CN109031991A - 一种基于虚拟仪器开发平台的旋转机械信号测量和故障信号模拟输出装置 - Google Patents

一种基于虚拟仪器开发平台的旋转机械信号测量和故障信号模拟输出装置 Download PDF

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Abstract

针对传统信号发生器及其技术方案的不足，本发明的目标是研制一种信号测量和输出装置，该装置可以在完成所研究对象的故障特征信号测量后，反过来，利用装置作为逆系统，代替被测量对象输出故障信号，使设备故障状态复现，用于检验和研究故障诊断算法的准确率和实时性。本发明将充分利用虚拟仪器（LabVIEW）平台对信号进行综合处理的功能和任意信号发生的功能。要解决的具体问题包括：①、开发前端数据采集器实现现场采集旋转机械故障信号，应用ARM处理器自身强大的模数转换器对信号进行模数转换，通过USB传输通道快速传输至LabVIEW平台作为信号源输入；②、利用LabVIEW平台的波形产生子模块构造故障函数或数组波形输出功能，模拟所研究的旋转机械的特定的故障特征信号输出。本发明可以根据实测特征数据模拟被测对象，快速搭建出所研究对象的模拟实验平台，尤其是在具有破坏性实验如机械故障产生、发展过程和故障诊断领域的场合，将体现出独特的优势，便于实验数据的反复使用而不再具有破坏性。

Description

一种基于虚拟仪器开发平台的旋转机械信号测量和故障信号 模拟输出装置
技术领域
本发明属于信号测量和故障信号输出领域，尤其涉及一种基于虚拟仪器开发平台的旋转机械信号测量和故障信号模拟输出装置。该装置可以在完成所研究对象的故障特征信号测量后，反过来，利用装置作为逆系统，代替被测量对象输出故障信号，使设备故障状态复现，用于检验和研究故障诊断算法的准确率和实时性。
背景技术
随着科技的进步，一些特殊领域对信号源的要求也逐渐提高，如：科研人员在从事故障诊断研究工作时需要有真实的故障信号输入，以便对旋转机械是否发生故障和故障类型进行研究；同时，在已知故障的情况下，研究人员又希望进行同一类故障信号的复现，以便于对不同的故障诊断算法的准确率和实时性进行对比研究。
现场监控以低速采集为主，即使使用高速采集但由于故障产生的不确定性致使在采集了海量正常状态无效数据的同时故障信号仍难以捕捉，另外，在故障发生时往往伴随着极大地破坏性的客观情况为故障诊断研究带来了现实的困难。鉴于此，对于故障诊断的研究往往是通过在实验室搭建一个实物模拟系统，通过人为的设置故障，来得到故障信号，实验数据获取方面仍存在代价昂贵的问题；因此，客观上需要研究一种满足故障信号模拟输出的装置。
由于所需要模拟的故障信号较复杂、频率范围宽，而传统的信号发生器产生的模拟信号频率偏低、类型有限，且主要依靠硬件实现，存在功能单一、价格昂贵、不易二次开发及可维护性较差等缺点，无法满足需求。
随着计算机和虚拟仪器技术的发展，基于LabVIEW 图形化虚拟仪器开发平台，与NI数据采集模块、单片机、FPGA相结合，利用其功能模块Functions /Analyze /WaveformGeneration中包含多种波形发生vi，在 LabVIEW中可以轻松得到和输出多种固定波形和任意波形。
发明内容
本发明提供一种基于虚拟仪器开发平台的旋转机械信号测量和故障信号模拟输出装置。为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明是一种基于虚拟仪器开发平台的旋转机械故障信号测量和故障信号模拟输出装置，由下位机数据采集模块、信号发生模块和上位机波形数据构造模块构成。所述下位机数据采集模块和信号发生模块的核心为ARM处理器。
进一步，所述下位机数据采集模块包括加速度传感器、信号调理模块和ARM处理器。所述加速度传感器和信号调理模块输入端相连，将采集到的振动模拟信号传送至信号调理模块。所述信号调理模块作用是将传送来的模拟信号进行滤波、放大和偏置处理。所述信号调理模块输出端与ARM处理器的A/D模数转换器对应的GPIO口相连，所述ARM处理器的A/D模数转换器能够将采集到的模拟信号转换为数字信号。所述ARM处理器采用ADC（模/数转换）校正算法对采样过程进行校正，以提高ADC（模/数转换）的采样精度。所述ARM处理器将转换完成的数字信号转存到SD存储模块或通过USB接口芯片传输给上位机做进一步分析处理，完成旋转机械振动信号的采集工作。
