于 洋，黃偉志

（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387）

隨著復(fù)雜化和智能化程度的不斷提高，機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性在使其功能提高的同時(shí)，也給系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和實(shí)時(shí)性等方面帶來(lái)了一系列難題，設(shè)備發(fā)生故障和失效的潛在可能性越來(lái)越大[1].對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集分析與故障診斷的目的就是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種信號(hào)進(jìn)行獲取、傳輸、處理、分析和應(yīng)用，以確保自動(dòng)化制造過(guò)程可靠、安全、高效地進(jìn)行[2].

傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機(jī)不具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集處理能力，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)的機(jī)械設(shè)備甚至不具有采集功能[3]，因此在采集現(xiàn)場(chǎng)僅能進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和診斷，不能給出機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障的位置和原因，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性較差.同時(shí)，傳統(tǒng)的信號(hào)分析系統(tǒng)基本上是對(duì)頻譜進(jìn)行分析，分析處理能力不強(qiáng)，智能化水平不高.

針對(duì)以上的問(wèn)題，本研究提出一種基于S3C2440A和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.這一設(shè)計(jì)思想可以大幅提高振動(dòng)信號(hào)的分析和處理能力，同時(shí)采用基于Qt/Embedded的圖形界面軟件Qtopia完成采集數(shù)據(jù)的分析與管理，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性與小型化.

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)以32位ARM處理器為核心，由采集機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域的分析處理，通過(guò)多種通信接口將采集的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)的故障診斷軟件以作出相應(yīng)的診斷處理.振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)的硬件按照功能模塊可以劃分為信號(hào)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和ARM主控模塊，其中ARM主控模塊包括液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）的顯示電路、Flash接口電路和串口等通信接口電路和鍵盤(pán)輸入電路.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware block diagram of the system

系統(tǒng)硬件各個(gè)功能模塊的作用如下：

（1）信號(hào)預(yù)處理模塊：信號(hào)預(yù)處理模塊主要對(duì)由集成電路壓電式（Integrated Circuit Piezoelectricity，ICP）加速度傳感器采集到的機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理驅(qū)動(dòng)、放大和抗混疊濾波處理，使模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）芯片能夠獲取該振動(dòng)信號(hào)，并作出進(jìn)一步處理工作[4].

（2）數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送至ARM進(jìn)行分析處理.數(shù)據(jù)采集模塊非常重要，它決定了整個(gè)系統(tǒng)的采集精度和分辨率[5].

（3）ARM主控模塊：ARM處理器是該主控模塊的核心部分，控制振動(dòng)信號(hào)的采集、參數(shù)的設(shè)置以及數(shù)據(jù)的顯示、分析和傳輸?shù)?

1.2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，各個(gè)功能模塊間相互獨(dú)立，使用專(zhuān)門(mén)的接口函數(shù)進(jìn)行通信，這樣的處理方式可以使系統(tǒng)軟件的維護(hù)和升級(jí)變得更加方便.系統(tǒng)軟件基于嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，其軟件結(jié)構(gòu)自下向上依次為：嵌入式操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序.操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)軟硬件資源的管理，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成系統(tǒng)的內(nèi)核與各個(gè)具體硬件的接口為應(yīng)用程序提供操作硬件的接口函數(shù).本系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)程序包括采集驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)、串口和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、LCD驅(qū)動(dòng)以及Flash驅(qū)動(dòng)等.應(yīng)用程序是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心部分，主要具有數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互、信號(hào)分析以及數(shù)據(jù)管理等功能.整個(gè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Software block diagram of the system

1.3 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

從嵌入式操作系統(tǒng)的選擇原則方面考慮，與其他操作系統(tǒng)相比，嵌入式Linux具有開(kāi)發(fā)成本低、開(kāi)發(fā)工具豐富、功能強(qiáng)大和可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)[6].

1.4 圖形用戶(hù)界面的選擇

與其他圖形界面軟件相比，Qt/Embedded具有可移植性好、API函數(shù)豐富、開(kāi)發(fā)工具強(qiáng)大和執(zhí)行效率高等特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)采用基于Qt/Embedded開(kāi)源代碼的Qtopia作為圖形界面開(kāi)發(fā)環(huán)境，Qtopia是一種類(lèi)似桌面系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境[7].

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ARM主控模塊的設(shè)計(jì)

ARM主控模塊主要圍繞三星S3C2440A核心處理器展開(kāi)，根據(jù)核心處理器的特點(diǎn)設(shè)計(jì)其外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集控制、數(shù)據(jù)的顯示和分析處理以及與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能.該主控模塊主要的外圍電路包括同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM）接口電路、Flash接口電路、LCD顯示電路以及串口等通信接口電路.

ARM主控模塊下的主要組成部分包括：

（1）LCD顯示部分：采用6.4英寸薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）LCD，分辨率為 640×480.

（2）Flash接口部分：采用雙Flash設(shè)計(jì)，NOR Flash用于存放引導(dǎo)程序，NAND Flash主要用于存放系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng).

