據(jù)在壽命試驗(yàn)結(jié)束后的利用價(jià)值。

目前市場(chǎng)上的通用型數(shù)據(jù)采集卡種類繁多[3]，但并非針對(duì)軸承疲勞壽命試驗(yàn)而設(shè)計(jì)，故用其實(shí)現(xiàn)軸承振動(dòng)信號(hào)的連續(xù)采樣有一定難度。下文介紹的連續(xù)數(shù)據(jù)采集卡可完成試驗(yàn)中的大部分工作，使主機(jī)有相對(duì)充裕的時(shí)間用于疲勞失效診斷。

1 硬件設(shè)計(jì)

采集卡硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。信號(hào)輸入/輸出單元以C8051F020單片機(jī)為核心，主要實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的連續(xù)采集和試驗(yàn)要求的轉(zhuǎn)速、載荷等控制信號(hào)的輸出；2片雙口RAM用來(lái)緩存數(shù)據(jù)；最后一部分由TMS320系列數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成，主要完成振動(dòng)信號(hào)的時(shí)、頻域數(shù)據(jù)處理和采集卡與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。這種結(jié)構(gòu)安排便于將軟件任務(wù)中的信號(hào)采集、控制輸出以及時(shí)、頻域處理等部分適當(dāng)分解細(xì)化后直接由采集卡執(zhí)行完成，以節(jié)省主機(jī)的處理時(shí)間，使其在獲取完整數(shù)據(jù)的同時(shí)有足夠時(shí)間診斷軸承疲勞壽命。下面分別說(shuō)明組成單元的硬件工作原理。

圖1 采集卡硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 信號(hào)輸入/輸出

信號(hào)輸入/輸出單元主要由C8051F020單片機(jī)構(gòu)成，這款單片機(jī)與MCS-51指令集完全兼容。C8051F020采用流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，峰值性能可達(dá)25 MIPS。內(nèi)部資源包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、電壓比較器、DAC、電壓基準(zhǔn)、電源監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器、UART等部件，4K的片內(nèi)擴(kuò)展RAM和64K Flash程序存儲(chǔ)區(qū)，22個(gè)中斷源，64個(gè)外部I/O端口。這些特性使這款單片機(jī)尤其適合如軸承疲勞壽命試驗(yàn)的多任務(wù)且實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合。

C8051F020自帶12位、8位ADC通道各8條。輸入/輸出信號(hào)連線圖如圖2所示，振動(dòng)(加速度)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和載荷信號(hào)與單片機(jī)的12位ADC通道AIN0相連；溫度信號(hào)由于變化范圍不大，可用8位ADC通道AIN1輸入；軸承徑向、軸向載荷控制信號(hào)由DAC通道送出；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)連在電動(dòng)機(jī)控制變頻器的串口輸入端；其余的開(kāi)關(guān)量如設(shè)備的啟停信號(hào)連接到I/O口上。由于C8051F020資源多，試驗(yàn)中所有信號(hào)的采集和輸出可由單片機(jī)完成。

圖2 輸入/輸出信號(hào)連線圖

軸承在特定的疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)上以設(shè)定的轉(zhuǎn)速和載荷運(yùn)轉(zhuǎn)，直至出現(xiàn)疲勞剝落。試驗(yàn)過(guò)程中通常用振動(dòng)方法判斷軸承失效剝落[4]。單片機(jī)提供的12位ADC通道的最高采樣頻率為100 kHz，可滿足大多數(shù)工業(yè)軸承疲勞壽命試驗(yàn)要求。C8051F020最快可在8 μs內(nèi)按順序分別對(duì)4路振動(dòng)信號(hào)采樣1次。振動(dòng)信號(hào)采集后，單片機(jī)將其放入外部緩存區(qū)，不作進(jìn)一步處理。試驗(yàn)中振動(dòng)信號(hào)的采樣頻率最高、數(shù)據(jù)量最大，在保證采樣頻率不變的前提下，單片機(jī)要控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和軸承徑向、軸向載荷在規(guī)定范圍內(nèi)變化，還要上傳溫度、載荷、轉(zhuǎn)速和開(kāi)關(guān)量等主機(jī)所需參數(shù)。在連續(xù)采集卡硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)需分別考慮以上任務(wù)的劃分和數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題。

1.2 數(shù)據(jù)緩存

與周期性采樣不同，連續(xù)采樣中間不會(huì)停下來(lái)。試驗(yàn)?zāi)康暮托盘?hào)性質(zhì)不同，則采樣頻率也不一樣。需要密集采集的是振動(dòng)數(shù)據(jù)，為避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)瓶頸，連續(xù)采集卡需要1個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)。通過(guò)估算每次傳輸?shù)恼駝?dòng)數(shù)據(jù)量，即可確定緩存容量。若以16K為1組振動(dòng)數(shù)據(jù)的計(jì)算長(zhǎng)度，4路振動(dòng)信號(hào)共需64K空間，而這期間的溫度、轉(zhuǎn)速和載荷等需上傳的參數(shù)數(shù)量遠(yuǎn)低于振動(dòng)信號(hào)，因此128K空間足以滿足全部數(shù)據(jù)的緩存需求。

