CN102445661B

CN102445661B - 基于声发射及振动特征的可重构双通道航空发电机原位故障诊断仪

Info

Publication number: CN102445661B
Application number: CN 201110312891
Authority: CN
Inventors: 郑红; 刘�东; 周雷; 李钊
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: CN102445661A

Abstract

本发明公开了一种基于声发射及振动特征的可重构双通道航空发电机原位故障诊断仪，该原位故障诊断仪(A)采用声发射信号、振动信号、视频信号作为航空电机故障的多源诊断信息源，有效地增加了仪器对航空电机进行故障诊断的准确性；(B)采用模拟数字混合的多路相互独立的信号调理方式对多通道采集的数据信息进行多级程控放大、抗混淆滤波，有效地调整了对输入信号的检测灵敏度；(C)采用ARM处理器运行嵌入式Linux操作系统，以及运行C语言和ARM汇编语言的混合编程方式；DSP处理器运行C语言和DSP汇编语言的混合编程方式；实现了多CPU并行处理的高速、高性能便携式仪器的技术要求；(D)采用视窗与鼠标结合的可重构人机界面，提高了便携式仪器的可操作性、可重构性，为通用便携式仪器的柔性人机接口提供了技术支持。

Description

基于声发射及振动特征的可重构双通道航空发电机原位故障诊断仪

技术领域

本发明涉及一种适用于航空发电机故障诊断的测量器具，更特别地说，是指一种基于发射信号、振动信号、视频信号融合的、能够对航空发电机传动机构进行原位故障探测、定位及原因分析的便携式智能诊断仪器。

背景技术

航空发电机是飞行器的动力来源，是保证飞行安全的核心设备，因此，其故障的诊断与预测一直是飞机设计、制造、维护所面临的重大挑战之一。原位诊断是指不需要拆卸零部件而直接进行故障诊断的一种工作方式，针对航空发电机的便携式、非接触、高性能、原位故障诊断设备与仪器的研制具有重要的现实意义。对于便携式原位航空发电机故障诊断仪，从技术角度而言，考虑硬件的体积、成本、重量等物理因素，必不可少的环节是硬件结构的可重构性；在硬件资源有限的情况下，考虑软件的功能、效率，必须面对的问题是软件结构的可重构性，包括诊断推理机制、在线性能评估、紧凑知识库构建的实时实现。这些都是便携式原位航空发电机故障诊断仪器值得探讨和研究的问题。

发明内容

为了进行航空发电机传动机构的原位故障探测、定位及原因分析，本发明提供一种基于声发射及振动特征的可重构双通道便携式航空发电机原位故障诊断仪。该诊断仪以双核处理器(ARM核+DSP核)为核心，具有可重构传感器组合，可选择分析诊断模式，可变通人机界面，可预测设备健康状态、可原位检测、可在线数据存储等功能，是一种高性能、多功能、低功耗、小体积的便携式航空发电机智能故障诊断仪器。

本发明原位故障诊断仪采用如下技术方案(A)采用输入信号可重构/可选择的双/单通道，对声发射信号及振动信号进行实时采集，采集的信号内容可以根据诊断要求进行重组，重组内容为：(1)两路声发射信号；(2)两路振动信号；(3)一路声发射信号和一路振动信号；(4)一路振动信号与一路声发射信号；(B)采用两路可选择相互独立的信号调理方式对双通道采集的数据信息进行多级程控放大、带宽自调整抗混淆滤波，有效地自动调整不同输入信号的检测灵敏度；(C)采用双核OMAP5912处理器，其中ARM运行嵌入式Linux操作系统，采用C语言和ARM汇编语言的混合编程方式；DSP采用C语言和DSP汇编语言的混合编程方式；实现了双CPU并行处理的高速、高性能便携式仪器的技术要求；(D)提出有限空间循环的无限存储策略，实现故障诊断过程的自动频带调整，提高了诊断的准确性和智能性；(E)采用“视窗”人机界面，提高了仪器的可操作性、可重构性，为通用便携式仪器的柔性人机接口提供了技术支持。

在本发明中，硬件电路由可重构程控信号调理电路、可重组声发射/振动输入诊断信息、双核CPU处理器、动态低功耗电源管理电路、可扩展外部传输接口电路组成。其中，①信号调理电路由软件控制的电子开关分别调节两路运放的放大倍数，通过判断输入信号(声发射或振动)信号的峰值来实时调整信号放大倍数，放大范围可由设计要求确定，以保证检测结果的精度；②通过设置给定的输入信号形式，如声发射或振动加速度(可以扩展为任意单双路以模拟电压为输入的传感器接口)，根据输入设置，仪器自动调整抗混淆滤波器带宽以及模数转换的采样频率，因为一般声发射信号的频率远远高于机械设备振动频率，所以，不同的信号形式具有不同的带宽，因此，分别处理提高了仪器的可配置性及可扩展性；③外部传输接口电路的设计实现了本发明诊断仪可以通过以太网、USB、SD卡进行数据传输和存储；④采用低功耗动态组合电源管理电路，分别实现待机低功耗和工作低功耗，电路布局紧凑。

本发明基于声发射及振动特征的可重构双通道便携式航空发电机原位故障诊断仪的优点：该诊断仪采用基于声发射和振动信号可重组、可选择的输入信息组合方式，增加了诊断信息量及信息的可选择性；仪器采用双核处理器结构的软硬件结合设计方案，将硬件电路软件化，包括高性能带宽可调整数字滤波器算法、有限空间循环无限存储模式的诊断频率自动调整、高性能一次、二次数字积分算法、专家诊断模块算法、柔性可重构人机界面管理程序等，在简化硬件电路的同时实现了体积小，重量轻、低功耗、低成本、高性能的智能数字化仪表电路设计，保证了本发明仪器可以进行航空发电机的原位故障诊断，并可以通过空载运转或手摇驱动进行发动机轴承等旋转设备的故障诊断。

