【正文】 of intelligent monitoring unit based on DSP is put forward by using DSP technology, synchronous and parallel acquisition technology and corresponding integration technology. Secondly, the hardware design of intelligent monitoring unit is acplished. A core board for measurement and control in intelligent monitoring unit is constructed. Functions of intelligent monitoring unit are well planned and divided. Then the signal processing board, the parallel acquisition board and the power supply board are implemented. Thirdly, by using VHDL hardware description language and electronic design automation tools, synchronous acquisition control logic programs of FPGA in intelligent unit are designed and developed based on modular design principle. Finally, functions of abovementioned unit are verified and it is applied to a monitoring and management system for mobile equipment. It is proved that this monitoring unit can meet the requirements of practical application Key words: DSP(Digital Signal Processor)。Synchronous acquisition 。 1 一．緒論 1. 1 設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷技術(shù)發(fā)展概況 隨著信息化時(shí)代的到來和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷技術(shù)開始應(yīng)用于設(shè)備維修管理領(lǐng)域，并呈獻(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。遠(yuǎn)程監(jiān)測診 斷技術(shù)利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過信息交流來實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，保證異地復(fù)雜設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低了設(shè)備維護(hù)成本。同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同診斷和經(jīng)驗(yàn)積累，極大地提高了診斷的智能化程度 [2][3]。設(shè)備的故障診斷與人類的疾病診斷相似 ，遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷中所采用的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、信息傳輸方法和異地專家會診組織、實(shí)現(xiàn)等形式都可以為設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷所借鑒和采用。 1997 年斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院主辦了首屆基于 Inter 的工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷研討會，會議討論了遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷系統(tǒng)連接開放式體系、診斷信息規(guī)程、傳輸協(xié)議，并對未來技術(shù)發(fā)展作了展望。許多公司也在開始在其產(chǎn)品中增加了 Inter功能，如 Bently公司的在線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。N1 公司在其虛擬儀器產(chǎn)品LabVIEW中增加了 Inter模塊，可以通過 WWW、 FTP等方式發(fā)送 測試數(shù)據(jù)。 從以上國內(nèi)外研究及發(fā)展介紹中可以看出遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷技術(shù)是在傳統(tǒng)監(jiān)測診 斷技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種比較新的監(jiān)測診斷方法，目前還處于不斷發(fā)展的過程中 。因此對于設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷技術(shù)的研究有著廣泛的理論意義和工業(yè)應(yīng)用前景 [7][8]。另外，客戶端大量繁瑣的操作工作，使得系統(tǒng)的維護(hù)成本比較高，影響了系統(tǒng)的推廣應(yīng)用和管理。 基于資源節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 。這些資源節(jié)點(diǎn)具有響應(yīng)網(wǎng)上請求、計(jì)算、處理和回傳結(jié)果等能力，并可重組出新的資源節(jié)點(diǎn)，例如通過對特征提取、數(shù)據(jù)庫、診斷推理等資源節(jié)點(diǎn)的調(diào)用派生出專家系統(tǒng)資 源節(jié)點(diǎn)。 新穎的基于資源節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷系統(tǒng)、打破了在固定地點(diǎn)進(jìn)行采集、分析、和顯示的傳統(tǒng)模式，具有便于技術(shù)更新、資源節(jié)點(diǎn)可重組、移植性好等優(yōu)點(diǎn)。 基于資源節(jié)點(diǎn)的設(shè)備監(jiān)測診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和研究重點(diǎn)之一就是監(jiān)測診斷系統(tǒng)瘦型前端的開發(fā)設(shè)計(jì)。