基于DSP的嵌入式在線振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)

宋宇晨，潘大為，黃　濤，馮　燦，雷愛強(qiáng)

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化測試與控制系，哈爾濱　150080；2.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱　150001；3.中國商飛民用飛機(jī)試飛中心，上?！?00232）

基于DSP的嵌入式在線振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)

宋宇晨1，潘大為2，黃濤3，馮燦3，雷愛強(qiáng)3

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化測試與控制系，哈爾濱150080；2.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱150001；3.中國商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海200232）

為監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)，對(duì)機(jī)械設(shè)備工作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷以及壽命預(yù)測等；但目前振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)體積較大、不方便攜帶，多用于離線的振動(dòng)信號(hào)處理，難以完成機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的在線實(shí)時(shí)分析；針對(duì)振動(dòng)信號(hào)離線分析系統(tǒng)存在實(shí)時(shí)性低、體積大等不足，設(shè)計(jì)了基于TMS320C6713 DSP的嵌入式振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)，以滿足機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)采集、處理和分析過程中對(duì)采集、處理實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)便攜性等需求；詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)原理和方法，利用美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的公開軸承測量數(shù)據(jù)集對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠正常工作且可應(yīng)用于實(shí)際工程中；另外，系統(tǒng)支持功能和算法擴(kuò)展，以滿足不同機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)采集、處理和分析需求。

嵌入式系統(tǒng)；在線振動(dòng)信號(hào)分析；DSP

0　引言

隨著科技的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備在社會(huì)生產(chǎn)和生活中發(fā)揮的作用也越來越重要。能否保證一些關(guān)鍵設(shè)備的正常運(yùn)行，直接關(guān)系到一個(gè)行業(yè)發(fā)展的各個(gè)層面?，F(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)一旦因故障停機(jī)，損失將十分巨大。因此，防止故障發(fā)生，少維修支出就顯得尤為重要和迫切［1］。旋轉(zhuǎn)類機(jī)械是機(jī)械設(shè)備中的重要組成部分，也是過敏經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中應(yīng)用最普遍、最廣泛的機(jī)械設(shè)備［2］。旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的故障通常易造成重大經(jīng)濟(jì)損失甚至災(zāi)難性后果因此采用振動(dòng)信號(hào)分析儀對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行狀態(tài)檢測與故障診斷是十分重要的［3］。

機(jī)械在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負(fù)載的不均勻、結(jié)構(gòu)剛度的各向異性、間隙、潤滑不良、支撐松動(dòng)等因素，總是伴隨著各種振動(dòng)［4］。齒輪、軸和軸承是構(gòu)成機(jī)器傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，機(jī)器工作時(shí)這些零件會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，若發(fā)生故障，其振動(dòng)信號(hào)的能量分布就會(huì)發(fā)生變化，因此振動(dòng)信號(hào)可以作為機(jī)器傳動(dòng)系統(tǒng)故障特征的載體。基于振動(dòng)信號(hào)分析的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)分析系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中不斷得到推廣和應(yīng)用［5］。通常狀態(tài)下，機(jī)械設(shè)備的損壞是一個(gè)漸進(jìn)的過程，其振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)逐漸上升［6］。對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測。

時(shí)域和頻域方法都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析。但針對(duì)多頻振動(dòng)信號(hào)，即使提供信號(hào)的明確物理性質(zhì)，都很難實(shí)現(xiàn)在時(shí)域上的分析［7］，而使用頻域方法，可以更加方便的得到信號(hào)的幅值和相位的信息，這些信息可以更加有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析。

數(shù)字信號(hào)處理（DSP）應(yīng)用技術(shù)是基于可編程超大規(guī)模集成電路技術(shù)（VLSI）和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的一門重要技術(shù)［8］，以DSP器件為核心的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，利于并行處理等優(yōu)點(diǎn)。DSP因其獨(dú)特的硬件結(jié)構(gòu)，具有非常強(qiáng)的運(yùn)算能力，非常適合于需要大量數(shù)字信號(hào)處理的場合。本文使用TI公司的高性能DSP芯片TMS320C6713，設(shè)計(jì)了能夠快速完成數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)恼駝?dòng)信號(hào)分析處理的平臺(tái)，完成對(duì)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

1　需求分析

振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)主要應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的工作現(xiàn)場測量，環(huán)境惡劣。因此要求振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)要便于攜帶。為實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，還需要系統(tǒng)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算。系統(tǒng)還應(yīng)具備自啟動(dòng)的功能，在測試現(xiàn)場能夠自主啟動(dòng)并工作，無須下載程序?？紤]到運(yùn)算過程中需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)，系統(tǒng)還應(yīng)具備外擴(kuò)存儲(chǔ)器的能力。為實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)還應(yīng)具備串口通信的能力。綜上，對(duì)該振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)提出了如下的功能要求和技術(shù)指標(biāo)。

