CN104483011A - 一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统及方法，包括前端数据采集模块和远程分析中心，前端数据采集模块通过以太网络与远程分析中心连接；前端数据采集模块包括加速度传感器、通道切换模块、恒流供电电路模块、信号调理电路模块、A/D转换模块、接口逻辑电路模块、微处理器模块、网络接口模块、转速信号检测模块和继电器模块，具有16通道轮询、2通道并行采集振动信号的功能和2路转速信号的采集功能，采集的数据可通过与微处理器模块相连的网络接口模块通过以太网向远程分析中心传送，与微处理器模块连接的继电器模块用于连接被控制的外设；远程分析中心包括参数配置模块、数据通信模块、数据分析模块和数据库维护模块。

Description

一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统及方法

技术领域

本发明属于旋转机械振动信号的在线检测与故障分析领域，特别涉及到一种远程分布式旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统及方法。

背景技术

旋转机械（汽轮机、燃汽轮机、水轮机、发电机、航空发动机、离心压缩机等机械设备）是电力、石油化工、冶金、机械、航空以及一些军事工业部门的关键设备。旋转机械振动监测技术是一门了解和掌握这些设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部是否正常，及早发现故障及其原因，并预报故障发展趋势的技术。振动信号分析是旋转机械状态监测和故障诊断的重要组成部分，是提高设备的可靠性和维修性，避免重大事故的发生，减少事故危害性，提高产品质量，提高设备管理水平，可以获得潜在的巨大的经济效益和社会效益。因此，对旋转机械设备进行振动信号检测与分析具有重要意义。

经检索，已公开的相关研究发明主要有：（1）发明人陈兵，贾晓娜，张鹏，振动设备智能监测系统，中国专利文献，公开号为CN103488139A，公开日为2014年1月1日。其介绍了一种振动设备的智能监测系统，包括数据传输装置和数据采集装置。数据采集装置以PLC为核心构成，数据传输采用以太网。但PLC数据处理与分析能力逊于DSP，同时价格比DSP高，另外采集装置的ADC的分辨率也不高。（2）发明人周瑞泉，韩羽，周一丁等，基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，中国专利文献，公开号为CN102455212A，公开日为2012年5月16日。该发明涉及一种基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统。该发明振动信号的采集与运算采用的是DSP，但只能采集2个通道的振动信号，同时每个通道用了一片DSP，另外用一片MCU做通信管理，也就是其采集装置采用的是多处理器构成，致使系统结构复杂，成本高。（3）发明人许飞云，贾民平，胡建中等，一体化多通道同步振动数据采集及监视与分析诊断装置，中国专利文献，公开号为CN101436046A，公开日为 2009年5月20日。其介绍了一体化多通道同步振动数据采集及监视与分析诊断装置，该发明的前端采集板与分析计算机之间可用网络互连，但因该装置的A/D选择的是6通道同步的ADC芯片，同时CPU核心板相对独立，未能与其他电路部分融合在一体制版，因而结构上不紧凑，通道的扩展不太方便。（4）发明人严可国，阮跃，陆江，一种旋转机械振动故障诊断装置及方法，中国专利文献，公开号为CN101135601A，公开日为2008年3月5日。其介绍了一种旋转机械振动故障诊断的装置及方法，但主要对诊断分析与故障处理的方法介绍，而对数据采集的实现介绍较少。

总之，在现有的发明中，还没有能适应于振动测试领域中，利用高性能的DSP设计前端数据采集器，并具有高分辨率的ADC、结构紧凑、组合方便、10M/100M自适应网络通信速率的多通道振动信号检测与分析系统及方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种适用于旋转机械振动测试领域中，能实现多通通振动信号在线检测、并具有多种分析功能的远程分布式系统及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统，包括前端数据采集模块和远程分析中心，前端数据采集模块通过以太网络与远程分析中心连接；所述前端数据采集模块包括加速度传感器模块、通道切换模块、恒流供电电路模块、信号调理电路模块、A/D转换模块、接口逻辑电路模块、微处理器模块、网络接口模块、转速信号检测模块、继电器模块；所述加速度传感器模块通过依次连接的通道切换模块、信号调理电路模块、A/D转换模块和接口逻辑电路模块与微处理器模块的输入端连接；所述恒流供电电路模块的输出端通过通道切换模块后与加速度传感器模块电源端连接；所述转速信号检测模块的输出端与微处理器模块的输入端连接；所述微处理器模块的数据传输端与网络接口模块连接；所述微处理器模块的输出端与继电器模块的输入端连接；所述远程分析中心包括参数配置模块、数据通信模块、数据分析模块和数据库维护模块。

进一步地，所述加速度传感器模块包括16路ICP加速度传感器，分别连接到通道切换模块的输入端；所述通道切换模块为16选2通道切换模块；所述恒流供电电路模块包括2组恒流供电电路，通过通道切换模块后分别与2路ICP加速度传感器的电源端连接；所述信号调理电路模块包括2组信号调理电路，分别与通道切换模块的两个输出端连接，2组信号调理电路均包括依次连接的隔直电路、程控衰减电路和差分输入缓冲电路；所述程控衰减电路包括双向峰值检波判别电路和电压衰减电路；所述双向峰值检波判别电路包括绝对值电路、峰值检波电路和比较判断电路；峰值检波电路的输入端与绝对值电路的输出端连接，其输出端与比较判断电路连接；比较判断电路的输出端与微处理器模块的输入端连接；所述电压衰减电路包括电阻衰减电路和电压跟随器电路；电压跟随器电路的输入端与电阻衰减电路连接，其输出端分别与双向峰值检波判别电路和差分输入缓冲电路的输入端连接；电阻衰减电路的输入端与隔直电路的输出端连接。

