CN104251719A - 一种具有状态监测功能的振动信号处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有状态监测功能的振动信号处理系统及方法，电源模块POW与系统的所有部分相连接。恒流源A1、滤波器F1、差分运放OP1、数模转换器AD1依次相连，测速传感器SPEED、光耦隔离OC相互连接。微处理器U1通过FSMC接口与双口内存DSRAM相连、数字信号处理器DSP通过XINTF接口与双口内存DSRAM相连，构成了协处理器。数字信号处理器DSP上还连接了静态内存SRAM、无线网模块WPHY、以太网模块ETHERNET。该系统能够采集装置自身各个部件的温度信号，采集环境的温度和湿度信号，通过采集装置安装处的温度、湿度数据信号，对装置自身的运行环境进行实时状态监测。

Description

一种具有状态监测功能的振动信号处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种振动信号处理系统，具体地说，涉及一种具有状态监测功能的振动信号处理系统及方法。

背景技术

状态监测是指对系统或设备的某些特征参数，如振动幅值、噪音和温度等，进行测取,并将测定值与正常值进行比较,从而判断系统或设备工作是否异常。状态监测装置大都是由微电子器件构成的，由于设计、运行环境等因素，监测装置本身也常常出现故障。对于确保这些装置可靠安全的运行，虽然开发研制人员采取了一些相应的措施，比如利用软件进行自检功能。然而，如何评估这些微电子物理器件装置本身及其构成电路所存在的潜在问题或故障(如重负荷引起的电子器件和电路板过热而导致器件加速老化或者故障等)，一直没有很好的监测方法。为保证监测装置本身的可靠安全运行，在设计这些监测装置功能的同时，也可将对其实施状态监测的传感器及其电路一同考虑进来进行综合设计。本发明主要针对振动信号采集装置，设计了温度、湿度传感器以及相应的监测电路，其目的就是及时发现装置存在的潜在问题以及可能存在的某些劣化过程的发展，以求在可能出现故障或性能下降到影响正常工作之前及时维修，提高振动信号监测采集装置的可靠性。

在现有的技术方案中，常常使用两种方法对硬件进行状态监测：

1.设计软件对主要芯片进行自诊断。比如在微处理器单元(CPU)中嵌入一个已知结果的算法，看CPU的运行结果是否和正确结果一致；又如通过对采集的数据进行噪声分析，判断噪声是不是由于故障而引起的。

2.逻辑分析。比如向内存写入一定的数据，再将这些数据读回，判断写入的数据和读回的数据是否一致；又如在信号采集端由自身产生一个已知信号，看采集回来的信号是否和产生的信号一致。

但是这些简单的自检功能，无法实现由于振动信号采集装置硬件设计或过载等因素所引起的装置本身元器件过热或电路板过热、以及环境潮湿引起电路板上某些器件短路等潜在问题。

现有的振动信号采集装置的缺点：

1.无法对硬件系统的各个主要部件(各芯片，电路板等)的物理状态进行评估，如芯片的温度过高引起的电子器件及其关联电路的老化，甚至损坏。

2.振动信号采集装置安装点环境缺乏有效的监测措施，如环境湿度过大，有可能造成电路板上累计灰尘潮湿，导致电路板短路，损坏硬件等问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种具有状态监测功能的振动信号处理系统及方法，该系统能够采集装置自身各个部件的温度信号，采集环境的温度和湿度信号，通过采集装置安装处的温度、湿度数据信号，对装置自身的运行环境进行实时状态监测。

其技术方案如下：

一种具有状态监测功能的振动信号处理系统，电源模块POW与系统的所有部分相连接，为整个系统供电,恒流源A1、滤波器F1、差分运放OP1、数模转换器AD1依次相连，组成了CH1振动采集通道。CH2、CH3、CH4连接方式与CH1相同,测速传感器SPEED、光耦隔离OC相互连接，组成了1个测速通道,4个振动采集通道和1个测速通道分别与微处理器U1上的PA1～PA5口相连，微处理器U1通过FSMC接口与双口内存DSRAM相连、数字信号处理器DSP通过XINTF接口与双口内存DSRAM相连，构成了协处理器，数字信号处理器DSP上还连接了静态内存SRAM、无线网模块WPHY、以太网模块ETHERNET，用于数据的传送。