功能要求：

1）TMS320C6713能夠正常工作在較高時(shí)鐘頻率以滿足系統(tǒng)的運(yùn)算實(shí)時(shí)性要求；

2）具備信息傳輸?shù)哪芰?，?shí)現(xiàn)基于UART接口的數(shù)據(jù)傳輸；

3）具備信息采集的能力，利用AD轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)外部傳感器模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換；

3）具備信息快速處理能力，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)字信號(hào)處理算法。本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的快速傅里葉變換，通過判斷信號(hào)的頻譜特征監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，得到系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：

1）支持運(yùn)算速率不低于200 M Hz；

2）支持外擴(kuò)存儲(chǔ)空間不低于64 Mb；

3）支持串行UART接口；

4）支持AD轉(zhuǎn)換速率不低于10 k Hz，轉(zhuǎn)換精度不低于10 bit；

5）具備系統(tǒng)啟動(dòng)、程序存儲(chǔ)的能力；

2　系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的系統(tǒng)功能要求和技術(shù)指標(biāo)，從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行說明。

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理器芯片是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，其運(yùn)算速度直接影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中的數(shù)字信號(hào)處理器芯片采用TI公司的TMS320C6713芯片。這是一款用于高精度高性能應(yīng)用的浮點(diǎn)型DSP芯片。芯片的內(nèi)核主頻最高可達(dá)300MHz，處理能力可達(dá)2 400 MIPS。多通道緩沖串口（McBSP）可配置為UART、SPI等多種不同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。32 bits的外部存儲(chǔ)器接口 （EMIF）可以與SDRAM、FLASH等存儲(chǔ)器無縫連接。TMS320C6713還支持HPI、I2C等數(shù)據(jù)總線，可以方便的實(shí)現(xiàn)板卡與總線之間的互連。

1）TMS320C6713電源電路設(shè)計(jì)：

TMS320C6713需采用高精度、穩(wěn)定的雙電源供電，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。C6713工作在雙電源電壓下，其核心電壓為1.26 V，I/O模塊電壓為3.3 V。本平臺(tái)選用TI公司的開關(guān)電源芯片TPS54310構(gòu)成1.26 V穩(wěn)壓電路為內(nèi)核供電［9］。選用TI公司的線性穩(wěn)壓電源芯片TPS75733構(gòu)成3.3 V穩(wěn)壓電路為I/O供電。利用TPS54310芯片的上電完成引腳（PWRGD）和TPS75733的使能引腳（EN）以及一個(gè)NPN三極管構(gòu)成反向電路實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種電源的電源管理。順序上電控制原理示意圖如圖2所示。

2）TMS320C6713復(fù)位電路：

圖1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

圖2　順序上電原理示意圖

由于TMS320C6713的工作頻率達(dá)到200 M Hz以上，運(yùn)行時(shí)很可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以需要復(fù)位電路具有監(jiān)視功能。同時(shí)TMS320C6713需要系統(tǒng)在上電時(shí)為其提供一個(gè)100 ms至200 ms的低電平復(fù)位脈沖。設(shè)計(jì)中采用TI公司的TPS3823微處理器監(jiān)控芯片，該芯片在系統(tǒng)上電時(shí)能夠?qū)ι想姞顟B(tài)進(jìn)行監(jiān)控，上電未完成時(shí)，輸出復(fù)位信號(hào)。芯片具有看門狗功能，能夠?qū)Τ绦蜻\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。同時(shí)芯片還支持外部復(fù)位信號(hào)輸入，便于調(diào)試。

3）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供后端DSP芯片進(jìn)行處理。本系統(tǒng)中使用的模數(shù)芯片是Analog Devices公司的AD9221芯片。該芯片是一款12 bits，多采樣頻率、低功耗單電源供電的A/D轉(zhuǎn)換芯片。芯片的最大轉(zhuǎn)換速率為1.5 M Hz。同時(shí)芯片模擬量的輸入范圍高度靈活，既可單端輸入也可差分輸入，模擬輸入可以在較大范圍內(nèi)根據(jù)不同的外接電路進(jìn)行配置。該芯片能夠完全滿足系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求［10］。

信號(hào)采集模塊的工作電壓為5 V，而TMS320C6713的I/ O電壓為3.3 V，因此需要在信號(hào)采集模塊和DSP芯片之間設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)中使用的是TI公司的電源轉(zhuǎn)換芯片SN74ALVC54245 16 bits雙向收發(fā)器芯片實(shí)現(xiàn)TTL與LVTTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換。