數(shù)據(jù)緩存單元由2片64K×16bit的IDT70V28L高速雙口RAM構(gòu)成，IDT70V28L最大訪問(wèn)速度可達(dá)20 ns，支持片內(nèi)存儲(chǔ)單元的獨(dú)立訪問(wèn)和分塊訪問(wèn)。數(shù)據(jù)緩存單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，緩存單元左側(cè)連接C8051F020單片機(jī)，右側(cè)為數(shù)字信號(hào)處理器。單片機(jī)控制片選R/WL和讀寫CE1L信號(hào)，通過(guò)總線將每次采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)放入緩存區(qū)。當(dāng)64K的最后2個(gè)字節(jié)放入緩存區(qū)后，單片機(jī)利用連接在I/O上的數(shù)字信號(hào)處理器的中斷信號(hào)發(fā)出讀取通知，隨后將振動(dòng)數(shù)據(jù)保存的目的地址指向另一片IDT70V28L。單片機(jī)高速采樣時(shí)完成4路共64K的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集不超過(guò)170 ms，這一時(shí)間內(nèi)需要上傳的溫度、載荷、速度和開(kāi)關(guān)量等其他參數(shù)的總量并不大，單片機(jī)可將其放入內(nèi)部擴(kuò)展內(nèi)存中暫存。同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器利用塊操作方式迅速將振動(dòng)數(shù)據(jù)取出，在收到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束的中斷信號(hào)后，單片機(jī)利用速度優(yōu)勢(shì)把內(nèi)部擴(kuò)展內(nèi)存中的其他上傳數(shù)據(jù)放入這片暫時(shí)空出的IDT70V28L內(nèi)，在單片機(jī)將下一個(gè)64K數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之前，數(shù)字信號(hào)處理器也會(huì)將這些數(shù)據(jù)取出上傳。2個(gè)處理器重復(fù)前面的操作處理過(guò)程，緩存單元即可保證連續(xù)采樣數(shù)據(jù)順利傳輸。另外，試驗(yàn)開(kāi)始前，主機(jī)發(fā)給單片機(jī)的試驗(yàn)參數(shù)也要通過(guò)緩存單元傳遞。由于緩存單元左右兩側(cè)的單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器利用握手信號(hào)線事先聯(lián)絡(luò)，雙口RAM不會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，連線也較簡(jiǎn)單。

圖3 數(shù)據(jù)緩存單元結(jié)構(gòu)

1.3 數(shù)字信號(hào)處理

信號(hào)輸入/輸出已由單片機(jī)完成，在數(shù)據(jù)上傳給主機(jī)之前，若時(shí)域振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域的計(jì)算過(guò)程可在連續(xù)數(shù)據(jù)采集卡上完成，則主機(jī)有更多時(shí)間用于疲勞剝落的在線識(shí)別。為滿足連續(xù)采樣和實(shí)時(shí)計(jì)算要求，選擇TMS320DM642(DM642)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來(lái)進(jìn)行此部分運(yùn)算。DM642是TI公司C6000系列中的定點(diǎn)DSP，具有處理速度快和編程靈活等特點(diǎn)。

數(shù)字信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。DM642通過(guò)可配置的主機(jī)接口(HPI)與緩存單元的雙口RAM相連，通用輸入/輸出端口(GPIO)的外部中斷引腳與單片機(jī)的I/O口相連，另一條連至單片機(jī)的外部中斷，這2條線是DSP與單片機(jī)之間通過(guò)雙口RAM傳遞數(shù)據(jù)的握手信號(hào)線；DM642外接擴(kuò)展SRAM和Flash程序存儲(chǔ)器，DM642的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)能與多數(shù)同步、異步存儲(chǔ)器無(wú)縫連接；連續(xù)采集卡與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)DM642內(nèi)嵌的PCI接口實(shí)現(xiàn)，DM642使用DMA方式向主機(jī)傳遞數(shù)據(jù)。主機(jī)在試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)也通過(guò)PCI總線接口下發(fā)試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)束指令。

圖4 數(shù)字信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)

在壽命試驗(yàn)中通常需對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)-頻轉(zhuǎn)換。當(dāng)緩存區(qū)的振動(dòng)數(shù)據(jù)達(dá)到一定量(如64K)時(shí)，DM642使用塊傳輸指令將數(shù)據(jù)導(dǎo)入內(nèi)存，在較短時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算。DM642采用增強(qiáng)的并行機(jī)制，工作在720 MHz的時(shí)鐘頻率下，處理速度最高可達(dá)5 760 MIPS。信號(hào)處理器的結(jié)構(gòu)特性和計(jì)算速度可保證振動(dòng)數(shù)據(jù)的變換處理、所有數(shù)據(jù)的上傳和試驗(yàn)參數(shù)下發(fā)都在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

采集卡上有2個(gè)微處理器芯片同時(shí)工作，單片機(jī)負(fù)責(zé)采樣和控制，數(shù)字信號(hào)處理器主要實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)-頻轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。

