龔 民，王徐穎，陳鑫焱

（沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 沈陽 110168）

0 引言

以單片微控制器為核心的故障檢測(cè)系統(tǒng)中，由于單片機(jī)處理數(shù)據(jù)速度的有限性和人們對(duì)故障檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)方面的要求的不斷提升這個(gè)矛盾日益顯現(xiàn)出來。隨著采用DSP的應(yīng)用領(lǐng)域的愈來愈多，DSP在原有檢測(cè)系統(tǒng)上的應(yīng)用為提高系統(tǒng)性能成為了可能。

DSP作為數(shù)字化時(shí)代的基因芯片，主要在三個(gè)方面的特點(diǎn)支持了其在數(shù)據(jù)處理方面的高速性。DSP處理器使用專門的硬件實(shí)現(xiàn)單周期乘法，支持密集的乘法運(yùn)算，單片機(jī)則要求多個(gè)指令周期來做一次乘法；DSP 采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)空間分開，DSP在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以同時(shí)準(zhǔn)備好指令和操作數(shù)，單片機(jī)一般無法完成該任務(wù)；DSP采用零開銷循環(huán)，執(zhí)行循環(huán)時(shí),無需花時(shí)間去檢查循環(huán)計(jì)數(shù)器的值，僅當(dāng)條件轉(zhuǎn)移到循環(huán)的頂部時(shí)將循環(huán)計(jì)數(shù)器減1。MCU和DSP相比，低檔的MCU的指令周期為600ns，乘法計(jì)算時(shí)間為1900ns，而低檔的DSP指令周期和乘法計(jì)算時(shí)間均只需50ns。高檔的MCU的指令周期為也需40ns，乘法計(jì)算時(shí)間需80ns。而高檔的DSP指令周期和乘法計(jì)算時(shí)間均只需5ns，DSP在運(yùn)算速度上的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的[1]。

1 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

1.1 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)原理與組成

本信號(hào)處理模塊主要由電源模塊、DSP（TMS320F2812）模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、MCU（89C52）模塊等幾部分組成。MCU獲取故障現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳輸給雙口RAM，TMS320F2812得到數(shù)據(jù)后進(jìn)行快速算法運(yùn)算，運(yùn)算得到的結(jié)果再通過雙口RAM傳送給MCU。以該模塊在滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，應(yīng)用DSP后的故障檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖 1 改進(jìn)后的故障檢測(cè)系統(tǒng)框圖

1.2 模塊硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 雙口RAM型號(hào)的選擇

圖2 CY7C144與DSP和MCU的接口示意圖

DSP和MCU在系統(tǒng)工作需要不斷的大量交換數(shù)據(jù)，通過雙口RAM以資源共享的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，不僅傳輸速率高，而且具有非常好的抗干擾性。雙口RAM實(shí)現(xiàn)了MCU和DSP的相互通訊，可以認(rèn)為雙口RAM中的數(shù)據(jù)是為DSP和MCU所共用的。

采用CYPRESS公司的CY7C144這款芯片。它是一種低功耗的CMOS型8K×8位的雙口靜態(tài)RAM，最快響應(yīng)速度為15ns，可以和DSP直接通訊而不需要等待在標(biāo)準(zhǔn)條件下的最大功耗為160mw，+5V供電并兼容TTL電平，具有省電的功能，可以進(jìn)一步減小功耗具有良好的兼容性，可以和IDT7005和IDT7015等雙口RAM互換，各端口完全異步操作。

1.2.2 雙口RAM與CPU的接口

CY7C144作為MCU與DSP之間的通訊接口如圖2所示。CY7C144的左端地址總線與2812的XA0～XA12相連，CY7C144數(shù)據(jù)端口與2812的XD0～XD7相連；CY7C144的右端地址線的高四位與89C52的P2.0～P2.4相連，右端地址線的低八位與經(jīng)過74LS737鎖存的P0.0～P0.7相連，數(shù)據(jù)線與P0.0～P0.7直接相連。其中SEMR、SEML、M/S應(yīng)經(jīng)電阻由＋5V拉高。

1.3 模塊通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

模塊軟件主要包括：CMD文件的編寫、FFT等算法在TMS320F2812上的實(shí)現(xiàn)、89C52與TMS320F2812的通信、程序向Flash的燒寫、軟件加密和看門狗的設(shè)計(jì)。

