基于DSP的滑油在線屑末監(jiān)測器軟件設(shè)計

(1.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111； 2.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 101111；3.中國人民解放軍 95855部隊，北京 102600)

隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，開始追求高性能低成本的發(fā)動機(jī)，由于發(fā)動機(jī)零部件工作環(huán)境惡劣，高溫高壓高載荷的工況條件提高了運(yùn)轉(zhuǎn)部件不正常磨損引起發(fā)動機(jī)故障的幾率[1]，發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)能帶走攜帶故障信息的金屬屑末。通過分析滑油中金屬屑末的信息可有效檢測零部件磨損狀態(tài)，進(jìn)而監(jiān)測航空發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，為故障診斷和事故預(yù)警提供可靠依據(jù)，提高飛機(jī)安全性和經(jīng)濟(jì)效益。

滑油在線屑末監(jiān)測器主要由傳感器、信號電纜、信號處理單元三部分構(gòu)成，如圖1所示。滑油在線屑末傳感器主要由測試線圈、激勵線圈共同組成，測試線圈位于兩個激勵線圈的中央，激勵線圈反向串聯(lián)，交流電驅(qū)動激勵線圈產(chǎn)生方向相反、大小相同的磁場。測試線圈所處位置內(nèi)部磁場相互抵消，即接近于零磁場。當(dāng)金屬屑末在油液中流過時，這種平衡被打破，引起磁場變化，測試線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。信號電纜將攜帶屑末信息的感應(yīng)信號傳輸?shù)叫盘柼幚韱卧?，信號處理單元完成信號的放大解調(diào)、特征提取及數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖1 滑油在線屑末監(jiān)測器

本文提出一種基于高性能浮點數(shù)微處理器TMS320C6713B的金屬屑末信號處理軟件設(shè)計。通過EDMA對A/D采集的傳感器原始信號進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移，采用小波變換對傳感器信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理，金屬屑末檢測算法識別傳感器信號中金屬屑末的大小和類型，經(jīng)由RS422將傳感器原始信號和檢測到的屑末信息上傳到上位機(jī)監(jiān)測軟件。

1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

滑油在線屑末監(jiān)測器的硬件平臺主要由DSP、CPLD、Flash、SDRAM、通信接口及復(fù)位電路等組成。使用的程序設(shè)計語言為C語言，采用CCS Studio軟件平臺。采用多通道24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)ADS1274實現(xiàn)雙通道同步采樣，采樣率設(shè)置為24 KS/s。采用TI公司的并串轉(zhuǎn)換控制器，選用晶振44.2368 MHz，設(shè)置并串轉(zhuǎn)換控制器的波特率寄存器使通信波特率為2.7648 Mbit/s。

滑油在線屑末監(jiān)測器軟件采用模塊化設(shè)計，軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可以看出滑油在線屑末監(jiān)測器軟件主要功能模塊有系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、信號濾波、屑末檢測、數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 滑油在線屑末監(jiān)測器軟件結(jié)構(gòu)圖

滑油在線屑末監(jiān)測器上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，開啟中斷，通過EMDA接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，暫存在緩沖區(qū)，信號濾波模塊獲取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，依次進(jìn)行消除信號零偏、靜態(tài)小波分解、小波閾值調(diào)整、小波逆變換；屑末檢測模塊采用能量函數(shù)法識別金屬屑末的波形，通過信號的幅值和相位信息判斷傳感器信號中是否包含真實屑末信號，并計算真實屑末的大小和類型；數(shù)據(jù)傳輸模塊獲取原始信號及金屬屑末信息，以定時(100 ms)上傳的方式傳輸給上位機(jī)監(jiān)測軟件，軟件主流程圖如圖3所示。

圖3 滑油在線屑末監(jiān)測器軟件主流程圖

2 軟件模塊設(shè)計

2.1 系統(tǒng)初始化

初始化系統(tǒng)主要是通過CSL提供的API函數(shù)來配置系統(tǒng)設(shè)備寄存器以滿足系統(tǒng)的要求，通過配置相關(guān)寄存器來進(jìn)行各項功能的設(shè)置，系統(tǒng)初始化流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)配置、初始化向量表、內(nèi)部鎖相環(huán)配置以及EDMA配置等，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置控制系統(tǒng)的采樣周期和保持周期。

2.2 EDMA處理流程設(shè)計

通過CPLD設(shè)置A/D工作模式為高分辨率模式，對應(yīng)幀同步接口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過獨(dú)立的DOUT引腳以幀同步數(shù)據(jù)的形式移位輸出。