进一步地，所述转速信号检测模块包括2个转速传感器和2路整形电路；2路整形电路的输入端分别与2个转速传感器连接，其输出端分别与微处理器模块的输入端连接；所述转速信号检测模块用于旋转机械的转速检测；所述继电器模块包括2路驱动电路和2组继电器，2路驱动电路的输入端分别与微处理器模块的输出端连接，其输出端与2个继电器分别连接；所述继电器用于连接被控制的外设。

进一步地，所述A/D转换模块为芯片CS5361；所述接口逻辑电路模块由FPGA芯片实现，FPGA芯片实现的接口逻辑电路包括依次连接的串并转换模块、格式处理模块、FIFO存储器、缓冲接口模块，串并转换模块的输入端与所述A/D转换模块的输出端连接，缓冲接口模块与微处理器模块的数据传输端连接，还包括与所述A/D转换模块的控制端连接的ADC控制逻辑模块。

进一步地，所述微处理器模块包括DSP芯片、时钟电路、复位电路、配置电路、JTAG调试接口、SDRAM存储器扩展电路、FLASH存储器扩展电路和电源模块；所述DSP芯片的输入端与时钟电路、复位电路、电源模块的输出端连接，其数据传输端与SDRAM存储器扩展电路和FLASH存储器扩展电路的数据传输端连接，其引导模式配置端和JTAG接口分别与配置电路和JTAG调试接口连接。

进一步地，所述网络接口模块包括网络控制芯片、网络变压器和RJ-45插座，所述网络控制芯片的数据传输端与微处理器模块的数据传输端连接，网络控制芯片的数据传输端与网络变压器的数据传输端连接，网络变压器的数据传输端与RJ-45插座连接。

一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析方法，其特征是：包括以下步骤：

S1：利用前端数据采集模块采集振动信号的加速度信号和旋转机械的转速信号；所述加速度信号是利用ICP加速度传感器、信号调理电路模块、A/D转换模块、接口逻辑电路模块将该加速度信号转换为数字信号后输入到微处理器模块；旋转机械的转速信号是利用转速传感器、整形电路将该转速信号输入到微处理器模块；

S2：利用网络接口模块将检测到的振动信号的加速度信号和旋转机械的转速信号传输到远程分析中心；

S3：远程分析中心包括参数配置模块、数据通信模块、数据分析模块和数据库维护模块，远程分析中心对采集到的数据进行处理、分析和控制前端数据采集模块。

进一步地，所述步骤S2中的网络接口模块包括网络控制芯片、网络变压器和RJ-45插座；在Visual DSP++集成开发环境下，自主开发了网络控制芯片的底层驱动程序，包括网络控制芯片寄存器的访问、网络控制芯片的初始化配置、数据帧的发送与接收；根据应用要求，对TCP/IP协议栈进行裁剪，实现了精简的TCP/IP协议栈，包括包地址解析协议、网络报文控制协议、网络互连协议、传输控制协议。

进一步地，所述步骤S3中的数据分析模块包括以下步骤：

（1）从数据库中查询并读取要分析的数据记录；

（2）对数据进行预处理，包括零均值化、消除趋势项和降噪处理；

（3）对数据进行时域分析和频域分析；所述时域分析包括显示振动加速度信号时域波形、振动加速度信号在时域中的特征参量以及波形在不同时刻的相似性和关联性；所述频域分析为通过傅里叶变换方法，将时域信号由时间域转换到频率域，再分析振动加速度信号的各种频率及相应的频率范围，以获得振动加速度信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息；

（4）对测得的振动加速度信号进行积分得到速度、位移信号，从而可对旋转机械振动的速度、位移进行时域与频域分析。

进一步地，所述降噪处理采用的是利用第二代小波对振动加速度信号进行分解，采用改进阈值函数对分解信号的小波系数做阈值处理，然后对阈值处理后的系数进行小波逆变换，对信号进行重构，从而实现信号降噪。

本发明的有益效果：

（1）本发明的前端数据采集模块在组成上主要采用了24位△-∑结构的高精度A/D转换器、高性能的32位DSP，并通过高速FPGA（现场可编程门阵列器件）作为两者之间的数据缓冲，同时利用网络接口模块扩展了10M/100M传输速率的网络接口。这种构成方案不但保证了高精度的数据采集和采样速率，同时使硬件的集成度和DSP工作效率提高，并具有较高速率的数据远传速率。与已公开的振动采集装置构成相比，整体构成方案有一定的新颖性。