（3）SDRAM接口部分：采用2片16位的256 Mbits的SDRAM芯片作為系統(tǒng)內(nèi)存.

（4）鍵盤(pán)輸入部分：在硬件鍵盤(pán)設(shè)計(jì)方面，采用 ARM外部中斷和通用輸入/輸出口（General Purpose Input Output，GPIO）掃描完成此功能.

（5）通信接口部分：包括串口、以太網(wǎng)網(wǎng)口以及USB接口.通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、串口或主方式工作下的USB從上位機(jī)下載信號(hào)采集的測(cè)點(diǎn)信息到本系統(tǒng)中，同時(shí)將本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī).

2.2 信號(hào)預(yù)處理模塊的設(shè)計(jì)

信號(hào)預(yù)處理模塊的主要作用是對(duì)傳感器輸出的各種模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，以獲取用戶(hù)所需的并能滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換芯片要求的信號(hào).通常傳感器的輸出信號(hào)會(huì)存在信號(hào)小、溫度漂移以及非線性等問(wèn)題，一般情況下控制元件是無(wú)法直接獲取該輸出信號(hào)的，因此，信號(hào)預(yù)處理模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，該模塊的優(yōu)劣性直接關(guān)系到整個(gè)采集系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性.首先，傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，并將其輸出信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理處理；然后，信號(hào)放大電路再對(duì)已經(jīng)完成調(diào)理處理的信號(hào)進(jìn)行放大處理；最后，抗混濾波電路濾除信號(hào)中混雜的高頻干擾，防止在采集過(guò)程中出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，抗混濾波后的信號(hào)即可送至數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理.

2.2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)只能對(duì)電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理，因此需要將機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通常情況下可采用ICP加速度傳感器完成振動(dòng)信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換.

ICP傳感器是一種內(nèi)置集成電路的壓電傳感器，它本身雖然無(wú)源，但內(nèi)置的集成電路卻需要外部供電.因此，ICP傳感器通常選用恒流供電，其電源線與信號(hào)輸出線是共用的，該信號(hào)輸出線的長(zhǎng)度通常長(zhǎng)達(dá)百米以上.ICP傳感器的等效電路與調(diào)理電路如圖3所示，電荷放大器會(huì)將壓電元件產(chǎn)生的電荷進(jìn)行放大輸出.

圖3 ICP傳感器等效電路及調(diào)理電路Fig.3 Equivalent circuit and conditioning circuit of ICP sensor

從圖3右側(cè)的調(diào)理電路可以看出，ICP傳感器所需的供電電源Uout必須能夠提供18～30 V的直流電壓以及2～20 mA的恒定電流.由于傳感器共用電源線與信號(hào)輸出線，所以它的輸出信號(hào)會(huì)包含1個(gè)約為8～14 V的直流偏置電壓，圖3中的去耦電容Cd會(huì)濾除這個(gè)輸出信號(hào)中的直流分量.

本系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)恒流源器件LM334芯片設(shè)計(jì)了1個(gè)具有零溫漂的恒流源調(diào)理電路.LM334的工作電壓設(shè)置為24 V，輸出電流為4 mA，通過(guò)設(shè)計(jì)的零溫度漂移恒流源驅(qū)動(dòng)電路防止溫度漂移.

2.2.2 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用INA128芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的放大處理.INA128芯片是一種低功耗、低噪聲、高精度的通用儀表放大器，它的電源范圍較寬，可從±2.25～±18 V，芯片選用單個(gè)外接電阻完成增益從1至10 000之間的任意選擇.本系統(tǒng)選用±5 V 2種電源為INA128供電，其放大電路如圖4所示.

圖4 信號(hào)放大電路Fig.4 Signal amplifying circuit

2.2.3 抗混濾波電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)放大處理后的振動(dòng)信號(hào)仍然會(huì)不可避免地混雜許多高頻干擾信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)所選擇的采樣頻率不能滿(mǎn)足這些高頻信號(hào)奈奎斯特采樣定理所規(guī)定的要求時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象.為了最大可能地避免混疊現(xiàn)象的出現(xiàn)，消除它對(duì)信號(hào)采集造成的不利影響，需要借助抗混濾波器將這些不需要的高頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾除.

本系統(tǒng)采用LTC1063芯片對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波處理，選用±5 V兩種電源為L(zhǎng)TC1063濾波器供電，濾波器的截止頻率則由外接的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制.該濾波電路中，LTC1063濾波器的外接時(shí)鐘信號(hào)由1個(gè)4 MHz的有源晶振通過(guò)12位串行計(jì)數(shù)器CD4040進(jìn)行選擇分頻后獲得.

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊主要圍繞ADC和先入先出隊(duì)列（First Input First Output，F(xiàn)IFO）2塊芯片展開(kāi)設(shè)計(jì)，選用具有4個(gè)獨(dú)立單通道的ADC芯片AD7656BSTZ和FIFO進(jìn)行采樣，采樣頻率最高分別可達(dá)250 ksps和18×4 kbit/s，通過(guò)復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）完成對(duì)采集電路中ADC和FIFO的時(shí)序控制.

