CN201583828U - 一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统 - Google Patents

一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统 Download PDF

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谷玉海
王少红
徐小力
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北京信息科技大学
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Abstract

本实用新型涉及一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统,它包括一传感器、一信号处理底板、一核心板、一液晶触摸式的显示屏和一电源;传感器将采集信号输入信号处理底板内,信号处理底板与核心板插接,并由核心板控制信号处理底板对所有信号进行前置处理、数据采集及数据通讯处理;信号处理底板将处理后的信号由与其连接的显示屏进行在线实时显示信息;信号处理底板、核心板和显示屏均由电源供电。本实用新型由于采用嵌入式计算机核心板控制信号处理底板对被测信号进行前置处理、数据采集及数据通讯等,且核心板和信号处理底板底板采用插接的方式进行连接,因此减少了电路板数量,提高了系统的集成度及可靠性。本实用新型可以广泛应用于各种机电设备状态监测中。

Description

一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种嵌入式及测试分析系统,特别是关于一种嵌入式机电设备状 态监测及故障诊断系统。
背景技术
[0002] 旋转机械在工业生产中有着广泛的使用,而且很多在生产中占据了重要的地位。 为了满足生产需要,这些设备一般都处于连续运转状态,如果这些设备出现故障,不但会导 致重大事故,而且还会严重影响生产,带来重大的经济损失,因此保证其安全稳定的运行是 保证生产的关键。目前大多数大型关键的旋转机械都已安装在线及远程的状态监测及故障 诊断系统,但是很多中小型设备只是安装了非常简单的监测设备,也只对一些常规参数进 行监测,这些中小型设备也有很多处于生产的关键环节,一旦出现故障也会造成很大事故 及损失,因此有必要对这些中小型设备定期进行状态监测、故障诊断及预测。
[0003] 目前,已经出现了很多类型的便携式设备运行状态监测仪器,但这些设备大多只 是单一参数的监测,能够进行多参数监测的比较少,并且这些设备只能进行前端数据采集 及波形显示,数据的分析及诊断等功能需要通过将数据导入计算机来实现。并且多数状态 监测产品便携性差、体积大、质量重,不便于在工业现场灵活使用,大多数功能较强的设备 状态监测产品大都采用了 Windows操作系统,虽然易于编程,但系统开销大,系统的响应速 度慢。而且一般的远程实时监控系统需要在现场配置专用的工控计算机用于设备的状态数 据采集及监控,这样不仅成本较高,而且无论是功耗还是体积上都受到现场环境的限制。因 此,设计基于嵌入式技术的多参数多功能的便携式设备状态监测及故障诊断系统,对生产 企业降低设备维护成本,提高维修效率具有重要意义。
发明内容
[0004] 针对上述问题,本实用新型的目的是提供一种结构简单、适用范围广泛、灵活性较 高且可移动的嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统。
[0005] 为实现上述目的,本实用新型采取以下技术方案:一种嵌入式机电设备状态监测 及故障诊断系统,其特征在于:它包括一传感器、一信号处理底板、一核心板、一液晶触摸式 的显示屏和一电源;所述传感器将采集信号输入所述信号处理底板内,所述信号处理底板 与所述核心板插接,并由所述核心板控制所述信号处理底板对所有信号进行前置处理、数 据采集及数据通讯处理;所述信号处理底板将处理后的信号由与其连接的所述显示屏进行 在线实时显示信息;所述信号处理底板、核心板和显示屏均由所述外部电源或锂电池供电。
[0006] 所述信号处理底板包括一振动信号前置预处理模块、一辅助信号调理模块和一转 速测量模块,所述传感器将采集信号分别输入所述振动信号前置预处理模块、辅助信号调 理模块和转速测量模块内,所述振动信号前置预处理模块将信号经一个四通道同步模数转 换器采集后,输入所述核心板;所述辅助信号调理模块将信号调理后进一步经一个四通道 模数转换器采集后,输入所述核心板;所述核心板连接串行接口模块、USB接口模块、数据