A/D采集到的數(shù)據(jù)緩存在FIFO中，F(xiàn)IFO狀態(tài)引腳與C6713B外部中斷7連接，當(dāng)FIFO達(dá)到一定狀態(tài)即外部中斷7有中斷信號時，同步事件EXTINT7將觸發(fā)EDMA通過EMIF接口將FIFO中的數(shù)據(jù)搬移到SDRAM中[2]。這種設(shè)計充分利用了C6713B EMIF可以和各種類型存儲器進(jìn)行無縫連接以及EDMA獨(dú)立于CPU傳輸數(shù)據(jù)的特性[3]，EMDA信號傳輸與處理中斷流程圖如圖5所示。

圖5 EMDA處理流程圖

利用C6713B EDMA將FIFO中數(shù)據(jù)搬移至SDRAM并處理，使用hEdmaPing和hEdmaPong雙通道EDMA并建立兩個數(shù)據(jù)存儲區(qū)PingBuffer和PongBuffer。當(dāng)緩沖區(qū)滿時發(fā)送EXTINT7中斷信號啟動hEdmaPing將數(shù)據(jù)搬移到PingBuffer，CPU則在hEdmaPing通道中斷服務(wù)程序中完成對PingBuffer中數(shù)據(jù)的FFT運(yùn)算，同時將通道鏈接至hEdmaPong，將數(shù)據(jù)搬移到PongBuffer中，CPU在hEdmaPong通道中斷服務(wù)程序中完成對PongBuffer中的數(shù)據(jù)的FFT運(yùn)算并鏈接hEdmaPing通道，如此往復(fù)，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)搬移和處理連續(xù)進(jìn)行。

2.3 濾波算法設(shè)計

本軟件數(shù)字信號濾波算法采用小波變換算法，小波變換具有對非平穩(wěn)信號局部化分析的突出優(yōu)點，有良好的時域定位功能，對突變信號具有很強(qiáng)的識別能力。數(shù)據(jù)處理過程中，首先對采集到的信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去除直流分量和奇異數(shù)據(jù)[4-5]，之后根據(jù)設(shè)置的小波濾波層數(shù)進(jìn)行小波分解。本算法采用的分解層數(shù)為5層，小波系數(shù)的前3層置零，采用迭代噪聲方差估計方法對分解得到的每層小波系數(shù)進(jìn)行迭代計算，得到噪聲估計方差v-est，根據(jù)噪聲估計方差計算非置零層的小波閾值并進(jìn)行小波系數(shù)調(diào)整，之后進(jìn)行信號頻域到時域的逆變換，恢復(fù)有效信號。經(jīng)以上算法處理后，信號有效剔除了高頻噪聲信號，并保留有效數(shù)據(jù)。在濾波算法中為避免因波形不完全帶來的漏檢，相鄰兩組數(shù)據(jù)(每組數(shù)據(jù)長度為1024個)有256個數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊處理。

2.4 顆粒檢測設(shè)計

屑末檢測通過非線性能量算子進(jìn)行初步檢測，提取信號波動的波段，之后根據(jù)金屬屑末幅值和相位的特點篩選符合屑末特征的波段。非線性能量算子能同時利用信號的瞬時頻率和幅度信息，其輸出正比于輸入信號的幅度和頻率的乘積，對于離散時間序列信號X(n)，計算公式為：

φ(X(n))=X(n)X(n)-X(n-1)X(n+1)

(1)

式中，X(n)為濾波后的第n個數(shù)據(jù)；φ(X(n))為能量算子計算后第n個數(shù)據(jù)。

經(jīng)過非線性能量算子處理后，屑末位置的信號輸出較大，此時設(shè)置閾值TNEO就可以初步篩選出屑末的位置，其中TNEO根據(jù)式(2)計算得到：

(2)

式中，TNEO為金屬屑末篩選閾值；C為常數(shù)，此處取2。

通過相位可以判別金屬屑末的類型，對鐵磁性金屬屑末敏感的通道檢測的屑末是類余弦信號，對非鐵磁性金屬屑末敏感的通道檢測的是類正弦信號[6]。金屬屑末的幅值閾值與最小檢出金屬屑末的尺寸相關(guān)，一般將幅值閾值設(shè)置為最小檢出屑末電壓值的90%。金屬屑末的波形是軸對稱波形，所以信號的峰值和谷值大小相等，考慮到噪聲信號的影響，設(shè)置峰值/谷值在[-0.6,1.6]之間，具體實現(xiàn)部分程序如下。

if (indmax>indmin&&x1[indmax]>x2[indmax]) //檢測到鐵信號

{

val_pp=valmax-valmin;//門限為0.025

{

if(val_pp>=FELIM && valmax /valmin >-1.6 && valmax/valmin<-0.6)//波形限制

{

if(val_pp>=FELIM)

