CN101799321A - 智能振动监测系统 - Google Patents

Abstract

智能振动监测系统，涉及振动信号的现场测试、记录与分析系统。通过以下过程实现从模拟信号输入、浮点放大、A/D量化到数据存储的整个采集功能：(一)收集测试现场产生的振动信号；(二)信号采集单元设计，实现带浮点放大功能的基本电路。在此过程中，浮点放大控制逻辑对信号进行比较分析，不断的对信号采集单元发出增益控制代码，使信号采集单元始终以最适合的放大倍数对信号进行放大并完成数字量化；(三)带浮点放大功能的信号采集实现后，对数字量化后的数据进行有效的存储，采用FPGA内嵌的NIOS处理器和FPGA内部设计的SDHC存储管理逻辑共同完成SDHC卡的读写操作。本发明是振动测试仪器领域应用自适应浮点放大技术的先进设备。

Description

智能振动监测系统

技术领域

本发明涉及振动信号的现场测试、记录与分析系统。

背景技术

振动信号监测仪正向数字式自动记录方式发展，利用最新的微电子集成技术、电子线路技术和计算机技术，使振动记录仪轻小、便携，自带电池供电，且功能齐全。我国早期振动自记录仪的研制开始于90年代初，应用于爆破监测和大型机电设备振动监测等领域，现已有多种类产品，发展成多家竞争的局面，国外的产品也不断进入国内市场。

当前大部分振动自记录仪都基本能满足一般振动测试要求，但是在输入信号动态范围、小信号测试精度、数据存储能力与数据处理的专业化等方面，产品的设计与性能水平差异较大。

为了匹配信号输入幅度的范围，现有的产品和技术方案往往需要事先预设量程或者通道的放大倍数，以期最大可能的正确记录监测的振动波型。但在现场测试时，往往无法事先准确预估振动信号的大小，因而无法确保准确设置量程；可能会是振动信号的幅度波动范围太大，导致信号超量程幅度失真，或者信号太小，导致无法辨别和数据处理。由此造成测试失败，无法得到关键数据，并可能造成较大的试验损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能振动监测系统，本发明是一种可以提高现场测试的成功率，也使测试工作更加方便可靠和智能化的测试仪，本发明是振动测试仪器领域应用自适应浮点放大技术的先进设备。

目前先进的振动监测设备一般都采用数字化测量技术，即采用模拟(A)-数字转换(D)，将被测信号数字化后，采用软件做进一步处理分析。其中A/D转换是数字化测量的关键环节，往往决定了测量数据的准确性和正确性。

如果A/D模块的信号量程范围是±V，那么，待采集信号幅度在±V/2～±V范围内时，A/D转换精度较高，能更准确测量被测信号，反之误差会趋大。因此在开始测量之前，一般都需要对本次测量的信号范围有一个大概的估计，针对待测信号可能的不同幅度，选择设备适应的量程，尽量使待测信号幅度对应在量程的1/2以上，以此获得最佳的测量精度和测量效果。但在实际运用中，如果量程选择过大，则可能对微弱信号产生较大的测量误差，无法准确辨别和分析数据；如果量程选择过小，又可能产生波形削顶失真、限幅的情况。

特别对于爆破产生的振动信号，一般具有较大的动态范围，距离爆心的距离不同，振动信号传播的介质不同，都会引起振动信号幅度的极大差异。固定量程在测量振动的时候有很大的局限性，而以人为经验判断去调整量程，可能因量程不适当而导致记录丢失、信号失真等问题。

针对目前国内外同类产品普遍存在的这一问题，我司特别设计发明了“自适应实时浮点放大技术”，即开启浮点功能后，设备可以根据实际测量信号的大小，实时地自动调节通道放大倍数，从而有效地避免了测量波型由于量程原因被削顶、限幅的现象，同时对小信号也能提高灵敏度和测试精度，以适应超大动态范围的信号测试，保证了数据的完整性。采用该技术设计的产品，也简化了测量的操作，使用更加人性化的同时达到了较高的智能化。本发明的技术方案及发明要点：