（2）本发明因ICP加速度传感器的灵敏度和动态量程范围是可变的，同时振动信号强弱也是变化的，因而其感应后输出的模拟电压信号范围较宽（0~±10V），而后续的A/D转换器差动输入范围为较小（V_P-P=2.7V），因此，在保证模拟输入不溢出的情况下，又要保证模拟/数字的转换精度，是前端数据采集模块硬件设计的难点之一。本发明选用宽信号带宽以及低输入电压和电流噪声等特性的轨到轨输出放大器AD8668和高可靠性的8通道单端模拟复用器DG408为主，自主设计了具有8挡衰减倍数的程控衰减电路，保证了数据采集的动态范围。

（3）本发明利用VHDL硬件描述语言，自主设计了FPGA的逻辑功能模块，特别是A/D转换器与DSP之间的接口逻辑，包含：A/D转换器的控制、将A/D转换器输出的32位串行数据转换成24位并联数据、FIFO存储器的生成、DSP读取FIFO存储器数据的缓冲接口等。通过FPGA的运用，简化了DSP的软硬件设计，提高了硬件制作的集成度以及DSP的工作效率。

（4） 本发明利用Davicom公司的网络控制芯片DM9000A为主，扩展了DSP的10/100M自适应网络接口模块。同时，在Visual DSP++集成开发环境下，自主开发了DM9000A的底层驱动程序，包括DM9000A寄存器的访问、DM9000A的初始化配置、数据帧的发送与接收；特别是根据应用要求，对庞大而又复杂的TCP/IP协议栈进行了一定程度的裁剪，高效率的实现了精简的TCP/IP协议栈，包括ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）、ICMP（Internet Control Message Protocol，网络报文控制协议）、IP（Internet Protocol，网络互连协议）、TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）等。

（5）本发明采用一种改进的阈值函数的第二代小波降噪新方法，该方法的基本思想是利用第二代小波对信号进行分解，采用改进阈值函数对分解信号的小波系数做阈值处理，然后对阈值处理后的系数进行小波逆变换，对信号进行重构，以实现信号降噪。与传统小波相比，降噪后的信号更加平滑，信噪比更高。同时，第二代小波具有不依赖于傅里叶变换，构造方法灵活，占用内存少，计算速度更快，计算方法更方便等优点。

附图说明

图1是本发明一种实施例的整体结构示意图；

图2是本发明一种实施例的前端数据采集模块的原理示意图；

图3是本发明一种实施例的接口逻辑电路模块实现A/D转换模块与微处理器模块间数据缓冲的逻辑功能示意图；

图4是本发明一种实施例的A/D转换模块左对齐格式数据输出时序图；

图5是本发明一种实施例的微处理器模块的最小应用系统的配置结构；

图6是本发明一种实施例的网络接口模块的组成结构示意图；

图7是本发明一种实施例的前端数据采集模块的工作流程图；

图8是本发明一种实施例的远程分析中心的总体框图；

图9是本发明一种实施例的数据分析模块的工作流程图；

图10是本发明一种实施例的双向峰值检波判别电路图；

图11是本发明一种实施例的电压衰减电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1~11所示，本发明的一种实施例的旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统，包括前端数据采集模块1和远程分析中心2，前端数据采集模块1通过以太网络与远程分析中心2连接；所述前端数据采集模块1包括加速度传感器模块、通道切换模块、恒流供电电路模块、信号调理电路模块、A/D转换模块3、接口逻辑电路模块4、微处理器模块5、网络接口模块6、转速信号检测模块、继电器模块；所述加速度传感器模块通过依次连接的通道切换模块、信号调理电路模块、A/D转换模块3和接口逻辑电路模块4与微处理器模块5的输入端连接；所述恒流供电电路模块的输出端通过通道切换模块后与加速度传感器模块电源端连接；所述转速信号检测模块的输出端与微处理器模块5的输入端连接；所述微处理器模块5的数据传输端与网络接口模块6连接；所述微处理器模块5的输出端与继电器模块的输入端连接；所述远程分析中心2包括参数配置模块15、数据通信模块16、数据分析模块17和数据库维护模块18。

对于振动信号的测量关键之一在于对振动信号的提取，只有当所采集的振动信号具有较高的质量，才能真实的反映旋转机械的振动情况。

加速度传感器选用高灵敏度、高动态范围和良好抗干扰能力的ICP （Integrated Circuit Piezoelectric）加速度传感器7。ICP加速度传感器7利用了现代集成电路技术将传统的电荷放大器置于传感器中，把高阻抗电路都集成在传感器内部，并以低阻抗的方式输出，使输出电压幅值与加速度成正比。ICP加速度传感器7作为新型的加速度传感器具有很多优点，如噪声干扰低、漂移幅度小、集成度高；输出可配长电缆；采用全封闭结构有效防尘、防潮；无需外接电荷放大器，使用极为方便、灵活。