附图说明

图1是本发明可重构双通道航空发电机原位故障诊断仪的结构框图。

图2是本发明多源信息检测单元进行双通道处理的结构框图。

图3是本发明基于频率自选的信号重构模块的处理流程图。

图4是本发明可重构双通道航空发电机原位故障诊断仪的外部结构示意图。

图4A是本发明人机界面中显示的操作菜单示意图。

图4B是本发明测量设置的界面示意图。

图4C是本发明双通道测量时的界面示意图。

图5A是本发明原位故障诊断仪的A通道信号调理电路原理图。

图5B是本发明原位故障诊断仪的B通道信号调理电路原理图。

图5C是本发明原位故障诊断仪的A通道、B通道的数模转换电路原理图。

图6A是本发明原位故障诊断仪的双核处理器与键盘、显示屏、存储器之间常规电路管脚的连接框图。

图6B是本发明原位故障诊断仪的DSP核通讯接口电路原理图。

图6C是本发明原位故障诊断仪的DSP核外部配置电路原理图。

图6D是本发明原位故障诊断仪的DSP核供电电路原理图。

图7是网络接口电路原理图。

图8是计时芯片电路。

图9是USB接口电路原理图。

图10A是电源管理电路原理图。

图10B是DSP核供电电源芯片电路。

图10C是RAM核供电电源芯片电路。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图4所示，本发明是一种基于声发射及振动特征的可重构双通道便携式航空发电机原位故障诊断仪，该原位故障诊断仪包括有双核处理器单元、多源信息检测单元和视窗与鼠标结合的人机界面单元；其中多源信息检测单元包括有程控放大器100、电子开关400、带宽自调整抗混淆滤波器200和程控采样频率转换器300；其中双核处理器单元中采用ARM核处理器和DSP核处理器。ARM核处理器中存储有采用C语言和ARM汇编语言的混合编程方式得到的信号重构选择模块。DSP核处理器中存储有采用C语言和DSP汇编语言的混合编程方式得到的信号检测及处理。

为了实现便携式、易操作等特点，本发明原位故障诊断仪的外观布局如图4所示，在原位故障诊断仪的正视板面上设有人机界面10、右侧设有轨迹球11(或称鼠标)、左侧设有多功能按键(第一按键21、第二按键22、第三按键23、第四按键24)；在原位故障诊断仪的俯视板面上设有通道接口(A通道13和B通道14)；在原位故障诊断仪的背部板面上设有摄像头12，该摄像头12用于采集视屏信息。在本发明中，原位故障诊断仪除设有上述界面、按键等，还有充电接口、USB接口等一些常规配置。

(一)程控放大器100

程控放大器100第一方面对接收到的敏感源信号F_in进行幅值提取，得到敏感源信号幅值f_in；第二方面通过电子开关400输出的频率放大倍数值K400来调节程控放大器100中的运算放大倍数；第三方面依据放大倍数数值K400对敏感源信号幅值f_in进行敏感度归一化，获得归一化的信号幅值D100输出；所述电子开关400输出的频率放大倍数值K400受控于DSP核处理器输出的频率倍数调节指令F100；

在本发明中，程控放大器100采用放大倍数自动调整的方式，保证了敏感源信号F_in的输入一致性。

在本发明中，敏感度归一化的处理是以第一阈值f₀₁、第二阈值f₀₂与敏感源信号幅值f_in进行放大倍数判断得到；即设第一阈值f₀₁＝0.5、第二阈值f₀₂＝1.5作为判断范围，若0≤f_in≤f₀₁时，则D100放大倍数为100倍；若f₀₁＜f_in≤f₀₂时，则D100放大倍数为10倍；若f₀₂＜f_in≤2时，则D100放大倍数为1倍。

在本发明中，敏感源信号F_in可以是由振动加速度传感器获取的振动加速度信号F_振动，也可以是由声发射接收器获取的声发射信号F_声。参见图2所示，第一传感器可以选取振动加速度传感器，第二传感器可以选取声发射接收器进行组合；也可以第一传感器与第二传感器选取相同类型的传感器；采取这样的双通道进行传感输入信息采集，能够提高对航空电机故障诊断的准确性。

(二)带宽自调整抗混淆滤波器200

带宽自调整抗混淆滤波器200第一方面接收归一化的信号幅值D100；第二方面通过电子开关400输出的滤波带宽倍数K200来调整带宽自调整抗混淆滤波器200的带宽倍数；第三方面依据滤波带宽倍数K200对信号幅值D100进行滤除高频率干扰信号处理，获得滤除频率混叠信号D200输出；所述电子开关400输出的滤波带宽倍数K200受控于DSP核处理器输出的滤波截止频率指令F200。

在本发明中，带宽自调整抗混淆滤波器200进行的滤除高频率干扰信号的处理，是为了防止滤波器采样过程中出现频率混叠的信号存在。

在本发明中，滤波截止频率F200根据敏感源信号F_in的类型不同(即传感器类型不同)，选择不同的截止频率。一般振动加速度传感器选取的振动加速度信号的截止频率小于10kHz，声发射接收器选取的声发射信号的截止频率为20～150kHz。

(三)程控采样频率转换器300

程控采样频率转换器300依据DSP核处理器输出的采样频率调节指令F300对滤除频率混叠信号D200进行转换处理，获得满足不同敏感源信号类型的数字采样信号D300输出。