“自适应浮点放大技术”就是在数据采集的过程中，预先自动根据输入信号的大小来动态调整放大倍数，从而保证正确可靠的测量数据。与一般的程控放大器不同，对不同大小的输入信号，浮点放大器的放大倍数是不同的，或者说放大倍数是可以浮动的。信号经过浮点放大后，再进行A/D转换，这样整个采集系统得到的数据就由放大倍数和A/D转换结果两部分组成。这样的数据有些类似于计算机中用的浮点数。相应的可称放大倍数为“阶码”，A/D转换结果为“尾码”。整个浮点数据采集系统的动态范围等于A/D转换器动态范围加上浮点放大器动态范围。

要实现浮点放大，首先要实现可变增益放大，使其在外部逻辑的控制下能随时改变放大电路的增益。目前，可变增益放大器已经广泛应用，其响应速度和增益精度都能满足要求，“智能振动监测仪”正是采用了这一新型器件实现了可变增益放大单元的功能。

其次，要有数据比较功能。通过比较电路，输出能控制可变增益放大器的控制码，从而及时的改变可变增益放大器的增益。信号比较的方法有模拟信号比较和数字信号比较2种。模拟信号比较的优点在于电路设计简单，增益码输出响应时间短等方面；但是这种方案对增益的调整只能逐次比较后进行，无法实现跨增益档的任意调节，因而实际使用中，增益调节效率和响应速率会明显低于数字比较方式，况且放大倍数最终还是要转换为数字方式存储；因此，我公司设计的新型智能振动监测仪采用的是数字比较方式，即预先将输入的模拟信号进行数字量化后，再进行数据比较的过程。

第三，关键要能在每次采样和模数转换前预先知道输入信号的幅度，以达到在每次采样时刻到来前，用最适合的增益对信号进行放大的目的。“自适应浮点放大技术”特别采用了预采样+预量化的技术，完美的解决了上述问题。

解决以上三个基本问题后，浮点采样功能理论上可基本实现。但是，在实际设计调试中，仍然会遇到各档零点不一、增益误差、输入信号相位延迟等原因造成的波形不连续、大量台阶等现象。在“智能振动监测仪”的研制中，通过模拟电路的优化调整结合数字信号处理的方法，成功解决了上述问题，使得该技术在实际中得以成功运用。

因此，“自适应浮点放大技术”实际上是巧妙先进的模拟线路设计和数字电路设计，辅以实时数字信号处理等一系列技术手段的结晶。

本发明的智能振动监测系统，通过以下过程实现从模拟信号输入、浮点放大、A/D量化到数据存储的整个采集功能：

(一)收集测试现场产生的振动信号，由现场布置好的三向传感器进行拾取，同时转换为测振仪能采集到的电信号，该电信号经过测振仪的信号采集单元，在采集控制逻辑的控制下，转换成为计算机可识别的数字信号；

(二)信号采集单元设计，实现浮点放大功能的基本电路，在此过程中，浮点放大控制逻辑对信号进行比较分析，不断的对信号采集单元发出增益控制代码，使信号采集单元始终以最适合的放大倍数对信号进行放大并完成数字量化；

(三)带浮点放大功能的信号采集实现后，对数字量化后的数据进行有效的存储，采用用FPGA内嵌的NIOS处理器和FPGA内部设计的SDHC存储管理逻辑共同完成SDHC卡的读写操作。

所述的自适应浮点放大技术，是在数据采集的过程中，预先自动根据输入信号的大小来动态调整放大倍数，从而保证正确可靠的测量数据。

在上述过程中要有数据比较功能，通过比较电路，输出能控制可变增益放大器的控制码，从而及时的改变可变增益放大器的增益。

在每次采样和模数转换前预先知道输入信号的幅度，以达到在每次采样时刻到来前，用最适合的增益对信号进行放大的目的。

利用基于ARM9内核的嵌入式处理器通过自带的触摸式彩色液晶屏可实时的显示采集状态等信息，并在采集完成后，通过自带的SDHC接口从SDHC卡中获取采集数据，进行波形显示与数据分析。