进一步，所述下位机信号发生模块包括ARM处理器、DDS芯片、时钟模块、D/A高速转换芯片和低通滤波器。所述DDS芯片通过ARM处理器接收来自上位机LabVIEW平台的波形数据后，将该波形数据及生成的频率控制字输入到对应的寄存器，所述DDS芯片根据DDS（直接数字合成）原理，生成波形幅度码传输至D/A高速转换芯片。所述时钟模块为DDS芯片及D/A高速转换芯片提供时钟脉冲。所述D/A高速转换芯片将波形幅度码转换为阶梯波形，再通过低通滤波器平滑处理后得到最终输出的波形。
进一步，所述ARM处理器为下位机的控制核心，选用高性能的Cotex-M3内核处理器STM32F103ZET6，控制各模块之间的运行和通信，既能够将振动信号的模拟量转换为数字量保存至SD存储模块或通过USB接口芯片传输给上位机。又能够接收来自上位机的波形数据，控制信号发生模块输出旋转机械故障模拟波形。
进一步，所述USB接口芯片用于上位机LabVIEW平台和下位机ARM处理器之间的数据通信。LabVIEW平台通过USB数据总线向USB接口芯片发送波形数据，所述USB接口芯片将接收的波形数据存储到对应的端点缓冲区，ARM处理器读取该端点缓冲区数据进行下一步处理。ARM处理器可以将数据采集模块完成的数字信号通过USB接口芯片传输给上位机LabVIEW平台做进一步分析处理。
进一步，所述一体化工控机采用研华科技型号为YSU-1208的上翻式便携机，从而摒弃带有笨重机箱的传统工控机。一体化工控机得以在本装置中使用，依赖于上下位机USB通信方式，摆脱了数据采集卡对PCI插槽的依赖。该工控机采用一体化结构，体积小，重量轻，便于携带。
进一步，所述稳压电源模块包括镍镉电池组和电源变换器。为下位机各模块的正常工作提供电能。
进一步，所述SD存储模块用于旋转机械故障数据的保存管理，方便在脱离上位机的情况下，保存现场数据。
进一步，所述上位机波形数据构造模块基于一体化工控机安装的LabVIEW平台实现。LabVIEW软件将下位机发送来的或SD存储模块中的离散数字信号转换为波形数据存储至波形表中。用户还可以通过构造含特定故障特征的正弦波函数，在LabVIEW平台的For循环结构中添加“公式节点”结构，然后在“公式节点”结构中输入正弦波函数公式，然后执行For循环，生成原始波形数据，经过相关运算存储至波形表中。所述LabVIEW平台通过调用虚拟仪器软件结构（Virtual Instrument Software Achitecture，以下简称VISA）函数库中的“写入函数”，利用USB串行总线将波形数据传输至下位机ARM处理器进行下一步处理。所述LabVIEW平台利用VISA与USB设备进行通信。它是一种高级应用编程接口（API），且通信时不需要对数据格式进行转换，降低了开发难度。VISA用于USB驱动的创建并利用其互动控制工具测试USB设备的通信情况。
进一步，所述信号发生模块中的DDS芯片采用AD公司型号为AD9854的直接数字频率合成芯片。
进一步，所述USB接口芯片采用支持USB3.0协议的CYUSB3014芯片用于上位机与下位机之间的数据高速通信。
附图说明
图1为本发明结构连接框图。用于表明系统各模块的连接关系。
图2为本发明下位机信号发生模块的连接框图。用于表明下位机信号发生模块的内部连接关系。
图3为本发明信号发生模块工作流程图。用于表明信号发生模块的工作方式和流程。
图中标号：10、振动信号检测模块，11、加速度传感器，12、信号调理模块，20、ARM处理器，21、A/D模数转换器，30、一体化工控机，31、LabVIEW平台，32、USB驱动，40、旋转机械测试平台，50、稳压电源模块，60、SD存储模块，70、信号发生模块，71、DDS芯片，72、时钟模块，73、D/A高速转换芯片，74、低通滤波器，80、USB接口芯片。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参照附图1所示，本发明是一种基于虚拟仪器开发平台的旋转机械信号测量和故障信号模拟输出装置，由下位机数据采集模块、信号发生模块和上位机波形数据构造模块构成。