这些设计都保证了IEPE传感器的信号准确的传递，但是，20V以上的供电，差分放大器OP1～OP4以及滤波器中F1～F4都有较大的功耗，同时处理器U1和U2的负荷也比较大，长时间运行时，元件会产生较多热量。随着传感器数量的增多，为整个装置供电的电源模块负荷就会加大，也会产生较多热量。因此加入温度传感器T1～T6监测温度，并在主板中加入一个温湿度传感器T7监测环境温度和湿度。

进一步优选，还包括温度传感器和湿度传感器。

连接方式：

滤波器F1由3个运放A1,A2,A3依次连接组成。滤波器F2由3个运放A4,A5,A6依次连接组成。滤波器F3由3个运放A7,A8,A9依次连接组成。滤波器F4由3个运放A10,A11,A12依次连接组成。

发热原因分析：

1.电源模块：电源模块POW为微处理器U1、数字信号处理器U2供电，使用的是线性稳压。由于两块处理器在信号采集时，基本为满负荷运行，由电源模块POW提供的电流较大(约为1A)，使其容易发热。

2.差分运放：差分运放OP1～4使用了较小的封装，而高精度芯片有较大的功耗(约为800mW)，容易发热。

3.处理器：微处理器U1、数字信号处理器U2，在信号采集时，基本为满负荷运行，每块芯片的功耗较大(约为1.6W)，容易发热。

4.以太网：以太网模块ETHERNET，其工作时电流为500mA，工作电流较大，功耗较高，容易发热。

温度传感器的位置：

1.差分运放的温度监测：温度传感器T1位于差分运放OP1和OP2之间，温度传感器T2位于差分运放OP3和OP4之间，监测差分运放OP1～4的温度。

2.电源的温度监测：温度传感器T3位于电源模块POW附近，监测电源模块的温度。

3.处理器的温度监测：温度传感器T4贴于微处理器U1表面，温度传感器T5贴于数字信号处理器U2表面、温度传感器T6贴于以太网模块ETHERNET表面，直接监测他们的温度。

4.外界的温湿度监测：温度湿度传感器T7立与电路板上，减小传感器受电路板温度的影响，从而更加准确的监测外界温度。

一种具有状态监测功能的振动信号处理方法，包括以下步骤：

1)通过所用温度或温湿度传感器的单总线协议与传感器进行通信；

2)获取温度或温湿度传感器的数据；

3)通过温度传感器采集回来的数据与之对比，当传回的数据与内存中的数据图偏差较大，或发展趋势不一样时，判断测点附近有潜在的故障，发出预警信号。

4)通过温湿度传感器所测量的温度、湿度数据，能够对装置安装处的运行环境进行分

析评估。当环境温度过高，或环境湿度过大时，将发出预警信号。

本发明的有益效果为：

与现有的技术相比，本发明在振动信号采集装置中关键元器件周围嵌入了温度、湿度传感器，设计了相应的状态监测电路。通过温度、湿度数据对设备硬件进行自身状态监测，评估其运行状况并做出相应的处理，以确保振动信号监测装置能够在现场可靠运行。通过本发明所设计的温度传感器和湿度传感器监测电路，能够有效地对振动信号采集装置上的关键芯片和电路板的运行温度进行实时测量；同时，也对装置安装点周围环境的温度和湿度参数进行数据采集，以实现对振动监测装置进行有效的状态监测分析和评估。