單片機(jī)主程序框圖如圖5所示。試驗(yàn)開(kāi)始前，主機(jī)通過(guò)PCI接口下發(fā)采樣頻率、轉(zhuǎn)速譜、載荷譜和控制精度等相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，DM642將其傳輸?shù)诫p口RAM，隨即觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷。單片機(jī)根據(jù)接收的參數(shù)配置好自身資源后，發(fā)信號(hào)經(jīng)DM642通知主機(jī)試驗(yàn)開(kāi)始，隨后單片機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)階段完成后，進(jìn)入試驗(yàn)主程序的循環(huán)執(zhí)行階段。單片機(jī)先按順序分別采集多路振動(dòng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入雙口RAM，然后將本次循環(huán)內(nèi)滿足執(zhí)行條件的任務(wù)插入任務(wù)隊(duì)列并依次執(zhí)行。主程序的循環(huán)周期由內(nèi)部定時(shí)器按照振動(dòng)信號(hào)的采樣頻率事先計(jì)算出的時(shí)間參數(shù)來(lái)控制，而溫度采集、開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出及轉(zhuǎn)速、載荷的調(diào)整等任務(wù)沒(méi)有耦合性，無(wú)需每個(gè)周期都執(zhí)行1次，排序過(guò)程就是在這些任務(wù)中挑選需要執(zhí)行的任務(wù)，合理安排1個(gè)主循環(huán)內(nèi)需要執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量，確保振動(dòng)信號(hào)高速采集后仍有足夠時(shí)間完成需要處理的任務(wù)。任務(wù)完成后主循環(huán)的空閑時(shí)間必須調(diào)用休眠指令，以保證循環(huán)內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)按設(shè)定頻率連續(xù)采樣。程序開(kāi)始處的休眠由試驗(yàn)參數(shù)下傳時(shí)DM642觸發(fā)的外部中斷喚醒，這里的休眠由定時(shí)器喚醒后進(jìn)入下一次循環(huán)，重復(fù)前面的操作過(guò)程。另外，振動(dòng)采樣的循環(huán)過(guò)程只能被主機(jī)發(fā)出的試驗(yàn)結(jié)束指令中斷，接收確認(rèn)后，單片機(jī)發(fā)出指令停止設(shè)備運(yùn)行，返回開(kāi)始的休眠狀態(tài)，等待主機(jī)喚醒后，進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

圖5 單片機(jī)主程序框圖

如上所述，另一個(gè)處理器DM642在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)將PCI總線接收到的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，試驗(yàn)開(kāi)始后DM642也執(zhí)行自身的循環(huán)主程序，DM642主程序框圖如圖6所示。當(dāng)滿足數(shù)據(jù)傳輸條件后，DM642使用塊傳輸指令先將振動(dòng)數(shù)據(jù)放入自身內(nèi)存，然后進(jìn)行時(shí)-頻轉(zhuǎn)換計(jì)算，若數(shù)據(jù)塊含有4路振動(dòng)數(shù)據(jù)，則這樣的轉(zhuǎn)換計(jì)算要重復(fù)4次。DM642通過(guò)PCI接口以DMA方式將轉(zhuǎn)換后的振動(dòng)信號(hào)的頻域數(shù)據(jù)和原始的時(shí)域數(shù)據(jù)上傳主機(jī)，然后DMA再自動(dòng)上傳這段時(shí)間內(nèi)的溫度、轉(zhuǎn)速和載荷等其他參數(shù)。當(dāng)主機(jī)識(shí)別出疲勞剝落時(shí)，會(huì)通過(guò)PCI總線下發(fā)試驗(yàn)結(jié)束指令，終止這一循環(huán)過(guò)程。由于DM642運(yùn)行速度比單片機(jī)快很多，也可以在時(shí)-頻轉(zhuǎn)換計(jì)算前再適當(dāng)完成一些濾波算法的計(jì)算。

圖6 DM642主程序框圖

試驗(yàn)開(kāi)始后主機(jī)根據(jù)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行在線識(shí)別運(yùn)算，只有發(fā)現(xiàn)疲勞剝落現(xiàn)象才主動(dòng)要求試驗(yàn)設(shè)備停止運(yùn)行。DM642利用內(nèi)部中斷捕獲到試驗(yàn)結(jié)束指令后，立即通知單片機(jī)停止試驗(yàn)，單片機(jī)確認(rèn)后停止設(shè)備運(yùn)行，試驗(yàn)結(jié)束。

3 結(jié)束語(yǔ)

從任務(wù)劃分和安排的角度介紹了軸承疲勞壽命試驗(yàn)中連續(xù)數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)情況，對(duì)振動(dòng)信號(hào)采樣數(shù)據(jù)精度要求高于12位的試驗(yàn)場(chǎng)合可使用高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)結(jié)合的方式降低設(shè)計(jì)成本。實(shí)際應(yīng)用中，連續(xù)數(shù)據(jù)采集卡性能明顯優(yōu)于通用型數(shù)據(jù)采集卡，試驗(yàn)中疲勞剝落點(diǎn)尺寸低于國(guó)標(biāo)要求。