本发明中的加速度传感器模块包括16路ICP加速度传感器7，分别连接到通道切换模块的输入端；考虑到多路振动信号的隔离问题，本发明中的通道切换模块为16选2通道切换模块8，16选2通道切换模块8选用了德国IXYS公司的CPC1016来实现通道切换，CPC1016是一种小型、低压、低导通电阻的固态继电器，具有开关时间短、噪声低、输人电路与输出电路之间采用光电隔离、输人功耗很低、与TTL/COMS电路兼容、负载能力强等特点；因为ICP加速度传感器7要求+24V的工作电压和4mA的工作电流，因此恒流源供电电路的作用就是给ICP加速度传感器7提供+24V/4mA的工作条件。为了能获得稳定且噪声低的电压，电路设计中采用DC-DC变换器把+5V转换为稳定的+24V，再通过三端可调集成恒流源来实现4mA的恒流，本发明中的恒流供电电路模块包括2组24V/4mA恒流供电电路9，分别通过通道切换模块的切换后与ICP加速度传感器7的电源端连接；由于ICP加速度传感器7的供电电缆同时作为振动信号输出线，其输出信号是在一个直流偏置量的基础上叠加了一个交流（振动）信号，该直流偏置量不是有用信号需要滤除，所以需要采用高通滤波电路来滤除直流偏置量，使输出到后续电路的信号为只含有有用的交流振动信号；基于所选ICP加速度传感器7的灵敏度和动态量程范围，将感应的振动信号变换成模拟电压信号后电压范围较宽（0~±10V），而考虑到后续A/D转换模块3的A/D转换器差动输入范围为较小（V_P-P=2.7V），为了使两者电压范围能匹配，在两者之间设置信号调理电路模块，所述信号调理电路模块包括2组信号调理电路10，分别与通道切换模块的两个输出端连接，2组信号调理电路10均包括依次连接的隔直电路、程控衰减电路和差分输入缓冲电路；所述程控衰减电路包括双向峰值检波判别电路和电压衰减电路，其作用是检测输入信号的最大峰值，与A/D转换模块3可输入的最大值作比较，以控制电压衰减电路的衰减倍数，其原理电路如图10所示；所述双向峰值检波判别电路包括绝对值电路、峰值检波电路和比较判断电路，峰值检波电路的输入端与绝对值电路的输出端连接，其输出端与比较判断电路连接，比较判断电路的输出端与微处理器模块5的输入端连接；所述电压衰减电路包括电阻衰减电路和电压跟随器电路，其作用是按照衰减控制信号实现电压衰减，可实现的衰减倍数共8挡，分别为1、1/2、1/3、1/4、1/5、1/6、1/7、1/8，其原理电路如图11所示，电压跟随器电路的输入端与电阻衰减电路连接，其输出端分别与双向峰值检波判别电路和差分输入缓冲电路的输入端连接需配置程控衰减电路，电阻衰减电路的输入端与隔直电路的输出端连接；基于所选用的A/D转换模块3的模拟输入为差分输入，因此经程控衰减电路后的单端信号还需要利用差分输入缓冲电路转变为差分信号，以满足A/D转换模块3的输入要求。

进一步地，所述转速信号检测模块包括2个转速传感器11和2路整形电路12；2路整形电路12的输入端分别与2个转速传感器11连接，其输出端分别与微处理器模块5的输入端连接；所述转速信号检测模块用于旋转机械的转速检测；所述继电器模块包括2路驱动电路13和2个继电器14，2路驱动电路13的输入端分别与微处理器模块5的输出端连接，其输出端与2个继电器14分别连接；所述继电器14用于连接被控制的外设。

进一步地，A/D转换模块3在前端数据采集模块1中占据重要地位，应以采样频率和分辨率等综合考虑作出选择，本发明选用的是Crystal公司推出的24位△-∑结构音频A/D转换器CS5361。CS5361的主要特性是：采用5阶多位△-∑调制器，具有24位转换精度，114dB动态范围，采样率最高192kHz，总谐波失真+噪声优于-105dB，功耗小于150mW，内部带有高通滤波电路或直流失调电压标定电路以及带有线性相移数字抗混叠滤波器，模拟信号采用差动输入方式，CS5361的工作方式可配置为单速模式（输出采样率范围2~48kHz）、倍速模式（输出采样率范围48~96kHz）、四倍速模式（输出采样率范围96~192kHz）。转换结果是32位补码形式的串行数据，且左右通道交替输出，有左对齐和I²S两种格式；由于前端数据采集模块1所选用的A/D转换器CS5361是目前市场上动态范围和采样速率两项指标都很突出的一款24位高精度ADC，对实现高精度采集有着重要作用，但其转换结果是32位补码形式的串行数据，接口时序较为复杂，同时为了协调A/D转换模块3与微处理器模块5之间的工作速率，提高微处理器模块5的工作效率，前端数据采集模块1的硬件设计中，采用了1片SPARTAN-3系列的FPGA（现场可编程门阵列器件）芯片作为接口逻辑电路模块4，作为A/D转换模块3与微处理器模块5之间的数据缓冲电路，实现A/D转换模块3输出数据的串并转换，其逻辑功能框图如图3所示。所述接口逻辑电路模块4由FPGA芯片实现，FPGA芯片实现的接口逻辑电路包括依次连接的串并转换模块、格式处理模块、FIFO存储器、缓冲接口模块，串并转换模块的输入端与所述A/D转换模块3的输出端连接，缓冲接口与微处理器模块5的数据传输端连接，还包括输出端与所述A/D转换模块3的控制端连接的ADC控制逻辑模块。CS5361的数据输出格式有左对齐格式和I²S格式，如选择左对齐格式，CS5361以补码的形式串行交替输出左右通道共计64位数据，每个通道32位，包括24位有效采集数据和8位附加信息，其数据输出格式如图4所示。FPGA的数据缓冲逻辑功能就是要控制CS5361的LRCK（左右通道时钟）、SCLK（串行时钟）、SDATA（串行数据输出）等管脚实现图4的工作时序，把CS5361输出的串行数据转换为并行数据，同时还需要进行格式处理，即截取前24位有效数据，而把后8位附加信息忽略掉，并将格式处理后的数据存储到FIFO存储器中，然后产生中断信号通知DSP读取转换结果。