该数字采样信号D300经DSP核处理器传输给ARM核处理器中进行基于频率自选的信号重构的处理，从而实现了故障的诊断。在本发明中采用双核OMAP5912处理器，其中ARM运行嵌入式Linux操作系统，采用C语言和ARM汇编语言的混合编程方式；DSP采用C语言和DSP汇编语言的混合编程方式；实现了双CPU并行处理的高速、高性能便携式仪器的技术要求；提出有限空间循环的无限存储策略，实现故障诊断过程的自动频带调整，提高了诊断的准确性和智能性。

(四)电子开关400

电子开关400第一方面接收DSP核处理器输出的频率倍数调节指令F400；第二方面接收DSP核处理器输出的滤波截止频率指令F200；第三方面依据频率倍数调节指令F400产生用于调节程控放大器100的放大倍数K400，而程控放大器100会依据该放大倍数K400进行调整输出的幅值；第四方面依据滤波截止频率指令F200产生用于调节带宽自调整抗混淆滤波器200的滤波带宽倍数K200，而带宽自调整抗混淆滤波器200会依据滤波带宽倍数K200进行调整输出的滤波后信号。

(五)基于频率自选的信号重构模块

在本发明中，DSP核处理器能够将获得的数字采样信号D300传输给ARM核处理器。数字采样信号D300在ARM核处理器中进行的信号重构处理如图3、图4、图4A、图4B、图4C所示。

基于频率自选的信号重构选择包括有下列处理步骤：

(A)对接收到的数字采样信号D300进行峰值统计，寻找出峰值个数N；

(B)由于信号具有周期性，从所述峰值个数N中寻找出每个峰的最大幅值，即第一个峰的最大幅值记为

第二个峰的最大幅值记为

……，第n个峰的最大幅值记为

也称为任意一个峰的最大幅值；峰值个数N中所有峰的最大幅值采用数学集合形式表达为

FN = {N_{\max}^{1}, N_{\max}^{2}, . . ., N_{\max}^{n}, . . .}

(C)由于信号具有周期性，所述的最大峰值幅值概率分布记为

(D)判断最大峰值幅值概率

是否为单峰；若为单峰，则频率倍数调整方式为：

①峰值个数是否在1000＞N≥100范围里，是，则对调理倍数指令f进行满足敏感源信号采集频率F0的10倍调节，即f＝10×F0；

②峰值个数不在1000＞N≥100范围里，先判断峰值个数是否在100＞N≥10范围里，是，则调理倍数指令f与敏感源信号采集频率F0相同，即f＝F0；

③峰值个数不在100＞N≥10范围里，先判断峰值个数是否在10＞N≥1范围里，是，则调理倍数指令f进行满足敏感源信号采集频率F0的

倍调节，即

④峰值个数不在10＞N≥1范围里，先判断峰值个数是否在1＞N≥0.1范围里，是，则调理倍数指令f进行满足敏感源信号采集频率F0的

倍调节，即

在本发明中，调理倍数指令f可以是频率倍数调节指令F100、滤波截止频率F200或者是采样频率调节指令F300。而F0表示的是敏感源信号F_in的频率，也称为敏感源频率。利用调理倍数指令f与敏感源频率F0的倍数调理关系，使得故障诊断仪对不同类型传感器采集信息的利用，同时也实现了双通道信息的融合处理。提高了故障诊断仪对故障诊断的的稳定性、可靠性。

(E)当最大峰值幅值概率

不为单峰时；则对

进行单调增处理或单调减处理；对单调增处理后的

顺次进行的频率倍数调整方式为：

倍调节，即

倍调节，即

(F)当最大峰值幅值概率

不为单峰时；则对

进行单调增处理或单调减处理；对单调减处理后的进行峰值个数是否在1＞N≥0.1范围里，是，则调理倍数指令f进行满足敏感源信号采集频率F0的

倍调节，即

参见图1、图2所示，本发明在进行双通道振动故障诊断时，采用两路多源信息检测单元；其中，程控开关400调节放大倍数，处理器通过判断振动信号的峰值来实时修改放大倍数(一倍或者十倍)；外部传输接口电路的设计实现了本发明诊断仪可以通过以太网、USB数据传输和存储；电源管理电路采用了低功耗设计，使得电路布局紧凑。在本发明中，可以利用压电式加速度传感器，把振动信号转换成电信号，经过A通道、B通道进入信号调理，信号调理对接收的两路信号分别进行放大、抗混淆滤波、A/D转换后输出给双核DSP处理器，双核DSP处理器对接收的两路信号经过带通滤波模块、数字积分模块处理，分别由加速度信号产生速度信号和位移信号，而后实时同时显示两路的加速度、速度、位移三个振动物理量。同时，通过FFT以及频谱细化算法，动态显示三个振动物理量的实时频谱图，并可存储相应的测量值及频谱图，而且可经通过嵌入式专家系统模块诊断设备故障，并给出故障排除策略。

参见图4、图4A、图4B、图4C所示，本发明故障诊断仪通过界面与按键的配合实现了便携与外形设计小巧的结合，其正视面板上设有第一按键21、第二按键22、第三按键23、第四按键24(这四个按键可以是图形界面左列对应菜单操作的快捷键等，以第一按键21为例，在测量模块下，图形界面左列菜单对应此键的操作为显示方式，按下此键，界面就会切换显示模式为数据显示或图形显示)、显示屏10、轨迹球(JOGBALL)11；侧板面上设有与传感器连接的A通道接口13和B通道接口14。采集的信号内容可以根据诊断要求进行重组，重组内容为：(1)两路声发射信号；(2)两路振动信号；(3)一路声发射信号和一路振动信号；(4)一路振动信号与一路声发射信号，为有效地进行故障诊断提供更多的信息来源；显示屏10内设有的“图形界面”包括测量模块、系统设置模块、测量设置模块、数据管理模块、系统信息模块和专家系统模块(即故障诊断专家模块)。各个模块实现的功能如下所述：