4存储模块、音频输入输出模块、网络接口、液晶屏接口、液晶屏背光控制模块、触摸屏输入接 口以及键盘及鼠标接口 ;全部模块均与一电源变换模块连接,所述电源变换模块还连接一 锂电池。
[0007] 所述串行接口模块和音频输入输出模块分别连接超声探伤模块、红外测温模块和 噪声监测模块。
[0008] 所述振动信号前置预处理模块包括一速度传感器、一陶瓷剪切压电式加速度传感 器和一光电编码器,所述速度传感器和陶瓷剪切压电式加速度传感器将采集的信号均送入 一双刀双掷继电器,通过所述双刀双掷继电器分别将信号输入一电流放大器和一电压放大 器内,所述电流放大器的输入端还连接一电流恒流源;各传感器信号经放大后输入一低通 滤波器内,所述低通滤波器的输入端还连接一可编程逻辑控制器,经所述低通滤波器滤波 后的传感器信号输入所述四通道同步模数转换器内;所述光电编码器输出的鉴相信号经一 鉴相脉冲放大整形模块后,输入所述可编程逻辑控制器。
[0009] 所述辅助信号调理模块包括另一双刀双掷继电器、一电流电压转换模块、一电压 跟随器、一可编程增益放大器和一低通滤波器;所述双刀双掷继电器输出端分别连接所述 电流电压转换模块和电压跟随器,所述电流电压转换模块和电压跟随器并联后经过所述可 编程增益放大器连接所述低通滤波器,信号经所述低通滤波器处理后输入所述四通道模数 转换器内。
[0010] 所述电源变换模块包括一锂电池充电管理模块、两二极管、一降压电路、一低压差 线性稳压模块和一 5V转士 5V模块,所述锂电池充电管理模块输入端连接所述外置电源,输 出端连接所述锂电池,所述锂电池和电源分别经过一个所述二极管并联连接所述降压电路 的输入端,将信号降压后分别输入所述低压差线性稳压模块和所述5V转士 5V模块后输出。
[0011] 所示核心板包括PXA270处理器,所示PXA270处理器的输入输出端口分别连接 128M随机存取存储器、32M非易失闪存、以太网接口芯片和输入输出接口,所示输入输出接 口与所示以太网接口芯片连接,由所示输入输出接口连接所述信号处理底板;所述PXA270 处理器采用Intel公司生产的Xscale处理器PXA270C5C520。
[0012] 本实用新型由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本实用新型采用嵌入式 计算机核心板控制信号处理底板内被测信号的前置放大、选择、滤波、数据采集及数据通讯 等处理。且核心板和信号处理底板采用插接的方式进行连接,减少了电路板数量,将功能全 部集成在信号处理底板上实现,提高了系统的集成度及可靠性,大大减少了系统体积。2、本 实用新型由于采用四通道同步AD转换器实现四路振动加速度或振动速度信号的采集,通 过整形放大及FPGA实现转速信号的采集,在监测振动信号的同时还可以监测温度、压力、 噪声等多种信号,因此具有很大的灵活性,能够适应大多数场合对设备状态监测及故障诊 断的要求。3、本实用新型由于采用高亮度触摸式液晶显示屏,在室外自然光下使用时,采用 触摸屏操作,方便快捷。4、本实用新型由于采用数据存储模块对所有数据进行存储,当出现 断电情况时,不会丢失数据,并且可以根据记录间隔不同,能够存储几月到几年的数据,而 且存储的数据也方便转移备份。5、本实用新型由于可以通过RS232接口模块和音频输入输 出模块配备超声波探伤传感器、红外测温模块及噪声监测模块等实现非接触式测量以及其 他常规参数测量,为常规测量提供更多分析数据和手段。6、本实用新型由于采用嵌入式计 算机核心板对整个系统进行控制,具有多种接口,因此使得整个系统功能较多、功耗和体积较小,并且能支持以太网接口。本实用新型可以广泛应用于各种机电设备状态监测中。 附图说明
[0013] 图1是本实用新型的系统总体结构示意图,
[0014] 图2是本实用新型的信号处理底板结构示意图,
[0015] 图3是本实用新型的核心板结构示意图,
[0016] 图4是本实用新型的振动信号前置预处理模块结构示意图,
[0017] 图5是本实用新型的辅助信号调理模块结构示意图,
[0018] 图6是本实用新型的电源变换模块结构示意图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
[0020] 本实用新型是结合RISC (精简指令集计算机)处理器、FPGA (可编程逻辑控制器) 及嵌入式操作系统Windows CE,提供一种嵌入式可移动的设备状态监测及故障诊断系统。 [0021 ] 如图1所示,本实用新型包括一传感器1、一信号处理底板2、一核心板3、一触摸式 液晶显示屏4和一电源5。传感器1将采集的所有信号输入信号处理底板2内,信号处理底 板2与核心板3插接,并由核心板3控制信号处理底板2对所有信号进行前置放大、选择、 滤波、数据采集及数据通讯等处理。信号处理底板2将处理后的信号由与其连接的显示屏 4进行在线实时显示信息。信号处理底板2、核心板3和显示屏4均由24V的电源5进行供