作為 設(shè)備故障診斷和狀態(tài)預(yù)測的基礎(chǔ)，監(jiān)測診斷系統(tǒng)瘦型前端可以實(shí)時(shí)檢測反映設(shè)備的轉(zhuǎn)子振動(dòng)、機(jī)殼振動(dòng)以及溫度、壓力等工藝量參數(shù)，獲取機(jī)組狀態(tài)特征值。智能監(jiān)測單元力求結(jié)構(gòu)簡單、可靠實(shí)用、免維修，并且要求可以實(shí)現(xiàn)直接上網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置組態(tài)，期望可以應(yīng)用于流程工業(yè)、航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域的設(shè)備狀態(tài)檢測和故障系統(tǒng) 中 [13]。 具體工作內(nèi)容包括 : (1)通過對 DSP 技術(shù)、同步并行采集技術(shù)和相關(guān)集成技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)基于 DSP的集成化智能采集監(jiān)測單元的總體實(shí)施方案。 (3)使用 VHDL硬件描述語言和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 EDA工具，采用模塊化設(shè)計(jì)思想對智能采集監(jiān)測單元中 FPGA 內(nèi)部同步采集控制邏輯程序進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。 本文結(jié)構(gòu)上主要分為 5章 : 第一章：為緒論，包括遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷技術(shù)的發(fā)展概況，本文的課題背景、研究意義和研究內(nèi)容。 第四章：是對智能采集監(jiān)測單元設(shè)計(jì)完成后的調(diào)試過程的總結(jié)。隨后對 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行分析 。第五章：對智能監(jiān)測單元的設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試工作過程進(jìn)行了歸納總結(jié)。 2. 1總體設(shè)計(jì)方案 圖 智能采集監(jiān)測單元組成 框圖 Chart intelligences gathering monitor unit position diagram 信號變換電路 :放大電路實(shí)現(xiàn)將從傳感器輸出的電信號的幅值變換到 A/D芯片的輸入范圍內(nèi)，以便有效利用 A/D采樣轉(zhuǎn)換的滿量程分辨率。 多通道 A/D 轉(zhuǎn)換器 :由于智能監(jiān)測單元要求集成度高，如果使用單路 A/D轉(zhuǎn)換器，則 36通道需要 36片 A/D芯片，加上芯片外圍元件，在對電路尺寸要求比較 嚴(yán)格的情況下很難進(jìn)行合理的布局、布線 。 先進(jìn)先出 FIFO:用作單元采集數(shù)據(jù)的緩存，當(dāng)每一次所有要求采集的通道的 A/D轉(zhuǎn)換完成之后，監(jiān)測單元按照通道順序依次將采集數(shù)據(jù)存入 FIFO之中 。 FPGA: FPGA(Field Programmable Gate Array)現(xiàn)場可編程門陣列是監(jiān)測單 5 元的同步采集邏輯控制核心。同時(shí) FPGA可以控制輸入信號低通濾波的截至頻率。 DSP 通過對 TCP/IP 通訊模塊的調(diào)用實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸?shù)目刂茝亩瓿蛇h(yuǎn)程采集參數(shù)的接收和采集數(shù)據(jù)的傳輸發(fā)送 。 集成化智能監(jiān)測單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是支持整個(gè)系統(tǒng)控制、處理的平臺選擇，也就是系統(tǒng) CPU。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷分析，要求監(jiān)測單元必須具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通訊能力以便及時(shí)響應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)管中心的采集命令和采集數(shù)據(jù)的快速傳輸發(fā)送 。基于以上分析，顯然傳統(tǒng)的普通 MCU(例如 51, 1%系列單片機(jī) ) 的時(shí)鐘頻率和資源已經(jīng)不可能完成智能監(jiān)測單元的任務(wù) [14]，因此我們選用高性能的 DSP來購建這一平臺。 在智能監(jiān)測單元中 DSP芯片在對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行快速信息篩選、監(jiān)測分析、超限報(bào)警、數(shù)據(jù)管理等處理操作的同時(shí)還要同遠(yuǎn)程監(jiān)管中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊互聯(lián)以保證對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測診斷 的需要。同時(shí)在對多通道、多 A/ D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣、存儲控制過程中需要占用 DSP大量寶貴的 UO 接口和總線資源，使監(jiān)測單元的設(shè)計(jì)非常難以實(shí)現(xiàn)。 FPGA 在這一應(yīng)用領(lǐng)域有無法比擬的優(yōu)勢。擁有非常充足的用戶可自定義 UO 資源 。組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路 。 FPGA的在系統(tǒng)可編程性能極大程度地減小了硬件電路的設(shè)計(jì)調(diào)試的開銷 [15] 。如圖 所示，該方案中 FPGA 通過與 DSP 的接口電路 實(shí)現(xiàn)對 DSP 指令的譯碼從而負(fù)責(zé)對 36 通道同步數(shù)據(jù)采集和存取操作的邏輯控制。智能監(jiān)測單元中低層的數(shù)據(jù)采集、存儲操作的數(shù)據(jù)量大，速度快，時(shí)序邏輯要求比較高，操作重復(fù)性大但控制結(jié)構(gòu)相對比較簡單，適于用 FPGA 進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，這樣能同時(shí)兼顧速度及靈活性 [3~5]。 