(A)测量模块

该模块主要是完成现场对传感器采集信号的测试、分析。先根据被测设备检测点编号，测量所在编号的振动信息，可以对两个检测点进行同时测量(A通道、B通道即壳体俯视面板上的A通道接口13、B通道接口14)。振动信号通过压电式加速度传感器转化为电信号，再通过信号调理电路变换为具有一定幅值、一定带宽的标准电压信号，对标准电压信号进行模数转换进入双核处理器中，通过IIR滤波后对信号积分，实时分析振动信号的加速度a、速度v、位移d，同时进行实时FFT分析得到振动信号的频率f₁，ZFFT算法可实现现场的频谱细化分析，获得细化后频率f_Z。

(B)系统设置模块

该模块主要是完成对系统基本参数的设置。如中文、英文选择，定时关机选择，显示屏的亮度调节，时间设定等。

(C)测量设置模块

该模块主要是依据“被测设备要求的测量参数范围”来完成对测量模块的功能设置。“测量参数”包括有不同设备不同频带f_n下的采样率f_p以及对应的检测点编号。

(D)数据管理模块

该模块主要是完成双核处理器对数据的管理。通过USB接口可将存储下来的数据存储到U盘方便后期的离线分析，存储的信息包括振动信号的加速度a、速度v、位移d和频率F以及原始振动信号数据(A路放大电路和B路放大电路接收的振动信号)。

(E)系统信息模块

该模块主要是显示该设备的软件版本相关信息等。

(F)专家诊断模块

该模块主要是由专家诊断算法实现振动信号的故障诊断。通过原始数据(A路放大电路和B路放大电路接收的正弦信号)的输入，以及相应振动源(如电机产生的)的参数的输入，通过专家系统(故障诊断专家模块)的分析来得出振动源的工作情况。本专家诊断模块采用产生式描述规则，以及正向链策略，进行推理诊断。此专家系统模块是一个可扩充的故障诊断专家系统，通过对原始数据的不断积累和专家的分析，将先前未能考虑到的故障原因加入专家系统中，不断的丰富专家库，完善专家系统，提高本专家系统诊断准确度。

参见图1所示，本发明测量控制系统在双核处理器OMAP5912的ARM核和DSP核中运行，其中ARM核运行嵌入式Linux操作系统，编程语言为C语言和ARM汇编语言；DSP核运行C语言和DSP汇编语言。ARM核完成管理功能，DSP核完成信号检测分析功能。

ARM核运行的软件程序包括：图形界面程序、设备驱动程序、专家系统分析程序、双核通讯程序(DSP/BIOS LINK)、系统管理调度程序。

DSP核运行的软件程序包括：数据采集程序、数字信号预处理程序、信号分析程序、双核通讯程序(DSP/BIOS LINK)。

在系统启动后，通过轨迹球11控制显示屏10上的鼠标位置，选择执行显示屏10中的各个模块，根据用户需求进行数据采集、处理、分析、输出等操作，在是否有采集命令的条件下，运行ARM核发送单元向DSP核接收单元发送命令。DSP核运行数据采集单元，对振动信号进行A/D采集。信号采集后，DSP核运行数字信号预处理单元，对数字信号进行预处理，所述预处理采用满足8阶的直接I型IIR滤波；预处理操作结束后，DSP核运行信号分析单元，得到振动信号的加速度a、速度v、位移d、频率f₁和细化频率f_z信息，速度v信号通过对加速度a信号进行梯型数字积分得到，位移d信号通过对速度v信号进行梯型数字积分得到，频率F通过快速傅立叶算法得到，细化频率f_z通过复调制ZOOMFFT算法得到。

参见图5A、图5B、图5C、图6A、图6B、图6C、图6D、图7、图8、图9、图10A、图10B、图10C所示，下面针对本发明的硬件电路设计进行详细说明：

本发明双核处理器采用美国TI公司生产的型号为OMAP5912芯片，该双核处理器共有289个端子。参见图6A所示其相应的端子分别键盘、显示器、RAM、FLASH连接(常规连接，故在本发明中不对各管脚作详细说明)。外部连接的键盘和显示器为实现人机对话工具，操作者可以按动振动故障诊断仪面板上的“功能键”和“JOGBALL”球，可将要完成的功能通知“图形界面”(图4A所示)，通过显示器做出响应。通过RS232通用接口、网络接口、串行接口可使振动故障诊断仪和计算机(PC机)或者打印机等外部设备的相连，便于对数据进行后续的处理。外扩的64K RAM存储器用作程序区，扩展串行IIC协议FLASH芯片存储数据。在本发明的硬件电路中，除了常规管脚的联接未公开外，其余各管脚的联接请参见下面的详细说明。

(一)信号调理电路单元

参见图5A所示，A传感器输出的信息经A通道接口J 1的1脚进入信号调理电路中，A通道接口J1的4脚接AGND，3脚接A3.3V，1脚经电容C4与放大器U1A的3脚联接；放大器U1A的3脚与电容C4之间经电阻R1后接A3.3V，放大器U1A的3脚与电容C4之间经电阻R3后接AGND。

放大器U1A的2脚顺次经电阻R6、电容C6后联接到AGND，2脚与1脚串联有程控开关U2A；4脚接AGND；8脚经电感L1后接A3.3V，电感L1的1脚经电容C3后接AGND，电感L1的2脚经电容C1后接AGND；的1脚顺次经电容C5、电阻R2与放大器U1B的6脚联接。

放大器U1B的5脚经电阻R7接A3.3V，且5脚经电阻R8接AGND；6脚与7脚之间串联有电位计R11；7脚顺次经电阻R9、电容C9后与抗混淆滤波器U3的2脚联接，且电阻R9与电容C9之间经电容C10后接AGND。