模塊由89C52與TMS320F2812構(gòu)成一個(gè)主從系統(tǒng)，89C52將故障預(yù)處理數(shù)據(jù)傳送至2812，2812經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理后返送回89C52。DSP采用C語言進(jìn)行編程，MCU用匯編或C語言均可，只要在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行換算即可實(shí)現(xiàn)暢通通訊。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

模塊中MCU(89C52)和DSP(TMS320F2812)的通信協(xié)議如下：雙口RAM的00H單元為MCU工作標(biāo)志位，01H單元?jiǎng)t為DSP工作標(biāo)志位。單片機(jī)清完標(biāo)志位后，將用戶所選擇的算法類型寫入02H和03H單元中，然后將從外部得到的輸入序列存入雙口RAM，存數(shù)據(jù)完成后置單片機(jī)準(zhǔn)備標(biāo)志位，通知DSP取數(shù)據(jù)，此后單片機(jī)則一直查詢01H單元DSP準(zhǔn)備標(biāo)志位。等單片機(jī)查詢到DSP完成計(jì)算后，將DSP準(zhǔn)備標(biāo)志位清零，然后讀取計(jì)算結(jié)果。DSP清完標(biāo)志位后，一直在查詢單片機(jī)標(biāo)志位，等待單片機(jī)完成輸入序列的傳輸，當(dāng)查詢到輸入序列傳輸完成以后，DSP將單片機(jī)標(biāo)志位清零，讀入算法選擇位，讀入輸入序列，完成計(jì)算，向雙口RAM 寫入結(jié)果，置DSP標(biāo)志位，通知單片機(jī)取結(jié)果，然后等待下一個(gè)輸入序列。DSP上的主程序如下。

2 模塊在滾動(dòng)軸承檢測(cè)中的應(yīng)用

在滾動(dòng)軸承檢測(cè)中,能否找到故障特征頻率是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，故障輸入信號(hào)由一個(gè)存在故障的電機(jī)軸承給出。在此軸承外圈，人為使用電火花破壞一個(gè)壞點(diǎn)，電機(jī)運(yùn)行后，將軸承的振動(dòng)頻率采樣進(jìn)來，得到1024個(gè)點(diǎn)的值，將這1024個(gè)值經(jīng)DSP分析后給出圖像。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得，圖4為，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n＝600轉(zhuǎn)/分，A/D采樣頻率為1024時(shí)，經(jīng)DSP處理后的頻譜。圖5為，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n＝400轉(zhuǎn)/分，A/D采樣頻率為512時(shí)，經(jīng)DSP處理后的頻譜。

圖4 n=600 fs=1024故障信號(hào)頻譜

圖5 n=400 fs=512故障信號(hào)頻譜

根據(jù)軸承故障理論，圈上有單個(gè)損傷點(diǎn)的情況：用共振解調(diào)法診斷時(shí)得到的包絡(luò)頻譜圖形是一系列以外圈故障特征頻率fb為間隔的隨頻率增大幅值逐漸減小的離散譜線[4]。滾動(dòng)體在外圈滾道上的通過頻率為：

經(jīng)計(jì)算，n＝400時(shí)，fb約為20Hz，n=600時(shí)，fb約為30Hz。從圖5中看出波形的峰值主要出現(xiàn)在30.668、61.336、92.524、121.633幾點(diǎn)，振幅逐漸衰減；從圖6看出波形的峰值主要出現(xiàn)在 20.012、40.024、60.036幾點(diǎn)，符合由軸承故障理論計(jì)算出的理論值，證明系統(tǒng)正確。并且在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理精度和速度比MCU有了明顯的提高。

3 結(jié)束語

提出的基于TMS320F2812與雙口RAM的信號(hào)處理模塊對(duì)以普通MCU為控制核心的故障檢測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)，在保證原有檢測(cè)系統(tǒng)的控制能力基礎(chǔ)上，結(jié)合DSP應(yīng)用各種算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)證明，明顯提高了故障檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。

[1] 張?jiān)诜?馬義德.DSP —數(shù)字化時(shí)代的基因芯片.信息技術(shù).2003.53-56.

[2] 蘇奎峰,呂強(qiáng),等.TMS320F2812XDSP原理及C程序開發(fā).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008:369-370

[3] 胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù).第一版.北京:清華大學(xué)出版社,2004:20-25.

[4] 梅宏斌著.滾動(dòng)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995:1-15.