附图说明

图1为本发明具有状态监测功能的振动信号处理系统的原理图；

图2为温度传感器DS18B20电路图；

图3为湿度传感器DHT11电路图；

图4是振动信号采集电路板上的温度、湿度采集电路原理图；

图5为本发明具有状态监测功能的振动信号处理方法流程图；

图6为本发明的系统连接方式图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

1.振动信号采集装置原理框图

振动信号采集装置原理框图如图1所示。

图1中名词解释：CH1…CH4为振动信号采集通道，Σ-Δ为基于Σ-Δ转换原理的模数转换器，MCU为微控制器，DSP为数字信号处理单元，DSRAM为双口静态随机存储器构成的数据缓冲，SRAM为静态随机存储器构成的外扩内存，WPHY为WiFi无线通信芯片，ETHERNET为10/100M以太网接口。

振动信号采集装置一般由电源、滤波器、差分放大器、模数转换器、转速测量单元、微控制器、数字信号处理单元、数据缓存、外扩内存、网络物理层单元、以太网接口及WiFi通信芯片等元器件构成。其中，外部电源为直流24V，它为整个系统提供电源，保证整个系统的运行；滤波器为贝塞尔低通滤波器，它为振动信号提供硬件滤波，抗混叠，同时消除偏置电压；差分放大器将振动传感器输出的电压转换为差分电压，匹配模数转换器的电压要求，增大系统的动态范围，提供适当的电压增益，抑制共模噪声，提高信噪比；Σ-Δ模数转换器将模拟信号转换成微控制器可以识别的数字信号；转速测量是通过反射式光电开关接收反射的红外光来测量转轴的转速，并将信号通过光耦隔离与微控制器(MCU)接口；MCU负责采集各个传感器的数据并控制整个系统的运作；数字信号处理单元(DSP)主要用于数据的处理和一些振动参数算法的实现；DSRAM为双口静态随机存储器，实现数据缓存，提供MCU和DSP之间的数据交换，使他们构成一对协处理器；SRAM(静态随机存储器)：外扩内存，为复杂算法开辟计算空间或者记录故障数据。

该振动信号采集装置能够与外部计算机实现机有线或无线通信。

2.振动信号采集装置的温度、湿度监测实现技术

通过理论计算分析振动信号采集电路中工作负荷电流分布较大的元器件主要是：1)电源电路部分的DC-DC芯片，2)模数转换器前的差分放大器芯片，3)微控制器(MCU)，4)数字信号处理器(DSP)，5)以太网通信芯片部分。

在这些关键位置，嵌入了相应的温度传感器，共计6个稳定传感器用于实时监测振动信号采集装置的温升情况；同时，嵌入了一个温湿度传感器以监测装置安装点的温度和湿度数据。

温度传感器1与传感器2：位于差分运算放大器(OPA1632)的附近，分别紧贴在差分放大器之间的电路板上。差分放大器的功耗每片约为800mW，对于SOP-8封装的芯片，会产生比较大的热量，因此，在此处放置两个温度传感器。

温度传感器3：位于装置电源部分的两个DC-DC(LM2596)芯片之间，紧贴在电路板上。由于装置中微控制器(MCU)和数字信号处理单元(DSP)构成的协处理器功耗较大，该芯片的负载较高，容易产生高温，因此将温度传感器设置在此处。

温度传感器4：位于MCU旁，紧贴在MCU上面。由于MCU为主板的核心器件，承担较大的信号采集任务，开销较大，功耗比较高，容易发热，因此，在此处放置温度传感器。

温度传感器5：位于DSP芯片旁，并紧贴在DSP上面，用于监测DSP工作温度。DSP为主板的核心器件，承担较大的运算量，功耗比较高，容易发热，因此，在此处放置温度传感器。

温度传感器6：位于以太网通信芯片旁，并紧贴在该芯片上面。由于网络通信芯片负责将采集的高速率的振动信号不断地传输出来，其功耗就比较大，最大可达825mW。因此，在此处放置温度传感器。