抗混淆滤波器U3的4脚与7脚联接，且通过电感L2接A3.3V，电感L2的1脚经电容C8后接AGND，电感L2的2脚经电容C7后接AGND；1脚经电容C 12后接AGND；6脚经电容C14后接AGND；8脚经电容C13后接AGND；3脚接AGND；5脚顺次经电阻R10、电容C11后接AGND，且5脚与数模转换芯片U8的6脚联接。

稳压芯片U4的1脚接A3.3V，3脚接AGND，2脚接分压电路后与抗混淆滤波器U3的6脚联接。分压电路是在A3.3V与AGND之间串联电阻R12、电阻R13构成。

参见图5B所示，B传感器输出的信息经B通道接口J2的1脚进入信号调理电路中，B通道接口J2的4脚接AGND，3脚接A3.3V，1脚经电容C18与放大器U5A的3脚联接；放大器U5A的3脚与电容C18之间经电阻R14后接A3.3V，放大器U5A的3脚与电容C18之间经电阻R16后接AGND。

放大器U5A的2脚顺次经电阻R19、电容C20后联接到AGND，2脚与1脚串联有程控开关U2B；4脚接AGND；8脚经电感L3后接A3.3V，电感L3的1脚经电容C17后接AGND，电感L3的2脚经电容C15后接AGND；的1脚顺次经电容C19、电阻R15与放大器U5B的6脚联接。

放大器U5B的5脚经电阻R20接A3.3V，且5脚经电阻R21接AGND；6脚与7脚之间串联有电位计R24；7脚顺次经电阻R22、电容C23后与抗混淆滤波器U6的2脚联接，且电阻R22与电容C23之间经电容C24后接AGND。

抗混淆滤波器U6的4脚与7脚联接，且通过电感L4接A3.3V，电感L4的1脚经电容C22后接AGND，电感L4的2脚经电容C21后接AGND；1脚经电容C26后接AGND；6脚经电容C28后接AGND；8脚经电容C27后接AGND；3脚接AGND；5脚顺次经电阻R23、电容C25后接AGND，且5脚与数模转换芯片U8的7脚联接。

稳压芯片U7的1脚接A3.3V，3脚接AGND，2脚接分压电路后与抗混淆滤波器U6的6脚联接。分压电路是在A3.3V与AGND之间串联电阻R25、电阻R26构成。

在本发明中，程控开关芯片分为三部分，即第一部分程控开关U2A、第二部分程控开关U2B和第三部分程控开关U2C。串联在放大器U1A的1脚与2脚之间的第一部分程控开关U2A，其4脚与放大器U1A的2脚联接，3脚经电阻R5后与放大器U1A的1脚联接，5脚经电阻R4后与放大器U1A的1脚联接；串联在放大器U5A的1脚与2脚之间的第二部分程控开关U2B，其14脚与放大器U5A的2脚联接，13脚经电阻R18后与放大器U5A的1脚联接，12脚经电阻R17后与放大器U5A的1脚联接；第三部分程控开关U2C的16脚经电感L6后接A3.3V，电感L6的1脚经电容C34后接AGND，电感L6的2脚经电容C33后接AGND；6脚、7脚、8脚、10脚接AGND；9脚与处理器U1C的M17脚联接；11脚与处理器U1C的L13脚联接。

参见图5C所示，数模转换电路U8的9脚经电阻R27后与电源芯片U10的42脚联接，且9脚经电阻R28后接GND；5脚经电感L5后接A3.3V，电感L5的1脚经电容C29后接AGND，电感L5的2脚经电容C30后接AGND；11脚接AGND；15脚与14脚之间串联有电容C31、电容C32，且14脚接AGND；10脚经电阻R31接A3.3V；12脚经电阻R30接A3.3V；16脚经电阻R29接AGND；13脚、3脚、2脚、1脚与处理器U 1B的N6脚、U5脚、T5脚、L8脚联接。稳压芯片U9的1脚接A3.3V；3脚接AGND；2脚与数模转换电路U8的15脚联接。

在本发明中，为了方便进行说明处理器与各芯片的联接关系，将处理器分为了多个模块进行说明，其中是U1A表示处理器与键盘、显示屏、RAM、FLASH的常规联接(各管脚在本发明中不作详细说明)；U1B表示实现与处理器的通讯管脚部分；U1C表示处理器的外部配置电路；U1D表示处理器的供电电路部分。

参见图6A所示，处理器U1A的KB.＊＊的11个管脚分别与键盘联接，LCD.＊＊的20个管脚分别与显示屏联接，16条数据线、14条地址线、10条控制线分别与RAM存储器联接，16条数据线、25条地址线、12条控制线分别与FLASH存储器联接。

参见图6B所示，处理器U1B的M11脚经电阻R67后接VDD_3V3；P16脚经电阻R68后接VDD_3V3；K15脚与显示屏联接；U5脚与U6脚之间串联有电阻R69；N6脚与R5脚之间串联有电阻R70；T5脚与L8脚之间串联有电阻R71。

参见图6C所示，处理器的外部配置电路U1C的R2脚与P2脚接无源晶振电路；T11脚接有源晶振电路；U11脚与U10脚接无源晶振电路后与处理器U1D的H8脚联接，且U11脚经电阻R73后接VDD_3V3，U 10脚经电阻R74后接GND；N8脚经电阻R75后联接在电源管理芯片U10的33脚上，且N8脚经电阻R77后联接在电源管理芯片U10的32脚上，且N8脚经电阻R79后接VDD_3V3；P10脚经电阻R80接VDD_3V3；N14脚经电阻R76后联接在电源管理芯片U10的33脚上，且N14脚经电阻R78后联接在电源管理芯片U10的32脚上，且N14脚经电阻R81后接VDD_3V3；R9脚经电阻R82后接GND；R14脚经电阻R83后接GND；H14脚经电阻R84后接VDD_3V3；M15脚经电阻R85后接GND；L17脚与路线接口J3的2脚联接；L12脚、R6脚、M14脚与显示屏联接；路线接口J3的3脚经电阻R86后接VDD_3V3，1脚经电阻R87后接GND。