4）外部存儲(chǔ)器：

本系統(tǒng)中的外部存儲(chǔ)器包括一片SDRAM芯片和一片F(xiàn)LASH芯片。兩種存儲(chǔ)器共用TMS320C6713芯片的EMIF接口，實(shí)現(xiàn)DSP芯片對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問。TMS320C6000器件的外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）支持各種外部器件的無縫接口，包括同步器件SBSRAM、SDRAM，異步器件SRAM、ROM和FIFO等以及外部共享存儲(chǔ)器。EMIF接口將各類存儲(chǔ)器的控制信號(hào)合并復(fù)用［11］。

SDRAM芯片用于存儲(chǔ)運(yùn)算過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)的性能和速度。本系統(tǒng)中使用的SDRAM芯片是MICRO公司的MT48LC4 M32A2TG SDRAM芯片，其容量為64 Mb。

FLASH芯片用于儲(chǔ)存DSP芯片的用來裝載引導(dǎo)程序和主程序。DSP在上電時(shí)通過引導(dǎo)程序?qū)⒅鞒绦蜓b載到DSP內(nèi)部運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)。本系統(tǒng)中使用的FLASH芯片是AMD公司的AM29LV800B FLASH芯片，其容量為8 Mb。

5）異步串行通信接口：

異步串行通信接口用于芯片與外部器件間以及上位機(jī)之間的異步串行通信。本設(shè)計(jì)中將McBSP1模塊配置為串行數(shù)據(jù)接口（Serial Port Mode）工作模式，配置相關(guān)的寄存器，實(shí)現(xiàn)McBSP的異步串行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境為TI公司的CCS3.3集成開發(fā)環(huán)境。完整的TMS320C6713B軟件工程如圖3所示。工程中需要包含4種不同的文件。

1）命令文件。后綴名為“.cmd”，用于分配存儲(chǔ)空間；

2）庫函數(shù)文件。后綴名為“.lib”。本工程中包含“rts6700.lib”和“csl6713.lib”兩 個(gè) 庫 函 數(shù) 文件?！皉ts6700.lib”是C語言系統(tǒng)庫，系統(tǒng)庫包含了編譯器提供的所有功能；“csl6713.lib”是TI針對(duì)C6713芯片的芯片支持庫（Chip Support Library）。該庫函數(shù)為TMS320C6713B的片上外設(shè)提供了C語言的配置和控制接口。

3）含有main（）函數(shù)的C語言源文件（.c）。系統(tǒng)初始化完畢后，就把控制權(quán)交給main（）函數(shù)。

4）矢量跳轉(zhuǎn)表文件，通常是匯編文件（.asm）形式。當(dāng)CPU響應(yīng)一個(gè)中斷時(shí)，程序指針（PC）就會(huì)跳到該中斷對(duì)應(yīng)的中斷向量表地址，執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令。

圖3　TMS320C6713B完整工程構(gòu)成

軟件部分根據(jù)功能可以分為系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信及存儲(chǔ)模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊4個(gè)部分。軟件的總體流程如圖4所示。

TMS320C6713B芯片在使用前首先要對(duì)其各個(gè)模塊進(jìn)行基本功能的配置，包括芯片運(yùn)行的時(shí)鐘頻率，片內(nèi)存儲(chǔ)空間的分配等等。通過配置各個(gè)功能模塊，并通過對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行操作，可以實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)通信協(xié)議及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。

數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)模塊使用TMS320C6713B初始化后的各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)功能。

數(shù)據(jù)處理模塊針對(duì)不同的應(yīng)用場合實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)字信號(hào)處理算法。算法包括時(shí)域和頻域兩個(gè)部分，本設(shè)計(jì)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT變換。通過比較信號(hào)的頻譜，判斷機(jī)械系統(tǒng)的工作狀態(tài)是否存在異常。

圖4　系統(tǒng)軟件總體流程圖

實(shí)際工作過程中，系統(tǒng)初始化完成后，首先利用AD轉(zhuǎn)換芯片將傳感器測量得到的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)實(shí)際需求利用TMS320C6713B芯片完成數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)操作。根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)處理結(jié)果判斷機(jī)械系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