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的各個(gè)部分都是在ARM的控制下完成的，但ARM的控制信號(hào)并不直接送給各個(gè)芯片，而是將這些控制信號(hào)傳給CPLD，經(jīng)過(guò)CPLD處理后再將這些控制信號(hào)分別送給各芯片.因此，電路中ADC和FIFO的讀寫(xiě)控制信號(hào)均由CPLD提供，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 采集電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block diagram of acquisition circuit

由于系統(tǒng)所選的ADC芯片的數(shù)據(jù)輸出只有16位，所以FIFO的數(shù)據(jù)線僅需要使用16位，其最高2位數(shù)據(jù)線必須接地.電路中FIFO的主要作用是充當(dāng)臨時(shí)的存儲(chǔ)單元，暫時(shí)存儲(chǔ)ADC采集到的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，Qtopia應(yīng)用程序會(huì)對(duì)這些暫時(shí)存放在內(nèi)核緩沖區(qū)中的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步地分析處理工作[8].

3 系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)采用基于Qt/Embedded的開(kāi)源窗口界面軟件Qtopia，Qtopia采用面向?qū)ο蠛湍K化的設(shè)計(jì)思路，對(duì)象間的通信方式選用其特有的信號(hào)與插槽機(jī)制[9].根據(jù)軟件的功能結(jié)構(gòu)，采用Qtopia設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件功能主界面，如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)軟件功能主界面Fig.6 Main interface of function for system software

本系統(tǒng)的軟件功能模塊分為采集模塊、信號(hào)分析模塊和數(shù)據(jù)管理模塊，其功能是通過(guò)界面的功能按鍵來(lái)進(jìn)行選擇的，系統(tǒng)軟件分為4大功能.

（1）參數(shù)設(shè)置：在進(jìn)入數(shù)據(jù)采集之前，要進(jìn)行各種采集參數(shù)的設(shè)置，如測(cè)點(diǎn)選擇、通道選擇、采樣頻率、分析頻率、采樣點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)文件名等設(shè)置.

（2）采集顯示：根據(jù)設(shè)置的參數(shù)對(duì)設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和顯示.

（3）信號(hào)分析：選擇測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，完成信號(hào)的各種時(shí)域和頻域的分析處理.

（4）數(shù)據(jù)管理：通過(guò)串口等通信接口完成測(cè)點(diǎn)信息文件的下載以及采集數(shù)據(jù)文件的上傳，也可以對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行刪除操作.

3.2 嵌入式Linux系統(tǒng)的移植

因?yàn)榫哂性创a開(kāi)放、功能強(qiáng)大、穩(wěn)定高效和完全免費(fèi)等優(yōu)勢(shì)，嵌入式Linux系統(tǒng)已經(jīng)在嵌入式領(lǐng)域里得到了廣泛應(yīng)用.嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度可以分為引導(dǎo)程序、Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序.因此，本系統(tǒng)的Linux系統(tǒng)移植工作主要包括在PC機(jī)宿主機(jī)中交叉編譯環(huán)境的建立、引導(dǎo)程序U-Boot的移植、Linux內(nèi)核的編譯移植[10-11]以及YAFFS2根文件系統(tǒng)的制作.

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，本研究采用由信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)，由系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集和分析，從而檢驗(yàn)系統(tǒng)采集分析功能的準(zhǔn)確性.選用幅值為100 mV（系統(tǒng)配備加速度傳感器的靈敏度為100 mV/G，100 mV對(duì)應(yīng)1 G）、頻率為200 Hz的正弦信號(hào)，將系統(tǒng)的每屏采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為2 048、分析頻率設(shè)為5 kHz，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集和分析[12].系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)的分析結(jié)果如圖7所示.

由圖7a可以看出，信號(hào)的幅值接近1 G，頻率為200 Hz，與輸入的正弦信號(hào)基本一致；從圖7b中可看出，信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)依舊是周期函數(shù)，并沒(méi)有出現(xiàn)衰減的情況，所以該信號(hào)沒(méi)有包含隨機(jī)噪聲；由圖7c可知，信號(hào)為周期信號(hào),頻率仍為200Hz，與輸入信號(hào)的頻率一致；由圖7d可知，信號(hào)的實(shí)倒譜呈現(xiàn)依次遞減的倒諧頻結(jié)構(gòu)[13]，這與理論分析的結(jié)果相符.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)的時(shí)域分析和頻域分析等功能均準(zhǔn)確、可靠.

圖7 對(duì)信號(hào)的分析結(jié)果Fig.7 Analysis results for the signal

5 結(jié)論

機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)的研究是當(dāng)前制造業(yè)市場(chǎng)的需要，是保證自動(dòng)化生產(chǎn)順利進(jìn)行、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、阻止并預(yù)防生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備出現(xiàn)故障的有力保障.本研究提出的基于S3C2440A和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)完全能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，穩(wěn)定性良好，可靠性較高.目前，該采集分析系統(tǒng)已成功應(yīng)用于故障診斷的相關(guān)儀器中.

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