参见图6D所示，处理器的供电电路U 1D的K5脚、M7脚、T16脚、C11脚、T3脚、G8脚、G9脚、H7脚接VDD_CORE；L9脚经电阻R89后接VDD_CORE；J10脚、K11脚、H11脚、G10脚接VDD_DSP；C14脚、G12脚、T6脚、B1脚、L3脚、G1脚、T10脚、T13脚、J15脚、M13脚、R10脚接VDD_3V3；U2脚经电阻R90后接VDD_3V3；D11脚、D8脚、D6脚、D7脚接VDD_SDRAM；H1脚经电容C94后接GND；E5脚、E13脚、F6脚、F12脚、G7脚、G11脚、H9脚、H10脚、J9脚、K8脚、K9脚、K10脚、L7脚、L11脚、M6脚、M12脚、N5脚、N13脚接GND；H8脚经电阻R88接GND；

参见图7所示，网络接口P4的1脚、2脚、4脚与处理器U1B的T12脚、U13脚、N17脚联接，3脚、47脚、48脚接GND，49脚、50脚接VDD_3V3，5～45脚与FLASH存储器联接。

参见图8所示，计时芯片U14的1脚与2脚接无源晶振电路，4脚接GND，8脚接DC，7脚经电阻R58后接VDD_3V3，6脚、5脚与处理器U1B的P16脚、M11联接。

参见图9所示，USB电源芯片U17的8脚与6脚之间串接有电感L11，且8脚接VDD_3V3，且经电容C56后接GND；1脚、3脚、5脚、2脚接GND；4脚与电源管理芯片U10的26脚联接，且经电阻R63接VDD_3V3；7脚与电源开关芯片U15的3脚联接，7脚与GND之间并联有电解电容C57、滤波电容C58。开关芯片U15的1脚接GND；5脚与处理器U 1C的U7脚联接，且经电阻R62后接VDD_3V3；4脚与电源管理芯片U10的26脚联接；3脚、2脚与6脚、7脚、8脚之间串接有电阻R66，6脚、7脚、8脚经电容C59后接GND，且6脚、7脚、8脚与USB接口P1的1脚联接；

USB抗干扰芯片U16的1脚、3脚、5脚、7脚接GND；6脚经电阻R64后接GND，且6脚经电阻R60后与处理器U1B的U1脚联接，6脚与USB接口P1的2脚联接；8脚经电阻R65后接GND，且8脚经电阻R61后与处理器U1B的T2脚联接，8脚经电阻R59后与处理器U1B的P4脚联接，且8脚与USB接口P1的3脚联接；USB接口P1的4脚、5脚、6脚接GND。

参见图10A所示，电源处理芯片U10的40脚经电容C40后接GND，且联接在电阻R32的2脚；37脚经电阻R41后接GND；1脚、12脚接DC；14脚、28脚接GND；30脚、29脚与处理器U1B的P16脚、M 11脚联接；36脚、32脚、33脚、35脚与处理器U1C的N16脚、N8脚、N14脚、N15脚联接，其中36脚经电阻R34后接GND，35脚经电阻R36后接VDD_3V3；31脚经开关S1接GND；39脚经电阻R35后接DC；25脚顺次经电阻R50、发光二极管D3后接VDD_3V3；18脚与网络接口P4的46脚联接，且18脚经电阻R37后接VDD_3V3；2脚顺次经电阻R51、发光二极管D4后接VDD_3V3；21脚、44脚、45脚、46脚、16脚、15脚接GND；20脚顺次经电阻R49、电感L9后接A3.3V，电阻R49的1脚经电容C48后接GND，电阻R49的2脚联接在电源芯片U11的5脚，电感L9的2脚经电容C49后接GND；19脚经电阻R48后接DC，且19脚经电容C46后接GND；24脚经电阻R45后接VDD_DLL，且24脚经电容C47后接GND，且24脚顺次经电阻R46、电阻R47后接GND；23脚联接在电阻R46、电阻R47之间；22脚经电容C45后接GND，且22脚经电阻R44后接VDD_3V3；48脚联接在电感L8的2脚上；4脚顺次经电感L8、电阻R43后接VDD_CORE，电感L8与电阻R43之间经电容C44接GND；5脚、7脚、8脚接DC，且5脚、7脚、8脚经电容C42接GND；13脚联接在电感L7的2脚上；9脚顺次经电感L7、电阻R42后接VDD_3V3，电感L7与电阻R42之间经电容C43接GND，10脚与9脚联接；6脚经电阻R59接DC，6脚经电容C41接GND，6脚经电阻R100接DC；11脚顺次经电阻电阻R38、发光二极管D2后接DC，42脚与41脚联接，且与电池接口P2的2脚联接，且经电阻R39后接DC；38脚经电阻R40后接GND；电池接口P2的1脚接GND。

在本发明中，外部电源接口P3接入5V直流稳压电源，3脚、2脚接GND；1脚经电容C35后接GND，且1脚经二极管D1后接GND，且1脚顺次经电阻R32、电阻R33后接DC。

在本发明中，电源芯片U11的5脚经电容C39后接GND，5脚与4之间串联有电容C38；1脚接DC，2脚接GND，且1脚与2脚之间串联有电容C37；3脚与处理器U1C的M16脚联接。