通过触摸式彩色液晶操作界面，还可以对各项参数进行设置，对采集过程进行控制。

FPGA内部专门设计了一个嵌入式理器之间的通信接口，该接口功能模块同时设计有ASB总线和AVALON总线接口电路，并对双处理器的共享存储空间分别实现了地址映射、命令译码等功能，使得双嵌入式处理器可以方便的完成数据与命令的共享。

传感器信号进入输入缓冲单元进行缓冲、整形后进入可变增益放大单元，该单元的放大倍数由浮点放大控制单元控制；放大后的信号经过零点和增益校准单元进行零点与增益的校准；再经过抗混滤波单元，滤除带外的高频信号，最后经过输出缓冲单元缓冲后分成两路输出，一路浮点放大控制单元实现浮点放大控制功能；另外一路进入数据采样A/D单元进行数字量化，形成数字量化值。

浮点放大在于对预采样A/D量化后的数字信号进行比较、分析；一旦比较出结果，立即给出控制信号，同时，模拟电路也需要快速的响应。

采用具有“自适应浮点放大技术”的新型智能振动监测仪，有效地避免了传统振动测量设备的使用过程中，由于量程的错误设置造成的波形被削顶、限幅的现象，同时，提高了小信号的高灵敏度和测试精度，能适应更大动态范围的信号测试，保证了数据的完整性，同时简化了测量的操作，做到了更加智能化，人性化。

另外，新型的智能振动监测仪的特点和先进性还体现在以下几个方面：

触摸式彩色液晶界面

触摸屏作为一种最新的输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。相比以往的操作方式，触摸屏具有易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，让越来越多的系统设计师认识到其的确具有相当大的优越性。

虽然众多的消费电子产品已经广泛使用了触摸式操作界面，但是在专用的测试设备上，该项技术还鲜有使用，成熟的产品更是凤毛麟角。我公司研制的智能振动监测仪积极的采用了该项技术，使其成为国内振动监测领域首个采用触摸式彩色液晶操作界面的智能仪器。该技术的采用，极大的简化了测振仪器的使用，即使是对此类专用仪器一无所知的人，也照样能够信手拈来，较好解决了传统仪器设备操作复杂的问题。

超大容量存储

实际测量环境的干扰和噪声信号往往会造成误触发，如果只有一次触发起点，误触发会使得真实的振动信号来的时候，设备已经停止记录，从而没有采集到真实信号。解决的方式可以是在采集长度内将记录分成多个段，每一个段的起点都需要满足触发条件，这样的设置可以使得在有干扰的情况下，即使被误触发了几段，剩下的记录段还是可以完整记录真实振动信号的波形。因此，新型的振动监测设备需要有长时间不间断的采集能力，这就要求设备具有大容量的存储空间。我公司设计的新型智能振动监测仪采用SDHC卡作为存储介质，其容量最大支持32GB，段数支持最多2048段，从单段的存储容量和总段数等指标都大大超过其他同类产品。

双嵌入式处理系统设计

传统的仪器设备，通常只有一个处理器作为整个设备的控制核心。这样的单处理器系统，其设计相对简单，只需要设计一个嵌入式处理器和外围硬件电路，依靠嵌入式处理器自带的IO等外围功能实现采集的控制与SD卡存储数据等操作，再配以一套嵌入式软件即可实现采集系统。但是由于嵌入式处理器的处理能力有限，在执行多任务操作的时候，其实时性还无法满足要求，尤其是在对SD卡数据的存储速度上，目前尚无任何嵌入式处理器能达到理想的效果，通常都大大低于SD卡本身能达到的存储速度。