DSP+FPGA結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn) 是結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性，適于將系統(tǒng)任務(wù)劃成分子任務(wù)逐項(xiàng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，從而能夠提高算法效率和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性 。 FPGA可以完成模塊級的任務(wù)，起到 DSP的協(xié)處理器的作用。 DSP具有軟件的靈活性 。這樣 DSP+FPGA 的結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)中如何處理軟硬件的關(guān)系提供了一個(gè)較好的解決方案。 圖 監(jiān)測單元的 DSP +FPGA 結(jié)構(gòu)框圖 Chart monitors units DSP and FPGA structure diagram 信號調(diào)理電路 輸入智能監(jiān)測單元的信號是通過傳感器組采集而來的機(jī)械設(shè)備的振動(dòng) / 位移、轉(zhuǎn)速、標(biāo)準(zhǔn)信號。圖 ，包括由集成運(yùn)算放大器 7 TL084和電阻 R1~R9 構(gòu)成的信號變換電路，以及由低通濾波芯片 MAX280以及電阻 R電容 C13組成 的濾波電路。由于設(shè)備監(jiān)測診斷需要，信號變換電路將交流電壓信號放大 4 倍，直流信號放大1/20倍后疊加上 1V電壓從而使經(jīng)過放大疊加后的信 號滿足 A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入范圍。 8 圖 信號變換電路仿真輸入輸出波形圖 Chart signals transfer work simulation input outputoscillogram 仿 真輸入信號 IN是 10V直流信號疊加上頻率為 1 KHz的土 1V正弦信號，從輸出 OUT波形圖中可以看出信號變換電路設(shè)計(jì)正確，輸出信號符合電路設(shè)計(jì)的變換要求。振動(dòng)信號等機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的變化頻率一般在 20KHz以內(nèi)，從圖中可以看出，信號變換電路在這一頻率范圍內(nèi)，交流信號的放大性能比較穩(wěn)定。 通常有兩種消除混疊的辦法 :一種是提高采樣頻率 fs，從而也提高了折疊頻率，使得高頻率分量得以通過?？够殳B濾波器實(shí)際上是一種低通濾波器，其截止頻率不高于折疊頻率。對于機(jī)械設(shè)備來說，其主頻和分析頻率與工 作轉(zhuǎn)速有關(guān)，相應(yīng)地，被采集信號的有用最高頻率也是可變的，因此要防止 混疊，抗混疊濾波器的截止頻率應(yīng)當(dāng)是自跟隨可變的。為此設(shè)計(jì)了如圖 /數(shù)字混合抗混疊濾波器。其中 A/D轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)行過采樣 。重新采樣器通過內(nèi)插、數(shù)字濾波、抽取來改變原信號序列的采樣頻率并消除新的混疊和鏡像。采樣頻率 fr 主要根據(jù)系統(tǒng)工作頻率和相對應(yīng)的需要分析的倍頻數(shù)等來確定。為了實(shí)現(xiàn)高性能的抗混疊濾波，模擬低通濾波器我們采用的是 Maxim 公司生產(chǎn)的 MAX280，僅需要外接一個(gè)電阻和電容，它可以實(shí)現(xiàn) 5階低通濾波、零直流誤差、全極點(diǎn)實(shí)現(xiàn)、截止頻率可控的優(yōu)良勝能。 2. 3 同 步采集設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過了隔離放大、低通濾波等調(diào)理環(huán)節(jié)之后成為了可供 A/D 轉(zhuǎn)換的規(guī)范信號，因?yàn)?A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADS7864 的輸入范圍是0V~+5V，因此輸入信號需要通過如圖 所示的 A/D 輸入擴(kuò)展電路，該電路由集成運(yùn)算放大器 A2B以及電阻 R5, R6, R7, R8構(gòu)成，使 A/D芯片可以接受雙極性輸入，從而將可轉(zhuǎn)換信號范圍擴(kuò)展為 5V~+5V. 10 圖 A/D 輸入擴(kuò)展電路圖 Chart A/D input expansion circuit diagram 智能監(jiān)測單元使 用美國 TI 公司的 ADS7864 芯片來實(shí)現(xiàn) 36 通道數(shù)據(jù)的同步高速采集。當(dāng) ADS7864 的 3個(gè)保持信號同時(shí)有效時(shí)就可以同時(shí)對 6 路輸入信號進(jìn)行采樣 /保持操作，再按通道號順序依次由內(nèi)部 AM轉(zhuǎn)換器對 6通道采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換結(jié)果暫存于片內(nèi)數(shù)據(jù)緩存中，可以通過改變通道地址選擇信號依次讀出，從而實(shí)現(xiàn)同一芯片的 6個(gè)通道同步采集。 36通道同步采集的控制邏輯過程將在第 3章中作詳細(xì)介紹。 11 圖 36 通道同步采集電路示意框圖 The chart 36 channels synchronization gathering electric circuithints the diagram 同步采集的時(shí)間間隔就是兩次采樣操作之間的間隔，由于智能監(jiān)測單元的6片 ADS7864是并行運(yùn)行而且每片 ADS7864內(nèi)部有 2個(gè)并行工作的 A/D 轉(zhuǎn)換器，在忽略掉 6 片 ADS7864 芯片工作參數(shù)的細(xì)小差別以及信號傳輸延遲的基礎(chǔ)上，所有 36通道全部完成 AID轉(zhuǎn)換的時(shí)間相當(dāng)于單通道 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間的 3倍。在 A/D轉(zhuǎn)換完成后需要將 36組采集數(shù)據(jù)從 ADS7864讀取出來并存放到數(shù)據(jù)緩存 FIFO中，則 36通道采集數(shù)據(jù)的保存需要占用 36*250 ns =9000 ns = P s, 36路同步采集子板的同步采集最小間隔為 15 us，對應(yīng)的最高同步采集頻率為 60Khz . 同步采集控制電路 FPGA 是智能采集監(jiān)測單元同步采集電路的核心控制器件。 FPGA不但根據(jù) DSP發(fā)送的采集參數(shù)對 36通道數(shù)據(jù) 同步采集操作進(jìn)行控制 。與此同時(shí)， FPGA還需要進(jìn)行設(shè)備轉(zhuǎn)速的測量以及低通濾波截至頻率的設(shè)置。因此根據(jù)系統(tǒng)