1）系統(tǒng)初始化：

系統(tǒng)初始化包含軟件參數(shù)初始化和TMS320C6713B芯片外設(shè)初始化兩個(gè)部分。

軟件參數(shù)初始化主要完成系統(tǒng)軟件參數(shù)的初始化，保證程序開始運(yùn)行時(shí)各個(gè)參數(shù)值的正確性。

TMS320C6713B模塊的初始化。本系統(tǒng)中使用到的TMS320C6713B的功能模塊包括鎖相環(huán)、定時(shí)器、中斷、多通道緩沖串口、外部存儲(chǔ)器接口和GPIO六個(gè)部分。在初始化過程中，要分別根據(jù)各個(gè)部分不同的功能進(jìn)行初始化配置。

2）模數(shù)轉(zhuǎn)換：

AD采集部分的功能通過McBSP0接口實(shí)現(xiàn)。將McBSP0接口配置成GPIO的工作模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)AD轉(zhuǎn)換芯片的控制。

數(shù)據(jù)傳輸部分的功能通過McBSP1接口實(shí)現(xiàn)。將McBSP1接口配置成串行工作模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的異步串行通信功能。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的功能通過TMS320C6713B芯片的EMIF接口實(shí)現(xiàn)。在初始化模塊中配置完EMIF接口的寄存器后，直接操作相關(guān)寄存器就可以完成對(duì)SDRAM芯片和FLASH芯片的讀寫［12-13］。

3）數(shù)據(jù)處理：

數(shù)據(jù)處理部分的程序是根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用彎沉相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理算法。利用TMS320C6713B芯片較高的運(yùn)算性能，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。

本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的是基本的1 024點(diǎn)FFT算法，通過頻譜得到原波形的主要頻率成分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)的判斷。

3　振動(dòng)信號(hào)分析算法

振動(dòng)信號(hào)分析的基本流程如圖5所示。

傳感器實(shí)時(shí)采集機(jī)械設(shè)備在工作環(huán)境中的振動(dòng)數(shù)據(jù)，所得的原始信號(hào)不可避免的包含噪聲干擾［14］。信號(hào)的預(yù)處理及濾波的主要功能是除去信號(hào)中包含的噪聲。主要方法包括去趨勢項(xiàng)、移動(dòng)平均、指數(shù)平均等等。

振動(dòng)信號(hào)的處理方法很多，大致可分為2類：一類是傳統(tǒng)方法，典型的有幅值域分析法、傅里葉變換和相關(guān)分析等。另一類是現(xiàn)代方法，典型的有Wigner-Ville分布、譜分析、小波分析、盲源分離、Hilbert-Huang變換和高階統(tǒng)計(jì)量分析等［15］。

FFT（fast fourier transform，快速傅里葉變換）是計(jì)算離散傅里葉變換的各種快速算法的統(tǒng)稱［16］。它把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)進(jìn)行分析，是最基本、最經(jīng)典的一種信號(hào)處理方法，廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在發(fā)生故障時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的頻率會(huì)發(fā)生較大的變化，因此使用FFT方法處理信號(hào)，分析振動(dòng)信號(hào)頻譜的主頻率，就可判斷當(dāng)前情況下機(jī)械系統(tǒng)的工作狀態(tài)［6］。

本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的是基2頻率抽取FFT算法，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn)。基2頻率抽取FFT是將時(shí)域序列x［k］按前后兩部分以一定規(guī)律組合后形成兩個(gè)短序列，由此兩個(gè)短序列的DFT合成的頻域序列X［m］按奇偶順序排列，故稱為基2頻率抽取FFT［17］。

圖5　振動(dòng)信號(hào)分析基本流程

4　系統(tǒng)調(diào)試

本系統(tǒng)使用美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)軸承數(shù)據(jù)中心的軸承數(shù)據(jù)為對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行1 024點(diǎn)的快速傅里葉變換，通過頻譜判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹

本實(shí)驗(yàn)中使用軸承數(shù)據(jù)中采樣頻率為12 KHz時(shí)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)包含五組不同工作模式下的數(shù)據(jù)，分別是轉(zhuǎn)速為1 797、1 772和1 750 rpm/s下的正常數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)速為1 797時(shí)軸承故障點(diǎn)為0.014 mm和0.021 mm時(shí)的故障數(shù)據(jù)［18］。使用CCS3.3軟件繪制各組數(shù)據(jù)的前1 024個(gè)點(diǎn)的波形，如圖6～10所示。

圖6　1750 rpm/s正常工作數(shù)據(jù)

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7　1772 rpm/s正常工作數(shù)據(jù)

圖8　1797 rpm/s正常工作數(shù)據(jù)

圖9　1797 rpm/s 0.014 mm故障點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖10　1797 rpm/s 0.021 mm故障點(diǎn)數(shù)據(jù)