本发明的新型智能振动监测系统的设计中，采用了双处理器系统的设计。一片基于ARM9内核的嵌入式处理器，独立完成人机操作界面、波形显示、数据分析、波形打印等功能；另外一片基于Nios II软核的嵌入式处理器完成采集控制、SDHC卡的实时写入、采集状态的维护等操作；该处理器内嵌于FPGA器件中，通过FPGA内部的AVALON总线，将FPGA内部各个功能模块进行高效的整合，形成片上SOC，从而对整个采集时序、数据存储、状态维护等过程实施更高效、精确的控制。这样的设计，使得对SDHC的读写控制由原来的纯软件代码执行变成了软硬件结合、以硬件执行为主的设计，大大提高了SDHC的读写速度，完全满足实时写入的要求。

网络化设计

LAN是最常用的组网方式。以太网使用双绞线作为传输媒介。在没有中继的情况下，最远可以覆盖200米的范围。最普及的以太网类型数据传输速率为100Mb/s，更新的标准则支持1000Mb/s和10000Mb/s的速率。LAN的这些特性，使得其在连接速度、连接距离以及组网方式等方面都处于领先。

目前，大多数同类产品都采用RS232、USB或1394接口与上位机进行联机控制，本发明研制的新型智能振动测试仪采用LAN接口，使其不仅仅是一台只能和PC近距离连接的测试设备，通过目前广泛使用的以太网，可以连接至网络中的任意一台PC终端。进而，通过INTERNET，可以在世界的任何一个地方对其进行有效的控制，真正的做到物联世界。物联网的提出，也使得支持LAN接口的新型智能振动监测仪在未来发展中，有着更广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明工作原理图；

图2是本发明带有浮点放大功能的信号采集原理图；

图3是浮点放大功能实现原理图；

图4是整个浮点放大控制单元核心部分设计过程中的硬件功能仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图并用最佳的实施例对本发明作详细的说明。

参阅图1，首先，对智能振动监测系统整个仪器的工作原理进行说明：测试现场产生的振动信号，由现场布置好的三向传感器进行拾取，同时转换为测振仪能采集到的电信号。该电信号经过测振仪的信号采集单元，在采集控制逻辑的控制下，转换成为计算机可识别的数字信号。信号采集单元设计实现浮点放大功能的基本电路，在此过程中，浮点放大控制逻辑对信号进行比较分析，不断的对信号采集单元发出增益控制代码，使信号采集单元始终以最适合的放大倍数对信号进行放大并完成数字量化。关于带浮点放大采集功能的信号采集单元的实现原理，将在稍后进行介绍。

带浮点放大功能的信号采集实现后，还需要对数字量化后的数据进行有效的存储。在本设计中，采用了FPGA内嵌的NIOS处理器和FPGA内部设计的SDHC存储管理逻辑共同完成SDHC卡的读写操作。

以上设计，实现了从模拟信号输入、浮点放大、A/D量化到数据存储的整个采集功能。同时，基于ARM9内核的嵌入式处理器通过自带的3.5寸触摸式彩色液晶屏可实时的显示采集状态等信息，并在采集完成后，通过自带的SDHC接口从SDHC卡中获取采集数据，进行波形显示与数据分析。通过触摸式彩色液晶操作界面，还可以对各项参数进行设置，对采集过程进行控制等。另外，该嵌入式处理系统还支持USB、LAN等接口，通过USB接口可以外接U盘，实现数据转存，也可以外接USB打印机，提供现场打印服务；LAN接口，10M/100M自适应，可支持UDP、TCP/IP等协议以及WebServer等网络服务。

由于仪器采用双嵌入式处理系统设计，为了使双嵌入式处理器能达到共享数据、协同工作的目的，必须为其设计数据与命令的交换通道。本仪器在FPGA内部专门设计了一个嵌入式理器之间的通信接口，该接口功能模块同时设计有ASB总线和AVALON总线接口电路，并对双处理器的共享存储空间分别实现了地址映射、命令译码等功能，使得双嵌入式处理器可以方便的完成数据与命令的共享。