考虑到CS5361的采样速率和DSP的工作时钟频率相差较大，为了提高DSP的工作效率，避免数据丢失并使控制更为方便，在FPGA中还设计了小容量的FIFO存储器作为二者之间的数据缓冲。

进一步地，所述微处理器模块5包括DSP芯片、时钟电路、复位电路、配置电路、JTAG调试接口、SDRAM存储器扩展电路、FLASH存储器扩展电路和电源模块；所述DSP芯片的输入端与时钟电路、复位电路、电源模块的输出端连接，其数据传输端与SDRAM存储器扩展电路和FLASH存储器扩展电路的数据传输端连接，其引导模式配置端和JTAG接口分别与配置电路和JTAG调试接口连接；前端数据采集模块1的DSP选择的是Analog Device公司Blackfin系列产品中的ADSP-BF533，该DSP具有性能优良、接口丰富、价格便宜等优点。

Blackfin系列处理器是ADI公司的一款优良的微处理器，它采用了Analog Device和Intel联合开发的微信号结构（Micro Signal Architecture，MSA）内核，基于单一的内核融合DSP和MCU的特点，它既具有DSP信号处理能力强大的特点，又具有嵌入式微处理器易于控制交互的优势，避免了DSP+MCU的设计方案，简化了系统设计。

ADSP-BF533是高精度32位处理器，在高达600MHz的内核时钟下能稳定工作，具有高达4GB的统一寻址空间，能够通过软件对电源实现灵活管理，实现系统的低功耗，片内带有“看门狗”定时器，支持PWM，芯片内部集成有支持嵌套和优先级的事件控制器以及支持12个通道的DMA控制器，3.3V的I/O电平，另外，片内还集成指令和数据SRAM，不过其片内SRAM容量较小只有80kB。ADSP-BF533还拥有丰富的I/O接口，包括：1个SPI兼容接口，2 个双通道全双工同步串行接口，支持8个立体声I²S通道，1个支持IrDA的通用异步串行口，支持 ITU-R656视频数据格式的并行外设接口，1个SPI兼容接口，多达16个GPIO接口，支持同步或者异步存储器的EBIU接口（EBIU，External Bus Interface Unit）。以ADSP-BF533为核心的DSP最小应用系统的配置结构如图5所示。

以ADSP-BF533为核心的DSP最小应用系统主要包括：DSP芯片、时钟电路、复位电路、配置电路、JTAG调试接口、SDRAM存储器扩展电路、FLASH存储器扩展电路和电源模块。

①时钟电路、复位电路、配置电路、JTAG调试接口

时钟电路、复位电路、配置电路、JTAG调试接口是ADSP-BF533正常工作所必须配置的外围电路。

ADSP-BF533所需时钟电路是由外部晶振产生的，通过CLKIN引脚接入，可选用标称频率为25MHz的外部晶振。ADSP-BF533有一个内部PLL，可对输入时钟做倍频来产生内部时钟，PLL倍频器可通过软件设置。

为了保证DSP芯片能进入正常的工作状态，复位操作是必不可少的部分，通过构建外部手动复位电路，可产生符合ADSP-BF533的复位引脚（RESET）要求的复位信号，使ADSP-BF533复位。

通过配置电路可控制DSP芯片的操作状态，也就是配置DSP芯片开始执行时需要的引导模式。ADSP-BF533有3种引导模式，如可选择“使用引导ROM，从8位或16位FLASH引导”模式。

ADSP-BF533芯片带有符合IEEEI149.1标准的JTAG接口，通过该接口可连接DSP仿真器，调试仿真采集系统。

②SDRAM存储器扩展电路和FLASH存储器扩展电路

在对振动信号的采集和处理过程中，需要一定量的存储空间用以支持数据的存储和程序的加载，而ADSP-BF533内部存储空间不足以完成这项功能，因此需要通过外部扩展存储器的方式提高系统的存储器容量。外扩存储器包括两个部分：一是用于存储系统程序和数据的SDRAM存储器，二是用于固化系统程序代码和配置信息的FLASH存储器。

SDRAM存储器扩展电路可选用Hynix Semiconductor公司HY57V561620CT-6存储芯片，其存储空间大小为32MB（4Banks×4M×16Bit)，包含4个bank，每个bank有4M个16位存储单元构成，数据总线的宽度为16位。该芯片采用3.3V电压供电，具有自动刷新功能。其时钟工作频率最高为166MHz，满足DSP的工作频率要求。