所述下位机数据采集模块包括ARM处理器20，所述ARM处理器20的GPIO通用I/O引脚通过电源线和振动信号检测模块10、稳压电源模块50、SD存储模块60、USB接口芯片80连接。所述下位机信号发生模块包括ARM处理器20，所述ARM处理器20的GPIO通用I/O引脚通过电源线与USB接口芯片80、信号发生模块70相应的功能控制引脚连接。
所述下位机数据采集模块包括加速度传感器11、信号调理模块12和ARM处理器20。所述加速度传感器11适应范围广，振动频率在1Hz到20KHz都可以采用。所述加速度传感器11和信号调理模块12输入端相连，将从旋转机械测试平台40采集到的振动模拟信号传送至信号调理模块12。所述信号调理模块12的作用是将传送来的模拟信号进行滤波、放大和偏置处理。所述信号调理模块12的输出端与ARM处理器20的A/D模数转换器21对应的GPIO口相连，所述ARM处理器20的A/D模数转换器21属于12位逐次逼近型的模拟数字转换器，能够将采集到的模拟信号转换为数字信号，ARM处理器20共有3个ADC控制器，最多支持16个外部通道，旋转机械设备8路振动模拟信号量采取差分输入方式传输至ARM处理器20的A/D模数转换器21。当采样多个通道时，使用DMA（Direct Memory Access）传输可以避免数据丢失。所述ARM处理器20采用ADC（模/数转换）校正算法对采样过程进行校正，以提高ADC（模/数转换）的采样精度，保证信号发生模块70能够根据离散数据拟合的振动信号波形更接近于实际转换曲线，且采样频率必须满足采样定理。所述ARM处理器20将转换完成的数字信号转存到SD存储模块60或通过USB接口芯片80传输给上位机做进一步分析处理，完成旋转机械振动信号的采集工作。本发明充分利用ARM处理器20的ADC资源丰富、处理速度快的特点，不用采用市面上的PCI数据采集卡，既节省了空间，又降低了装置的成本。
所述ARM处理器20为下位机的控制核心，选用高性能的Cotex-M3内核处理器STM32F103ZET6，控制各模块之间的运行和通信。既能够将振动信号的模拟量转换为数字量保存至SD存储模块60或通过USB接口芯片80传输给一体化工控机30的LabVIEW平台31；又能够接收来自上位机LabVIEW平台31的波形数据，控制信号发生模块70输出旋转机械故障模拟波形。
所述USB接口芯片80用于上位机LabVIEW平台31和下位机ARM处理器20之间的数据通信。LabVIEW平台31通过USB数据总线向USB接口芯片80发送波形数据，USB接口芯片80将接收的波形数据存储到对应的端点缓冲区，ARM处理器20读取该端点缓冲区数据进行下一步处理。ARM处理器20可以将数据采集模块完成的数字信号通过USB接口芯片80传输给上位机LabVIEW平台31做进一步分析处理。本发明采用的USB3.0接口芯片CYUSB3014提供了更快的传输速度和更高的节能效率，较传统的RS232/485串口有了极大的提升。
所述稳压电源模块50包括锂电池组和电源变换器。电源变换器通过DC-DC变换，将电能转换成系统所需不同电压值为下位机数据采集模块及信号发生模块70供电。
所述SD存储模块60用于在脱离上位机的情况下旋转机械故障数据的保存管理，方便进行保存原始波形数据做后续处理。
所述上位机波形数据构造模块基于一体化工控机30安装的LabVIEW平台31实现。所述LabVIEW平台31将下位机发送来的或SD存储模块60中的离散数字信号转换为波形数据存储至波形表中。用户还可以通过构造含特定故障特征的正弦波函数，在LabVIEW平台31的For循环结构中添加“公式节点”结构，然后在“公式节点”结构中输入正弦波函数公式，通过执行For循环，即可生成原始波形数据，经过相关运算存储至波形表中。所述LabVIEW平台31通过调用VISA函数库中的“写入函数”，利用USB串行总线将波形表中的波形数据传输至下位机ARM处理器20进行下一步处理。所述LabVIEW平台31利用VISA与USB设备进行通信。它是一种高级应用编程接口（API），且通信时不需要对数据格式进行转换，降低了开发难度。VISA用于USB驱动32的创建并利用其互动控制工具测试USB设备的通讯情况。