温湿度传感器7：安装在装置电路板右边缘处，立式放置，主要是由于装置的该处外壳设有通风口。温湿度传感器主要用于测量装置安装点周围环境的温度和湿度。

3.温度、湿度监测电路设计原理

3.1温度传感器及其电路原理

DS18B20是一种“一线总线”接口的温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络；直接以“一线总线”的数字方式传输温度采集数据，大大提高了系统的抗干扰性。它工作在3～5.5V的电压范围，提供TO-92直插封装，体积小，可以将其紧靠在需要测量的芯片或者PCB表面，以监控芯片和PCB的温度。DS18B20具有良好的温度特性，它的测量温度范围为-55～+125℃，精度为±0.5℃。在-55～+125℃的温度范围，其平均误差为0～0.5℃；在0～75℃时，其3δ置信区间在±0.5℃范围内。

DS18B20采用严格的信号时序，它共有6种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号，并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。

3.2湿度传感器及其电路原理

DHT11是一种湿温度一体化的数字传感器。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件。传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。其测量范围：湿度20～90％RH，精度±5％，分辨率1％；温度0～50℃，精度±2℃，分辨率1℃。DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。

DHT11数字湿温度传感器采用单总线数据格式，即单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。其数据包由5Byte(40Bit)组成。数据分小数部分和整数部分，具体数据格式为：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和，校验和数据为前四个字节相加。校验和用以保证数据的准确接收，其通信方式简单，数据量小，占用CPU开销小。

4.温度、湿度数据采集与处理技术

本发明设计的振动信号采集装置温度、湿度数据采集电路，如图4所示。这些状态监测数据由主板上的MCU微处理器通过它们各自的串行数据口读出，并进行相应变换处理。

每个温度传感器DS18B20的一总线数据口分别与MCU的端口相连，而湿度传感器DHT11的DOUT也与MCU的端口相连。通过各自的通信协议，对MCU进行编程，可以实现依次读取所有温度传感器和温湿度传感器的温度和湿度数据。

对所采集的温度数据和湿度数据进行如下处理：

4.1温度传感器的数据处理

在系统的内存中存放有每个测点在正常情况时由运行时间、外界温度、测点温度三个轴构成的数据图，通过温度传感器采集回来的数据与之对比，当传回的数据与内存中的数据图偏差较大，或发展趋势不一样时，判断测点附近有潜在的故障，发出预警信号。

4.2湿度传感器的数据处理

湿度传感器具有测温的功能，因此利用他来测量主板周围的环境温度，作为一个输入量，与其它温度传感器的数据结合，对各监测的电子器件进行状态评估。同时通过它所测量的温度、湿度数据，也能够对装置安装处的运行环境进行分析评估。当环境温度过高，或环境湿度过大时，可能使装置无法正常运行，将发出预警信号。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种具有状态监测功能的振动信号处理系统，其特征在于，电源模块POW与系统的所有部分相连接，为整个系统供电,恒流源A1、滤波器F1、差分运放OP1、数模转换器AD1依次相连，组成了CH1振动采集通道，CH2、CH3、CH4连接方式与CH1相同,测速传感器SPEED、光耦隔离OC相互连接，组成了1个测速通道,4个振动采集通道和1个测速通道分别与微处理器U1上的PA1～PA5口相连，微处理器U1通过FSMC接口与双口内存DSRAM相连、数字信号处理器DSP通过XINTF接口与双口内存DSRAM相连，构成了协处理器，数字信号处理器DSP上还连接了静态内存SRAM、无线网模块WPHY、以太网模块ETHERNET，用于数据的传送。

2.根据权利要求1所述的具有状态监测功能的振动信号处理系统，其特征在于，还包括温度传感器和湿度传感器。

3.一种具有状态监测功能的振动信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过所用温度或温湿度传感器的单总线协议与传感器进行通信；

2)获取温度或温湿度传感器的数据；

3)通过温度传感器采集回来的数据与之对比，当传回的数据与内存中的数据图偏差较大，或发展趋势不一样时，判断测点附近有潜在的故障，发出预警信；

4)通过温湿度传感器所测量的温度、湿度数据，能够对装置安装处的运行环境进行分析评估，当环境温度过高，或环境湿度过大时，将发出预警信号。