FLASH存储器扩展电路选择S29GL032A90TFIR4，它是一款NOR FLASH。

③电源模块

电源为DSP提供能量，是DSP良好工作的基础。特别是以ADSP-BF533作为主处理器的采集系统，需要为DSP提供高精度，高稳定性的供电电源。ADSP-BF533需要1.2V（供DSP核）、3.3V（供DSP的I/O缓冲接口）二种供电电压。

进一步地，为了提高前端数据采集模块1和远程分析中心2的数据传输速率，在前端数据采集模块的硬件设计中，扩展了网络接口模块6，其网络传输速度可达10/100M。网络接口模块6组成结构如图6所示。所述网络接口模块包括网络控制器、网络变压器和RJ-45插座，所述网络控制芯片的数据传输端与微处理器模块的数据传输端连接，网络控制芯片的数据传输端与网络变压器的数据传输端连接，网络变压器的数据传输端与RJ-45插座相连接。网络控制器选用Davicom公司的DM9000A芯片。DM9000A是一款10/100M自适应的网络控制芯片，其片内集成了MAC和PHY控制器，主要完成网络层次结构中的物理层和链路层的功能，包括：数据帧的编解码、数据组装与拆分、CRC校验、超时重传、链路完整性测试、接收噪声抑制、输出脉冲形成等。其中MAC模块主要是与处理器连接，PHY主要与网络插座连接，从物理线路中收发数据。网络变压器选用汉仁电子公司生产的HR91105A。HR91105A是一款集成有网络变压器和RJ-45插座的芯片，其优点是使用起来简单可靠、对电磁干扰具有良好的抑制作用、功耗低、价格便宜、方便硬件PCB设计。

综上所述：前端数据采集模块1的工作原理是：ICP加速度传感器7将感应到的外部振动信号变化为电信号后，由16选2通道切换模块8将所选择的2个输入通道分别切换至2组信号调理电路10进行隔直、滤波、单端信号到双端信号的转换等调理，再送入A/D转换模块3将模拟信号转换为数字信号后，送入DSP微处理器模块4，实现振动信号的数据采集。DSP对采集的振动信号可进行处理，并通过网络接口模块6传送到远程分析中心2对振动信号作时域与频域分析。另外，前端数据采集模块1的工作方式、采集参数的设置等都可通过网络接口模块6由远程分析中心配置。前端数据采集模块1除能实现16通道的振动信号采集外，还具有2路转速信号检测通道和2路继电器控制通道。

综上所述，前端数据采集模块1的工作过程：前端数据采集模块1上电后首先进行系统初始化，包括DSP引脚和内部各结构初始化、中断初始化、通信端口初始化、A/D采集初始化、计数器初始化等；然后等待远程分析中心2通过网络接口模块6传送来振动信号检测命令。当有命令传送来时，进入中断接受命令字，并解析命令字，进而按照命令字的内容进行相应的通道选择、信号大小程控、采样频率确定、采样点数确定、计数器计数、A/D采集、数据格式处理、越限判断等，按要求的采集点数完成数据采集后，通过网络接口模块6将采集数据传输到远程分析中心2。另外，前端数据采集模块1还具有定时解析保存的检测命令并启动振动信号采集的功能。

远程分析中心软件2模块主要包括：参数配置模块15、数据通信模块16、数据分析模块17、数据库维护模块18等。进入远程分析中心2应用软件系统后，首先利用参数配置模块15对振动信号检测的参数进行配置，如添加站点名称、添加设备名称、检测点位置、传感器安装位置、轴承数据等功能参数，还有采集通道、采样速率、采样点数、传感器的灵敏度等采集参数。配置好参数后可通过数据通信模块16将相关的采集参数通过网络传送给前端数据采集模块1，使其按照配置要求进行振动信号的采集。前端数据采集模块1采集得到的振动信号的加速度信号和旋转机械的转速信号可通过网络传递到远程分析中心2进行保存与分析。数据分析模块17包含对振动加速度数据的预处理、时域分析、频域分析，以及通过频域积分将振动加速度转换为速度、位移信息进行分析，分析结果可用参数及图形的形式显示与保存。通过转速信号可了解检测设备的运行转速以及振动信号中各谐波成分随转速变化的情况。数据库维护模块18包括数据库的备份、检测站点信息的删除以及检测记录的删除等。

对于远程分析中心2的应用软件，较为重要的模块是数据分析模块17，通过对检测到的振动加速度信号进行合理分析，可从分析结果判断旋转机械的工作状况及对出现的故障做出诊断。数据分析模块17的工作流程如图9所示。

远程分析中心2在对采集的数据进行分析处理之前，应对采集到的数据进行一些必须的预处理，使原始的信号得到一次增强或净化，从而使有用信号更加的准确和可信。信号的预处理主要包括零均值化、消除趋势项和降噪处理等。预处理后可对振动加速度信号进行时域和频域分析。时域分析包括显示振动加速度信号时域波形、振动加速度信号在时域中的特征参量（如峰值、均方值、方差、峰-峰值等统计参数）以及波形在不同时刻的相似性和关联性；频域分析是通过傅里叶变换方法，将时域信号由时间域转换到频率域，再分析信号的各种频率及相应的频率范围，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息。信号积分是对测得的加速度信号进行积分得到速度、位移信号，以便对旋转机械振动的速度、位移进行时域与频域分析。