参照附图2所示，所述下位机信号发生模块70包括DDS芯片71、时钟模块72、D/A高速转换芯片73和低通滤波器74。所述DDS芯片71接收通过ARM处理器20接收的来自上位机LabVIEW平台31的波形数据后，将该波形数据及生成的频率控制字输入到对应的寄存器。所述DDS芯片71根据DDS原理，生成波形幅度码传输至D/A高速转换芯片73。所述时钟模块72为DDS芯片71和D/A高速转换芯片73提供时钟脉冲。所述D/A高速转换芯片73将波形幅度码转换为阶梯波形。由于DDS芯片71输出的波形含有较多的谐波分量，故需要在DDS芯片71的输出端加一低通滤波器74滤除杂波平滑信号。所述低通滤波器74采用一个9 阶椭圆滤波器进行低通滤波。通过低通滤波器74平滑处理后得到最终输出的波形。所述信号发生模块70输出波形的频率需满足奈奎斯特（Nyquist）采样定理。
参照附图3所示，所述DDS芯片通过ARM处理器接收来自上位机LabVIEW平台的波形数据并生成频率控制字FCW，然后将波形数据和频率控制字FCW分别发送到ROM表和相位累加器，参考时钟提供一个时钟脉冲，相位累加器中的全加器将频率控制字FCW和累加寄存器输出的相位累加数据相加，并作为累加寄存器的输入，累加寄存器将上一个时钟作用产生的相位数据反馈到全加器输入端，使全加器在下一个时钟作用下继续与频率控制字FCW相加，实现相位累加工作。当相位累加器溢出时，完成一个周期的动作。相位累加器的输出结果即为ROM表的寻址地址，通过查表方式读取相应的波形数据作为波形幅度码，然后传输至D/A高速转换芯片进行D/A转换，最后经过低通滤波输出波形。输出波形的频率为，式中表示输出频率，表示频率控制字，为相位累加器的长度，为参考时钟提供的时钟频率。
本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于虚拟仪器开发平台（LabVIEW）的旋转机械故障信号测量和模拟输出装置，其特征在于包括下位机数据采集模块、信号发生模块和上位机波形数据构造模块。将故障信号采集处理和故障信号模拟输出两大功能集成一台仪器内，使虚拟仪器不仅具有检测、分析和存储故障产生和发展的过程能力，并以此数据为基础实现了模拟研究对象，复现故障产生和发展的输出功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器开发平台（LabVIEW）的旋转机械故障信号测量和模拟输出装置，其特征在于所述上位机波形数据构造模块基于一体化工控机（30）安装的LabVIEW平台（31）实现。LabVIEW平台（31）将下位机ARM处理器（20）发送来的或SD存储模块（60）中的离散数字信号转换为存储至波形表中作为工业现场波形数据。用户还可以通过构造含特定故障特征的正弦波函数，利用LabVIEW平台（31）的For循环结构生成原始波形数据，经过相关运算存储至波形表中，用于故障模拟信号的输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器开发平台（LabVIEW）的旋转机械故障信号测量和模拟输出装置，其特征在于所述的下位机以ARM处理器（20）为数据处理和控制核心，选用高性能的Cotex-M3内核处理器STM32F103ZET6，控制系统的数据采集和信号发生各模块之间的运行和通信；所述USB接口芯片（80）用于上位机LabVIEW平台（31）和下位机ARM处理器（20）之间的数据通信，多个环节均可以满足连续高速信号采集和模拟故障高频信号输出功能需求。
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