由圖6～10可得，正常數(shù)據(jù)的波形與故障數(shù)據(jù)的波形均存在明顯的差異。但這種差異無法通過軟件直接識(shí)別。本實(shí)驗(yàn)中使用FFT方法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的轉(zhuǎn)換，通過比對(duì)頻譜主成分的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承工作狀態(tài)的監(jiān)控。

使用CCS3.3軟件繪制各組數(shù)據(jù)FFT后的結(jié)果，如圖11～14所示。所有圖中，上方頻譜均為1 797 rpm/s正常工作數(shù)據(jù)的FFT結(jié)果；下方頻譜為其他各組數(shù)據(jù)的FFT結(jié)果。

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過圖6～13不難看出，不同轉(zhuǎn)速情況下，正常工作的齒輪波形大致相同，但通過圖11和圖12的頻譜對(duì)比圖中可以很容易的看出其頻率的主成分大致相同，但主成分對(duì)應(yīng)的幅值存在較大的差別。

圖11　1 797 rpm/s正常數(shù)據(jù)與1 772 rpm/s正常數(shù)據(jù)FFT結(jié)果對(duì)比

圖12　1 797 rpm/s正常數(shù)據(jù)與1 750 rpm/s正常數(shù)據(jù)FFT結(jié)果對(duì)比

圖13　1 797 rpm/s正常數(shù)據(jù)與1 797 rpm/s 0.014 mm故障數(shù)據(jù)FFT結(jié)果對(duì)比

圖14　1 797 rpm/s正常數(shù)據(jù)與1 797 rpm/s 0.021 mm故障數(shù)據(jù)FFT結(jié)果對(duì)比

通過圖11、12不難看出，相同轉(zhuǎn)速情況下，正常工作狀態(tài)以及不同故障點(diǎn)大小情況下的波形存在很大的差別，但僅僅通過這些數(shù)據(jù)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的判斷。但通過圖13和14很容易得到正常工作狀態(tài)下信號(hào)的頻率主成分與故障狀態(tài)下信號(hào)的頻率主成分存在很大的差別。

通過以上分析，對(duì)軸承數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換后，可以很方便的區(qū)分軸承的工作狀態(tài)，證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

5　結(jié)論

系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明，采用TMS320C6713芯片為核心組成的嵌入式在線振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)具有很高的運(yùn)算精度和實(shí)時(shí)性。同時(shí)使大大減小儀器設(shè)備的體積，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。通過添加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，還可實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和定位。另外，可用計(jì)算機(jī)對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存、拷貝、再現(xiàn)等，為離線的振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)提供了很多方便。

本系統(tǒng)在存在實(shí)時(shí)性高，運(yùn)算精度高等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在一些不足。在系統(tǒng)中，只進(jìn)行了數(shù)字處理部分的設(shè)計(jì)和調(diào)試，而未包含有前端的信號(hào)采集和調(diào)理電路，這樣會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男瘦^低。另外，雖然TMS320C6713擁有豐富的外設(shè)接口，但要充分發(fā)揮芯片的運(yùn)算能力，就需要減少芯片在系統(tǒng)控制中的資源分配。因此，在面對(duì)多傳感器的復(fù)雜監(jiān)測時(shí)，本系統(tǒng)還應(yīng)包含類似FPGA芯片的具有較高控制能力的芯片，使TMS320C6713充分發(fā)揮其在高速數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢。

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DSP based Embedded System for Online Vibration Signal Analysis

Song Yuchen1，Pan Dawei2，Huang Tao3，F(xiàn)eng Can3，Lei Aiqiang3
（1.Department of Automatic Test and Control，Harbin Institute of Technology，Harbin150080，China；2.School of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin150001，China；3.Commercial Aircraft Cooperation of China，LTD，Shanghai200120）

In order to monitor the state of machinery，the vibration signals sampling，processing and analysis are needed，to achieve condition monitoring，fault diagnostics and prognostics for machinery system.The current system of vibration signal analysis is generally of high volume and not portable.This system is always applying for offline analysis and difficult for online real-time analysis of machinery.Aiming at the disadvantages of the current system of vibration signal analysis，the embedded online vibration signal analysis system is designed based on the TMS320C6713 digital signal processor to satisfy the real-time and portable requirement.The principles and designing methods on software and hardware are introduced in detail.With the publicly available data sets of vibration from Case Western Reserve University，the evaluation and verification of the designed system are conducted.The experimental results indicate that the system can operate well and can be used for actual industrial application.In addition，the system can support functional extension and algorithm upgrading to meet different requirements of vibration signals sampling and analysis.

embedded system；online vibration signal analysis；DSP

1671-4598（2016）05-0291-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.080

TP274.2

A

2015-11-02；

2015-12-24。

宋宇晨（1992-），男，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方向的研究。