一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统的方法，包括以下步骤：

S1：利用前端数据采集模块1采集振动信号的加速度信号和旋转机械的转速信号；所述加速度信号是利用ICP加速度传感器7、信号调理电路模块、A/D转换模块3、接口逻辑电路模块4将该加速度信号转换为数字信号后输入到微处理器模块5；旋转机械的转速信号是利用转速传感器11、整形电路12将该转速信号输入到微处理器模块5；

S2：利用网络接口模块6将检测到的振动信号的加速度信号和旋转机械的转速信号传输到远程分析中心2；

S3：远程分析中心2包括参数配置模块15、数据通信模块16、数据分析模块17和数据库维护模块18，远程分析中心2对采集到的数据进行处理、分析和控制前端数据采集模块1。

进一步地，所述步骤S2中的网络接口模块6包括网络控制器、网络变压器和RJ-45插座；在Visual DSP++集成开发环境下，自主开发网络控制器的底层驱动程序，包括网络控制器寄存器的读写、网络控制器的初始化、数据帧的发送与接收；特别是根据应用要求，对庞大而又复杂的TCP/IP协议栈进行了一定程度的裁剪，高效率的实现了精简的TCP/IP协议栈（包括ARP、ICMP、IP、TCP等协议模块）。

进一步地，所述步骤S3中的数据分析模块包括以下步骤：

（1）从数据库中查询并读取要分析的数据记录；

（2）对数据进行预处理，包括零均值化、消除趋势项和降噪处理；

（3）对数据进行时域分析和频域分析；所述时域分析包括显示时域波形、振动加速度信号在时域中的特征参量以及波形在不同时刻的相似性和关联性；所述频域分析为通过傅里叶变换方法，将时域信号由时间域转换到频率域，再分析振动加速度信号的各种频率及相应的频率范围，以获得振动加速度信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息；

（4）对测得的加速度信号进行积分得到速度、位移信号，从而可对旋转机械振动的速度、位移进行时域与频域分析。在旋转机械的振动测试中，涉及振动加速度、速度和位移三个参量。从实施的角度看，振动速度和位移的测量容易受到环境或传感器安装条件的限制，无法直接测量，而加速度传感器因其体积小、重量轻、安装方便得到了更为广泛的应用。但是在旋转机械的运行状态评估中往往需要振动速度和位移信息，而且对大多数旋转机械来说，反映振动强度的理想参数是速度，因此就需要将加速度信号经积分转换为速度和位移信号。

进一步地，所述降噪处理采用的是利用第二代小波对信号进行分解，采用改进阈值函数对分解信号的小波系数做阈值处理，然后对阈值处理后的系数进行小波逆变换，对信号进行重构，从而实现信号降噪。由于各种复杂因素影响，旋转机械的振动信号一般容易受到噪声的干扰，使得信号中的故障信息被淹没在强大的噪声中，因此，要获得振动信号的准确特征并依据这些特征进行旋转机械运行状态的监测和故障诊断，必须首先进行信号的消噪处理。小波分析技术由于其良好的时频局部化性质，对突变和非平稳信号的分析具有良好的效果，已经成为信号消噪、特征提取和故障诊断的重要方法之一。在小波降噪方法中，阈值决策降噪法最为常用，但如何选取合适的阈值一直是焦点问题。为了取得良好的降噪效果，所述降噪处理采用的是第二代小波与改进阈值函数相结合的信号降噪方法，与传统小波相比，降噪后的信号更加平滑，信噪比更高，同时，第二代小波具有不依赖于傅里叶变换，构造方法灵活，占用内存少，计算速度更快，计算方法更方便等优点。

显然，本发明的上述实施例是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方法一一举例。而这些属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统，其特征在于：包括前端数据采集模块（1）和远程分析中心（2），前端数据采集模块（1）通过以太网络与远程分析中心（2）连接；所述前端数据采集模块（1）包括加速度传感器模块、通道切换模块、恒流供电电路模块、信号调理电路模块、A/D转换模块（3）、接口逻辑电路模块（4）、微处理器模块（5）、网络接口模块（6）、转速信号检测模块、继电器模块；所述加速度传感器模块通过依次连接的通道切换模块、信号调理电路模块、A/D转换模块（3）和接口逻辑电路模块（4）与微处理器模块（5）的输入端连接；所述恒流供电电路模块的输出端通过通道切换模块后与加速度传感器模块电源端连接；所述转速信号检测模块的输出端与微处理器模块（5）的输入端连接；所述微处理器模块（5）的数据传输端与网络接口模块（6）连接；所述微处理器模块（5）的输出端与继电器模块的输入端连接；所述远程分析中心（2）包括参数配置模块（15）、数据通信模块（16）、数据分析模块（17）和数据库维护模块（18）。