参见图10B所示，DSP核供电电源芯片U12的4脚接VDD_CORE；5脚经电阻R53后接VDD_3V3，且与电源管理芯片U10的17脚联接；6脚经电阻R54后接VDD_CORE；1脚经电阻R55后接GND；3脚与2脚联接，且经电容C50后接GND，经电阻R52后接VDD_DSP。

参见图10C所示，SDRAM供电电源芯片U13的1脚、2脚、3脚接VDD_3V3，且经电容C51后接GND；4脚、6脚、9脚、10脚接GND，8脚与7脚联接，8脚顺次经电感L10、电阻R99后接VDD_SDRAM，电感L10与电阻R99经电容C51后接GND；5脚与电感L10的2脚之间串联有由电阻R56与电容C52构成的并联电路，5脚与GND之间串联有由电阻R57与电容C53构成的并联电路。

下面针对本发明内嵌在双核处理器中的软件设计进行说明：

本发明基于频率自选的信号重构软件在ARM核处理器中运行，ARM核处理器运行嵌入式Linux操作系统，以及运行C语言和ARM汇编语言的混合编程方式。

本发明的基于频率自选的信号重构软件由监控程序、中断程序、测量程序，数据处理程序组成。

监控程序是智能仪器软件的主线，它调用各模块，并将它们联系起来，形成一个有机的整体，从而实现对仪器的全部管理功能。其程序的主要功能如下：

(1)管理键盘和显示器，实现菜单操作，按仪器的键入命令调用相应的服务程序。

(2)接收输入输出接口、内部电路等发出的中断请求信号，按中断优先级的顺序转入相应的服务程序，进行实时测量、控制或处理。

(3)实现仪器的初始化，手动自动控制等。

作为一个智能仪器，用户对它的操作主要通过菜单完成，菜单模式设计如图4A、图4B所示，这个友好的菜单界面使得用户能够方便的完成仪表的各种使用参数的设置，并且简单快速地使用该仪表。

测量控制程序完成测量以及测量过程的控制任务，如采样、A/D转换，输出限幅、越限报警、可程控放大器增益控制等。这些功能可以由若干个程序模块实现，供监测程序或中断服务程序调用。

数据处理程序包括各种数值运算(算术运算、逻辑运算和各种函数运算)，非数值运算(如查表、排序和插入等)和数据处理(数字滤波和标度变换等)程序。

中断处理程序处理各种服务请求，有时调用测量控制程序或数据处理程序。

主程序即监控程序通过液晶显示器显示菜单，提供给人们控制信息(出厂初始化数据)，然后通过键盘让使用者选择菜单设定从而接受使用者发给的指令，以决定下一步的运行任务，用户选择不同的菜单(参见图4A所示)项意味着ARM核程序转而执行相应不同的任务。对菜单的操作主要通过四个键来完成，其中“上健”和“下键”用来在同一级菜单的不同项之间跳转，“确认’和“退出”健用来在不同级的菜单之间跳转，所以从流程上来分析，根据健值的不同主程序将在不同的菜单等级和菜单项之间跳转。

为了充分利用ARM处理器的资源，更好发挥C语言和ARM汇编语言进行软件开发的各自的优点，可以将两者有机结合起来，兼顾两者的优点，避免其弊端。在本发明中菜单程序、测量程序使用C语言编写，FFT快速傅立叶变换程序及细化算法程序，液晶驱动程序、时钟芯片驱动程序、IIC存储器驱动程序和各个I/O口控制程序用汇编语言来实现。

下面对本发明中使用的硬件进行说明：

(一)传感器的选择

如在振动测量中，把被测的振动力学参数转换成电学参数的装置称为振动测量传感器。在使用电测法采测量振动位移、速度和加速度时，由于三个参数可以互相转换，测振仪的组成根据所用传感器的不同而有不同的形式，所以测振仪主要是根据某种传感器来进行设计。振动测量中最常用到的传感器是位移、速度和加速度传感器。由于加速度传感器，通常可以作得比速度传感器的尺寸小、重量轻，且工作频率较宽。这样在测量时，不仅传感器对试件振动特性的影响(附加质量)小，而且所测得结果也更接近某个点，而不是某个面的振动，同时能更好的适应振动频率的要求。

由于压电式加速度传感器的输出阻抗较高(10MΩ以上)，故在与放大器联接时，中间必须经过阻抗变换进行匹配。使用阻抗变换时，希望与加速度传感器近一些，以避免信号能量的损耗。在阻抗变换与测振仪之间，如联接一放大器，可以提高测量的灵敏度。因此，本设计中传感器选择将前置放大器与压电式加速度传感器做成一体的传感器，它使用方便，性能可靠，抗干扰性强。

(二)双核DSP处理器选择

微计算机芯片为智能仪器的核心，它的选择将决定仪器的结构、性能、技术指标。OMAP5912具有独特的双核结构，由一个ARM926EJ-S(下文简称ARM9)处理器和TMS320C 5509(下文简称DSP55x)DSP核组成。其中，ARM9处理器主要用来实现对整个系统的管理，包括界面、网络和DSP数据处理的调度管理等；DSP核则主要用来实现对各种数据的高速处理。相对于单核结构，OMAP5912的一个明显优势就是可以大大提高系统的功能和运算速度；双核通讯的驱动程序DSPLINK允许开发者在ARM9和DSP55X之间优化分割各项任务，很好的实现了任务的并行处理，在不增加功耗的前提下获得更加优良的性能，成功实现了性能与功耗的最佳组合。OMAP5912的以上优点很好的满足了便携式测振设备的要求。