{

flag=1;

Feflag=1;

Fe_num++;

Fe_max_pre=indmax;

Fe_min_pre=indmin;

}

}

}

}

通過標(biāo)定傳感器輸出與標(biāo)準(zhǔn)金屬屑末之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)式(3)計算金屬屑末的大小。

ra=K×Vpp(ra)b+C

(3)

式中,K、C、b為與系統(tǒng)相關(guān)的常數(shù)；ra為金屬屑末的大??；Vpp(ra)為監(jiān)測器檢測的金屬屑末對應(yīng)的信號峰峰值。

2.5 通信設(shè)計

采用TI公司推出的并串轉(zhuǎn)換控制器與DSP的外部EMIF總線直接連接，輸出兩路相互獨(dú)立的異步收發(fā)器[7]。系統(tǒng)時鐘為300 MHz，EMIF總線時鐘為100 MHz，接收中斷請求信號為INT6，通過高3位地址線進(jìn)行地址譯碼；發(fā)送中斷請求信號為INT15。

通信接口程序主要完成串口波特率的配置及更改，金屬屑末信息的發(fā)送，即把金屬屑末的大小、類型、原始數(shù)據(jù)等按照通信協(xié)議上傳。原始數(shù)據(jù)為24位A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量達(dá)到2 MB以上，根據(jù)采樣率對實時性要求較高。為了降低間隔100 ms RS422總線上傳數(shù)據(jù)占用過多的系統(tǒng)資源，不使用串口發(fā)送中斷而采用定時器中斷上傳。

DSP內(nèi)部有兩個32-bit的定時計數(shù)器(timer0和timer1)，CLKSRC bit是選擇時鐘源，為“1”選擇的是CPU內(nèi)部時鐘源。每100 ms觸發(fā)timer0中斷服務(wù)，啟動數(shù)據(jù)打包功能，將原始數(shù)據(jù)、BIT信息、屑末信息、CRC校驗、和校驗放入BUFFER0中，同時拷貝到BUFFER1中等待發(fā)送；每4.5 μs觸發(fā)timer1中斷服務(wù)，啟動單個字符發(fā)送。

3 試驗驗證

試驗驗證系統(tǒng)由傳感器、連接電纜、信號處理單元、NI PXI-8431/8及上位機(jī)監(jiān)測軟件組成。按照圖1連接以上部件，將196 μm鐵磁性金屬屑末的原始信號進(jìn)行濾波處理的結(jié)果如圖6所示。通過圖中可以看出無金屬屑末的信號段波形平坦，濾波后的金屬屑末峰峰值為0.102 V，信號幅值接近原始信號，濾波算法起到了很好的平滑效果。

圖6 濾波算法處理結(jié)果

將固定有標(biāo)準(zhǔn)金屬屑末(鐵磁性金屬屑末的尺寸為130 μm、178 μm、305 μm、505 μm；非鐵磁性金屬屑末尺寸為706μm)的塑封棒沿油液流動的方向穿過傳感器，上位機(jī)監(jiān)測軟件獲取到的金屬屑末信息如圖7所示。

圖7 上位機(jī)監(jiān)測結(jié)果

圖7監(jiān)測結(jié)果顯示檢測到的金屬屑末的大小為鐵磁性金屬屑末131 μm、185 μm、329 μm、539 μm；非鐵磁性金屬屑末為731 μm、738 μm。上位機(jī)監(jiān)測軟件界面中實時顯示傳感器兩路輸出信號。

4 結(jié)束語

滑油在線屑末監(jiān)測器軟件以TMS320C6713B為主處理器，對傳感器輸出的攜帶金屬屑末的微弱信號進(jìn)行采集分析，并輸出給上位機(jī)監(jiān)測軟件。本軟件的核心為數(shù)字信號濾波和金屬屑末識別算法的設(shè)計，通過串口實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的原始數(shù)據(jù)傳輸。其中信號濾波采用小波閾值降噪，最大程度地保留了低頻的金屬屑末信號，去除了高頻的噪聲信號。根據(jù)金屬屑末的波形特征進(jìn)行檢波算法的設(shè)計，有效剔除虛假屑末信號。試驗驗證結(jié)果表明本軟件能夠?qū)崿F(xiàn)金屬屑末的實時監(jiān)測和原始數(shù)據(jù)上傳，降噪效果良好，滿足金屬屑末檢測精度要求。