2.根据权利要求1所述的一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统，其特征是：所述加速度传感器模块包括16路ICP加速度传感器（7），分别连接到通道切换模块的输入端；所述通道切换模块为16选2通道切换模块（8）；所述恒流供电电路模块包括2组恒流供电电路（9），通过通道切换模块后分别与2路ICP加速度传感器（7）的电源端连接；所述信号调理电路模块包括2组信号调理电路（10），分别与通道切换模块的两个输出端连接，2组信号调理电路（10）均包括依次连接的隔直电路、程控衰减电路和差分输入缓冲电路；所述程控衰减电路包括双向峰值检波判别电路和电压衰减电路；所述双向峰值检波判别电路包括绝对值电路、峰值检波电路和比较判断电路，峰值检波电路的输入端与绝对值电路的输出端连接，其输出端与比较判断电路连接；比较判断电路的输出端与微处理器模块（5）的输入端连接；所述电压衰减电路包括电阻衰减电路和电压跟随器电路；电压跟随器电路的输入端与电阻衰减电路连接，其输出端分别与双向峰值检波判别电路和差分输入缓冲电路的输入端连接；电阻衰减电路的输入端与隔直电路的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统，其特征是：所述转速信号检测模块包括2个转速传感器（11）和2路整形电路（12）；2路整形电路（12）的输入端分别与2个转速传感器（11）连接，其输出端分别与微处理器模块（5）的输入端连接；所述转速信号检测模块用于旋转机械的转速检测；所述继电器模块包括2路驱动电路（13）和2组继电器（14），2路驱动电路（13）的输入端分别与微处理器模块（5）的输出端连接，其输出端与2个继电器（14）分别连接；所述继电器（14）用于连接被控制的外设。

4.根据权利要求1所述的一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统，其特征是：所述A/D转换模块（3）为芯片CS5361；所述接口逻辑电路模块（4）由FPGA芯片实现，FPGA芯片实现的接口逻辑电路包括依次连接的串并转换模块、格式处理模块、FIFO存储器、缓冲接口模块，串并转换模块的输入端与所述A/D转换模块（3）的输出端连接，缓冲接口模块与微处理器模块（5）的数据传输端连接，还包括与所述A/D转换模块（3）的控制端连接的ADC控制逻辑模块。

5.根据权利要求1所述的一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统，其特征是：所述微处理器模块（5）包括DSP芯片、时钟电路、复位电路、配置电路、JTAG调试接口、SDRAM存储器扩展电路、FLASH存储器扩展电路和电源模块；所述DSP芯片的输入端与时钟电路、复位电路、电源模块的输出端连接，其数据传输端与SDRAM存储器扩展电路和FLASH存储器扩展电路的数据传输端连接，其引导模式配置端和JTAG接口分别与配置电路和JTAG调试接口连接。

6.根据权利要求1所述的一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析系统，其特征是：所述网络接口模块包括网络控制芯片、网络变压器和RJ-45插座，所述网络控制芯片的数据传输端与微处理器模块（5）的数据传输端连接，网络控制芯片的数据传输端与网络变压器的数据传输端连接，网络变压器的数据传输端与RJ-45插座连接。

7.一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析方法，其特征是：包括以下步骤：

S1：利用前端数据采集模块（1）采集振动信号的加速度信号和旋转机械的转速信号；所述加速度信号是利用ICP加速度传感器（7）、信号调理电路模块、A/D转换模块（3）、接口逻辑电路模块（4）将该加速度信号转换为数字信号后输入到微处理器模块（5）；旋转机械的转速信号是利用转速传感器（11）、整形电路（12）将该转速信号输入到微处理器模块（5）；

S2：利用网络接口模块（6）将检测到的振动信号的加速度信号和旋转机械的转速信号传输到远程分析中心（2）；

S3：远程分析中心（2）包括参数配置模块（15）、数据通信模块（16）、数据分析模块（17）和数据库维护模块（18），远程分析中心（2）对采集到的数据进行处理、分析和控制前端数据采集模块（1）。

8.根据权利要求7所述的一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析方法，其特征是：所述步骤S2中的网络接口模块（6）包括网络控制芯片、网络变压器和RJ-45插座；在Visual DSP++集成开发环境下，自主开发了网络控制芯片的底层驱动程序，包括网络控制芯片寄存器的访问、网络控制芯片的初始化配置、数据帧的发送与接收；根据应用要求，对TCP/IP协议栈进行裁剪，实现了精简的TCP/IP协议栈，包括包地址解析协议、网络报文控制协议、网络互连协议、传输控制协议。

9.根据权利要求7所述的一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析方法，其特征是：所述步骤S3中的数据分析模块（17）包括以下步骤：

（1）从数据库中查询并读取要分析的数据记录；

（2）对数据进行预处理，包括零均值化、消除趋势项和降噪处理；

（3）对数据进行时域分析和频域分析；所述时域分析包括显示振动加速度信号时域波形、振动加速度信号在时域中的特征参量以及波形在不同时刻的相似性和关联性；所述频域分析为通过傅里叶变换方法，将时域信号由时间域转换到频率域，再分析振动加速度信号的各种频率及相应的频率范围，以获得振动加速度信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息；

（4）对测得的振动加速度信号进行积分得到速度、位移信号，从而可对旋转机械振动的速度、位移进行时域与频域分析。

10.根据权利要求9所述的一种旋转机械多通道振动信号的在线检测与分析方法，其特征是：所述降噪处理采用的是利用第二代小波对振动加速度信号信号进行分解，采用改进阈值函数对分解信号的小波系数做阈值处理，然后对阈值处理后的系数进行小波逆变换，对信号进行重构，从而实现信号降噪。