参阅图2，对带有浮点放大功能的信号采集原理进行重点说明。传感器信号进入输入缓冲单元进行缓冲、整形后进入可变增益放大单元，该单元的放大倍数由浮点放大控制单元控制；放大后的信号经过零点和增益校准单元进行零点与增益的校准；再经过抗混滤波单元，滤除带外的高频信号，最后经过输出缓冲单元缓冲后分成两路输出，一路浮点放大控制单元实现浮点放大控制功能；另外一路进入数据采样A/D单元进行数字量化，形成数字量化值。由于采集系统得到的数据由放大倍数和A/D转换结果两部分组成，即所谓的“阶码”和“尾码”，因此，还需要将该数字量化值与浮点放大控制单元输出的放大倍数代码一起送入采集数据形成单元，合成最终的采集数据。

参阅图3，对浮点放大控制单元的原理作详细说明如下。输出缓冲单元输出的模拟信号，进入高速预采样A/D进行数字量化，量化后的数据首先进入数据比较单元与预先设置好的A/D最佳量化范围值进行比较，得出的结果送入数据分析单元进行分析。数据分析单元根据比较值的结果进行判断，确定当前增益是该增大或是减小，或者保持不变；不仅如此，对于需要改变增益的情况，数据分析单元还可以分析判断出应该增大或减小到具体的哪一个增益档位，然后将分析结果输出到增益控制码生成单元，生成最终的增益控制码，该控制码立即送到增益控制电路，控制可变增益放大单元改变当前增益，从而实现浮点放大的控制功能。同时，数据分析的结果还输出到放大倍数代码生成单元，在经过译码、同步等处理过程后，生成数据放大倍数代码输出。

下面重点介绍浮点放大功能的具体实现细节：

浮点放大的主要设计难点在于对预采样A/D量化后的教字信号进行比较、分析；一旦比较出结果，立即给出控制信号，同时，模拟电路也需要快速的响应。因为，所有的这一切工作都只能在A/D两次采样的间隔时间内完成，如果比较、分析过程消耗的时间太长，或是模拟电路响应速度太慢，都会使A/D转换的数据出现较大误差，甚至完全错误的数据，导致设计的失败。因此，整个系统对实时性要求很高。

在本设计中，模拟部分电路设计在沿用传统数据采集电路设计方法的基础上，充分考虑了实时浮点放大系统在响应时间、增益误差、零点抖动等方面的要求，通过对器件的选型、电路设计的修改、参数的调整等多种技术手段，最终满足了设计要求。

数据比较、数据分析、增益控制码生成等数字逻辑电路部分的设计，是本设计的最难点。本设计采用一片FPGA完成所有的逻辑功能。在FPGA设计中，采用了FPGA的自底向上的模块化设计思想，首先分析顶层模块的功能，再将其功能分类细化，分配到不同的子模块去实现，然后自底向上的先逐步完成各个子模块的设计，最后将子模块相互连接生成顶层模块。设计方法采用原理图输入与硬件描述语言结合的方式。下面分别对各个功能模块进行说明：

1、数据比较功能模块：引脚说明：SAMPLE_DATA——高速预采样数据输入；TRGDP1——预先设置的比较数据输入，固定设置为量程的1/2处，该设置值可通过软件改变，以方便调试。TRGDP2——预先设置的比较数据输入，固定设置为量程的-1/2处，该设置值可通过软件改变，以方便调试。EN——比较模块使能信号。软件可以通过该引脚使能/关闭比较模块的功能。CLK——同步时钟。在CLK上升沿到来时，内部逻辑锁存预采样数据，在下降沿时，进行比较，同时输出比较值。COM1_OUT——采样值与预设值1的比较结果输出。后级数据分析模块可以根据此比较值进行分析判断，选择最佳的增益档位。COM2_OUT——采样值与预设值2的比较结果输出。后级数据分析模块可以根据此比较值进行分析判断，选择最佳的增益档位。