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[0022] 如图2所示,本实用新型的信号处理底板2包括一振动信号前置预处理模块6、一 辅助信号调理模块7和一转速测量模块8,传感器1将采集的所有信号分别输入振动信号 前置预处理模块6、辅助信号调理模块7和转速测量模块8内,振动信号经前置预处理模块 6处理后送至一个四通道同步AD转换器9进行采集,采集结果输入核心板3内,由核心板3 控制实现四路振动信号的调理及同步采样;辅助信号调理模块7将信号处理后经一个四通 道AD转换器10采集后,输入核心板3内,由核心板3控制实现四通道辅助信号(如温度、 压力等信号)的数据采集;核心板3还连接RS232(串行接口)接口模块11、USB接口模块 12、数据存储模块13、音频输入输出模块14、网络接口 15、液晶屏接口 16、液晶屏背光控制 模块17、触摸屏输入接口 18以及PS/2键盘及鼠标接口 19,在核心板3的控制下实现各自 功能。并且全部模块均与一电源变换模块20连接,由电源变换模块20将24V外部供电变 换为所需要的电源后为各模块提供电源,以及实现对与电源变换模块20连接的锂电池21 进行充电管理。当在不方便使用外接电源时,有自配的锂电池21对整个系统进行供电。
[0023] 上述实施例中,通过RS232接口模块11和音频输入输出模块14还可以分别连接 超声探伤模块或红外测温模块和噪声监测模块,进而实现对被测设备的温度及噪声进行监 测。
[0024] 如图3所示,上述实施例中,核心板3包括PXA270处理器31,PXA270处理器31的 输入输出端口分别连接128M RAM32 (随机存取存储器)、32M NOR Flash33 (非易失闪存)、 以太网接口芯片34和输入输出接口 35,输入输出接口 35与以太网接口芯片34连接,并由 输入输出接口 35实现与信号处理底板2的连接。[0025] PXA270处理器31采用Intel公司生产的Xscale处理器PXA270C5C520,该款芯片 引入了 X86架构奔腾4系列上的多媒体扩展功能,具有高性能的多媒体处理能力,同时加入 了 Intel SpeedStep动态电源管理技术,在保证CPU性能的情况下,最大限度地降低移动设 备功耗。
[0026] 如图4所示,上述实施例中,振动信号前置预处理模块6包括一速度传感器61、一 ICP (陶瓷剪切压电式)加速度传感器62和一光电编码器63,速度传感器61和ICP加速度 传感器62将采集的信号均送入一微型的双刀双掷继电器64,通过继电器64分别将信号输 入一电流放大器65和一电压放大器66内,进而实现根据不同传感器选择不同的放大器;电 流放大器65的输入端还连接一恒流源67,实现为ICP加速度传感器62提供恒定电流。各 传感器信号经过电流放大或电压放大后输入一低通滤波器68内,低通滤波器68的输入端 还连接一 FPGA(可编程逻辑控制器)69,由FPGA69向低通滤波器68提供时钟信号,传感器 信号通过低通滤波器68抗混叠滤波后输入四通道同步AD转换器9内;光电编码器63输出 的鉴相信号经一鉴相脉冲放大整形模块70后,输入FPGA69内,由FPGA69输出AD同步转换 器9需要的时钟信号、低通滤波器68需要时钟信号以及转速信号给核心板3。
[0027] 如图5所示,上述实施例中,辅助信号调理模块7包括另一微型双刀双掷的继电器 71、一电流电压转换模块72、一电压跟随器73、一 1〜16倍可编程增益放大器74和一低通 滤波器75,继电器71输出端分别连接电流电压转换模块72和电压跟随器73,电流电压转 换模块72和电压跟随器73并联后经过可编程增益放大器74连接低通滤波器75,信号经低 通滤波器75处理后输入四通道AD转换器10内。
[0028] 如图6所示,上述实施例中,电源变换模块20包括一锂电池充电管理模块201、两 二极管202、一降压电路203、一 LD0(低压差线性稳压模块)204和一 5V转士 5V模块205, 锂电池充电管理模块201输入端连接24V的电源5,输出端连接锂电池21,以实现对锂电池 21的充电管理。锂电池21和24V电源还分别经过一个二极管202并联连接降压电路203 的输入端,将电压信号降低后分别输入LD0204和5V转士 5V模块205后输出,进而实现为 整个系统供电。
[0029] 上述各实施例中,还可以在结构和连接上有其它变化,凡是基于本实用新型技术 方案上的变化和改进,不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (8)