仪器通过轨迹球操作和液晶显示方便了用户操作，实现了便携式仪器的柔性人机接口。RS232通用接口和以太网可使仪器和计算机相连，便于系统的更新和升级，USB接口可以方便数据的下载，便于数据进行后续的处理。数字部分中的核心是OMAP5912芯片，扩展外部16MRAM存储器用作程序区，扩展32MFLASH用于系统文件的存放。

(三)程控开关

程控开关芯片选用MAX4053，该芯片是由三个数控开关组成，通过IO拉高开关的控制管脚实现开头的选通和关断。当振动信号的幅值较小时，选用10倍放大电阻对信号进行10倍放大，当幅值较大时，选用1倍放大电阻对信号进行1倍放大。DSP通过采集到的振动信号来判断当前的振动信号的幅值大小，实时调整放大倍数，以获得最为理想的信号用于AD采集。

(四)抗混淆滤波器

为减小通带之外信号对测量结果的影响，采用MAX7414滤波芯片。

(五)A/D转换器及其与DSP的接口设计

双通道对两路振动信号同时进行数据采集、滤波、频谱分析。

(六)电源及电源功耗设计

在本发明中，电源管理电路包括有用于提供+5V、+3.3V、+1.8V、+1.6V电压等级的系统电源电路、以及对锂电池的充电/放电电路。电源芯片采用了TPS65010芯片、TPS62040芯片、FDC6331L芯片。TPS65010芯片可以提供两路开关电源输出和两路线性电源输出，同时提供锂电池充电电路、复位管理电路以及通用IO。另外，双核处理器可以通过TPS65010的I2C接口(图9A中，即U10的30脚、29脚)对本芯片进行设置。TPS65010的两路开关电源为双核处理器提供IO电压和核电压，其中核电压可以根据双核处理器的工作状态改变电压值，达到最佳的省电效果。TPS65010的两路线性电源为双核处理器的DLL和A/D电路提供电源，这两路电源对纹波要求较高，故采用线性电源，可减小干扰。

在本发明中，故障诊断专家模块用于实现针对不同被测设备检测得到的振动信号的振动参数特性以及其振动频谱特性，进行故障模态分析，得到故障原因诊断结果，并给出故障排除策略。其通过对振动源的振动测量分析，与被测设备相关的振动模态进行比较，对机组振动故障进行简单快捷的诊断。通过对现场故障的分析，以及对数据进行统计处理，得到输入信号的频谱分析结果，得出被诊断设备产生故障的原因、故障类型、故障部位。具体流程如下：通过被测设备技术指标的输入，确定被测设备故障诊断模态。

Claims

1.基于声发射及振动特征的可重构双通道航空发电机原位故障诊断仪，其特征在于：该原位故障诊断仪包括有双核处理器单元、多源信息检测单元和视窗与鼠标结合的人机界面单元；其中多源信息检测单元包括有程控放大器（100）、电子开关（400）、带宽自调整抗混淆滤波器（200）和程控采样频率转换器（300）；其中双核处理器单元中采用ARM核处理器和DSP核处理器；

所述程控放大器（100）第一方面对接收到的敏感源信号F_in进行幅值提取，得到敏感源信号幅值f_in；第二方面通过电子开关（400）输出的频率放大倍数值K400来调节程控放大器（100）中的运算放大倍数；第三方面依据频率放大倍数数值K400对敏感源信号幅值f_in进行敏感度归一化，获得归一化的信号幅值D100输出；

所述带宽自调整抗混淆滤波器（200）第一方面接收归一化信号幅值D100；第二方面通过电子开关（400）输出的滤波带宽倍数K200来调整带宽自调整抗混淆滤波器（200）的带宽倍数；第三方面依据滤波带宽倍数K200对归一化信号幅值D100进行滤除高频率干扰信号处理，获得滤除频率混叠信号D200输出；所述电子开关（400）输出的滤波带宽倍数K200受控于DSP核处理器输出的滤波截止频率指令F200；

所述程控采样频率转换器（300）依据DSP核处理器输出的采样频率调节指令F300对滤除频率混叠信号D200进行转换处理，获得满足不同敏感源信号类型的数字采样信号D300输出；

所述电子开关（400）第一方面接收DSP核处理器输出的频率倍数调节指令F400；第二方面接收DSP核处理器输出的滤波截止频率指令F200；第三方面依据频率倍数调节指令F400产生用于调节程控放大器（100）的放大倍数值K400，而程控放大器（100）会依据该放大倍数值K400进行调整输出的幅值；第四方面依据滤波截止频率指令F200产生用于调节带宽自调整抗混淆滤波器（200）的滤波带宽倍数K200，而带宽自调整抗混淆滤波器（200）会依据滤波带宽倍数K200进行调整输出滤波后的信号；

所述的所述程控放大器（100）中的敏感度归一化的处理是以第一阈值f₀₁、第二阈值f₀₂与敏感源信号幅值f_in进行放大倍数值判断得到；即设第一阈值f₀₁＝0.5、第二阈值f₀₂＝1.5作为判断范围，若0≤f_in≤f₀₁时，则归一化信号幅值D100放大倍数值为100倍；若f₀₁＜f_in≤f₀₂时，则归一化信号幅值D100放大倍数值为10倍；若f₀₂＜f_in≤2时，则归一化信号幅值D100放大倍数值为1倍；

所述的DSP核处理器能够将获得的数字采样信号D300传输给ARM核处理器；数字采样信号D300在ARM核处理器中进行的重构处理包括有下列步骤；

（A）对接收到的数字采样信号D300进行峰值统计，寻找出峰值个数N；

（B）由于信号具有周期性，从所述峰值个数N中寻找出每个峰的最大幅值，即峰值个数N中所有峰的最大幅值，采用数学集合形式表达为