2、数据分析功能模块：

该模块功能设计较为复杂，采用了多层次的设计。在顶层设计下，又向下分为了2层，同时，为了使模块的功能验证更加方便，在设计中增加了多个测试信号的输入输出引脚，虽然这些引脚在实际使用过程中不需要用到，但是对于模块的验证工作来说，却有相当重要的意义。

3、增益控制码生成模块：

引脚说明：GAIN_INDEX——增益原码输入

          GAIN_VALUE——增益控制码输出

该模块根据数据分析模块分析后输出的增益原码，进行固定格式转换后，得到外围增益控制电路能够识别的相应代码，部分VHDL代码如下：

参阅图4，以上就是整个浮点放大控制单元核心部分的设计，图4为设计过程中的硬件功能仿真波形：

从以上波形可以看出，浮点放大在两次采集的过程中动作，在采样时刻到来时前已经完成，增益稳定。每次采样后重复进行浮点放大的动作。

Claims (9)

1.智能振动监测系统，其特征在于，通过以下过程实现从模拟信号输入、浮点放大、A/D量化到数据存储的整个采集功能：

(一)收集测试现场产生的振动信号，由现场布置好的三向传感器进行拾取，同时转换为测振仪能采集到的电信号，该电信号经过测振仪的信号采集单元，在采集控制逻辑的控制下，转换成为计算机可识别的数字信号；

(二)信号采集单元设计，实现带浮点放大功能的基本电路。在此过程中，浮点放大控制逻辑对信号进行比较分析，不断的对信号采集单元发出增益控制代码，使信号采集单元始终以最适合的放大倍数对信号进行放大并完成数字量化；

(三)带浮点放大功能的信号采集实现后，对数字量化后的数据进行有效的存储，采用用FPGA内嵌的NIOS处理器和FPGA内部设计的SDHC存储管理逻辑共同完成SDHC卡的读写操作。

2.如权利要求1所述的智能振动监测系统，其特征在于，所述的自适应浮点放大技术，是在数据采集的过程中，预先自动根据输入信号的大小来动态调整放大倍数，从而保证正确可靠的测量数据。

3.如权利要求1所述的智能振动监测系统，其特征在于，在上述过程中要有数据比较功能，通过比较电路，输出能控制可变增益放大器的控制码，从而及时的改变可变增益放大器的增益。

4.如权利要求1所述的智能振动监测系统，其特征在于，在每次采样和模数转换前预先知道输入信号的幅度，以达到在每次采样时刻到来前，用最适合的增益对信号进行放大的目的。

5.如权利要求1所述的智能振动监测系统，其特征在于，利用基于ARM9内核的嵌入式处理器通过自带的触摸式彩色液晶屏可实时的显示采集状态等信息，并在采集完成后，通过自带的SDHC接口从SDHC卡中获取采集数据，进行波形显示与数据分析。

6.如权利要求5所述的智能振动监测系统，其特征在于，通过触摸式彩色液晶操作界面，还可以对各项参数进行设置，对采集过程进行控制。

7.如权利要求1所述的智能振动监测系统，其特征在于，FPGA内部专门设计了一个嵌入式理器之间的通信接口，该接口功能模块同时设计有ASB总线和AVALON总线接口电路，并对双处理器的共享存储空间分别实现了地址映射、命令译码等功能，使得双嵌入式处理器可以方便的完成数据与命令的共享。

8.如权利要求1所述的智能振动监测系统，其特征在于，传感器信号进入输入缓冲单元进行缓冲、整形后进入可变增益放大单元，该单元的放大倍数由浮点放大控制单元控制；放大后的信号经过零点和增益校准单元进行零点与增益的校准；再经过抗混滤波单元，滤除带外的高频信号，最后经过输出缓冲单元缓冲后分成两路输出，一路浮点放大控制单元实现浮点放大控制功能；另外一路进入数据采样A/D单元进行数字量化，形成数字量化值。

9.如权利要求1所述的智能振动监测系统，其特征在于，浮点放大在于对预采样A/D量化后的数字信号进行比较、分析；一旦比较出结果，立即给出控制信号，同时，模拟电路也需要快速的响应。

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