  1. 一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统,其特征在于:它包括一传感器、一信号处理底板、一核心板、一液晶触摸式的显示屏和一电源;所述传感器将采集信号输入所述信号处理底板内,所述信号处理底板与所述核心板插接,并由所述核心板控制所述信号处理底板对所有信号进行前置处理、数据采集及数据通讯处理;所述信号处理底板将处理后的信号由与其连接的所述显示屏进行在线实时显示信息;所述信号处理底板、核心板和显示屏均由所述外部电源或锂电池供电。
  2. 2.如权利要求1所述的一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统,其特征在于: 所述信号处理底板包括一振动信号前置预处理模块、一辅助信号调理模块和一转速测量模 块,所述传感器将采集信号分别输入所述振动信号前置预处理模块、辅助信号调理模块和 转速测量模块内,所述振动信号前置预处理模块将信号经一个四通道同步模数转换器采集 后,输入所述核心板;所述辅助信号调理模块将信号调理后进一步经一个四通道模数转换 器采集后,输入所述核心板;所述核心板连接串行接口模块、USB接口模块、数据存储模块、 音频输入输出模块、网络接口、液晶屏接口、液晶屏背光控制模块、触摸屏输入接口以及键 盘及鼠标接口 ;全部模块均与一电源变换模块连接,所述电源变换模块还连接一锂电池。
  3. 3.如权利要求2所述的一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统,其特征在于: 所述串行接口模块和音频输入输出模块分别连接超声探伤模块、红外测温模块和噪声监测 模块。
  4. 4.如权利要求1或2或3所述的一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统,其特 征在于:所述振动信号前置预处理模块包括一速度传感器、一陶瓷剪切压电式加速度传感 器和一光电编码器,所述速度传感器和陶瓷剪切压电式加速度传感器将采集的信号均送入 一双刀双掷继电器,通过所述双刀双掷继电器分别将信号输入一电流放大器和一电压放大 器内,所述电流放大器的输入端还连接一电流恒流源;各传感器信号经放大后输入一低通 滤波器内,所述低通滤波器的输入端还连接一可编程逻辑控制器,经所述低通滤波器滤波 后的传感器信号输入所述四通道同步模数转换器内;所述光电编码器输出的鉴相信号经一 鉴相脉冲放大整形模块后,输入所述可编程逻辑控制器。
  5. 5.如权利要求2所述的一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统,其特征在于: 所述辅助信号调理模块包括另一双刀双掷继电器、一电流电压转换模块、一电压跟随器、一 可编程增益放大器和一低通滤波器;所述双刀双掷继电器输出端分别连接所述电流电压转 换模块和电压跟随器,所述电流电压转换模块和电压跟随器并联后经过所述可编程增益放 大器连接所述低通滤波器,信号经所述低通滤波器处理后输入所述四通道模数转换器内。
  6. 6.如权利要求2所述的一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统,其特征在于: 所述电源变换模块包括一锂电池充电管理模块、两二极管、一降压电路、一低压差线性稳压 模块和一 5V转士5V模块,所述锂电池充电管理模块输入端连接所述外置电源,输出端连 接所述锂电池,所述锂电池和电源分别经过一个所述二极管并联连接所述降压电路的输入 端,将信号降压后分别输入所述低压差线性稳压模块和所述5V转士5V模块后输出。
  7. 7.如权利要求1或2或3或5或6所述的一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断 系统,其特征在于:所示核心板包括PXA270处理器,所示PXA270处理器的输入输出端口分 别连接128M随机存取存储器、32M非易失闪存、以太网接口芯片和输入输出接口,所示输入 输出接口与所示以太网接口芯片连接,由所示输入输出接口连接所述信号处理底板;所述PXA270处理器采用Intel公司生产的Xscale处理器PXA270C5C520。
  8. 8.如权利要求4所述的一种嵌入式机电设备状态监测及故障诊断系统,其特征在于: 所示核心板包括PXA270处理器,所示PXA270处理器的输入输出端口分别连接128M随机存 取存储器、32M非易失闪存、以太网接口芯片和输入输出接口,所示输入输出接口与所示以 太网接口芯片连接,由所示输入输出接口连接所述信号处理底板;所述PXA270处理器采用 Intel公司生产的Xscale处理器PXA270C5C520。
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