专利名称：基于dsp的旋转机械振动检测及保护系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量振动的测量器具，特别涉及一种基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统。
背景技术：
随着电力行业发电机组的容量不断增大及各种旋转机械的体积和容量不断增大， 为了防止事故的发生，做到防范于未然，旋转机械振动检测及保护系统应用将越来越广泛。在旋转机械状态监测和故障诊断中，振动信号能最迅速最直接地反映旋转机械设备的运行状态，70%以上的运行故障都以振动形式表现出来。由于振动信号在工频(或基频)及其各倍频处的能量分布直接反映了设备运行状态，因此需要在数倍于工频的范围内能够对其振动频谱进行分析，即要求作为振动信号的状态监测系统具有采样频率高以及信号处理量大等特性。现有大部分旋转机械振动检测及保护系统一般采用单片机来进行数据采集及处理，然而由于单片机运算能力有限，通常只能解决快速采样的问题，对于高速、大量的信号处理无能为力。因此，状态监测功能只能由计算机完成，这就增加了系统的复杂度和成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，该系统采用DSP处理器作为振动信号运算CPU，可以完成振动信号的高速采集，并且采用精度更高的FFT算法、积分算法及滤波算法等，由于具有强大的信号处理能力，不但提高了解算精度，而且能够快速地完成状态监测保护功能，减轻上位机的运算负荷。为解决上述技术问题，所述的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，主要包括电源�？�、传感器供电�？椋衅餍藕挪杉骼砟？�、微处理器MCU�？椋�
电源�？椋糜谔峁�+3.3V、+5V、一5V、+15V、-15V电压等级的系统电源分别给传感器、MCU等供电；
传感器供电�？椋糜诟煌掷嗟拇衅魈峁┎煌墓┑缒Ｊ剑黄涮卣髟谟� 传感器信号采集调理模块，包括通道1传感器接口、通道1模拟电路、通道1模数转换电路、通道2传感器接口、通道2模拟电路、通道2模数转换电路；传感器信号采集调理模块分别通过通道1传感器接口、通道2传感器接口采集来自相应传感器的信号，并分别经通道 1模拟电路、通道2模拟电路放大、滤波、积分及通道1模数转换电路、通道2模数转换电路采样后进入后续信号处理阶段；
微处理器MCU�？椋糜诩嗫卣鱿低常璞ň�、跳机、通道正常判断、�？楣收吓卸�、传感器状态判断、过载判断；
在所述传感器信号采集调理�？楹臀⒋砥鱉CU�？橹浠股栌幸桓鯠SP�？椋肈SP �？榘ㄍǖ�1 DSP�？楹屯ǖ�2 DSP�？椋直鹜ü齋PI 口接收通道1模数转换电路、通道2模数转换电路采样后的信号并进行处理；根据不同的传感器及控制方式等情况，由微处理器MCU�？榫龆―SP�？椴捎孟嘤Φ氖敌藕糯硭惴ǎ缇龆―SP�？椴裳萃交蛞觳椒绞剑龆ú裳蟮氖莼�、滤波与否以及所采用的滤波器种类；DSP�？榻砗蟮氖萦蒆PI接口传给微处理器MCU�？�。其中，所述DSP�？槭迪终穸藕攀莶杉保捎玫男藕挪裳敝游獠啃藕牛舳莶杉拇シ⒎绞接型獠看シ⒑腿砑シ⒘街郑籇SP�？椴捎玫氖中藕糯硭惴ㄎ�4阶椭圆低通数字滤波器和2阶椭圆高通数字滤波器。其中，所述DSP模块包括中断程序�？�、中断管理�？榧肮ぷ鞣绞郊八惴ㄈ范？�。其中，所述中断程序�？榘�3个中断服务程序第一个中断服务程序是由微处理器MCU模块提供的采样时钟，用于与DSP�？橹涞氖荽洌坏诙鲋卸戏癯绦蚴怯勺倏ㄌ峁┑募嘈藕牛糜谑莶杉耐獠看シⅲ坏谌鲋卸戏癯绦蚴怯晌⒋砥� MCU模块提供的同步脉冲，保证双DSP�？榈耐讲杉Ｆ渲校鑫⒋砥鱉CU�？樯栌蠻SB通讯接口、CAN通讯接口、485通讯接口、4— 20mA输出接口和继电器输出接口。与现有技术相比，本发明具有如下优点
1、由于实时状态监测大容量数据高速传输的需要，系统采用数字信号处理器(DSP)芯片作为振动信号采集卡的运算单元，DSP采用了多总线的哈佛结构、专用的硬件乘法器、多级流水线操作和专用的DSP指令等方法使其获得了高速并行处理能力。不仅可以完成振动信号的高速采集，采用精度更高的FFT算法，提高解算精度，而且能够发挥其强大的信号处理能力，完成状态监测功能，减轻上位机的运算负荷。2、由于采用了 DSP来对信号进行滤波处理，使得在振动信号在小于5Hz的情况下， 可以做到40db每频程的衰减；可对信号作512个点的FFT运算，即可对输入信号作256分之1的精确频率定位；同时在保证精度和稳定的前提下，对信号的处理响应速度可以达到4 桢每秒。3,USB总线技术具有速度快(USB协议2. 0支持最高传输速度可达480Mbps)、支持热插拔和扩展方便(USB上最多可以连接127个外部设备)即插即用等优点。将USB接口技术应用于机械设备的状态参数采集和故障诊断中，支持高速数据采集系统。
图1为本发明基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统的结构方框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明
如图1所示的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，主要包括电源模块、传感器供电模块，传感器信号采集调理�？�、微处理器MCU�？椋坏缭茨？椋糜谔峁�+3. 3V、+5V、-5V、+15V、-15V电压等级的系统电源分别给传感器、MCU等供电；传感器供电�？椋糜诟煌掷嗟拇衅魈峁┎煌墓┑缒Ｊ�。传感器信号采集调理�？椋ㄍǖ�1传感器接口、通道1模拟电路、通道1模数转换电路、通道2传感器接口、通道2模拟电路、通道2模数转换电路；传感器信号采集调理�？榉直鹜üǖ�1传感器接口、通道2传感器接口采集来自相应传感器的信号，并分别经通道1模拟电路、通道2模拟电路放大、滤波、积分及通道1模数转换电路、通道2模数转换电路采样后进入后续信号处理阶段。微处理器MCU�？椋糜诩嗫卣鱿低常璞ň�、跳机、通道正常判断、�？楣收吓卸�、传感器状态判断、过载判断。在所述传感器信号采集调理�？楹臀⒋砥鱉CU�？橹浠股栌幸桓鯠SP�？椋� 该DSP�？榘ㄍǖ�1 DSP�？楹屯ǖ�2 DSP�？椋直鹜ü齋PI 口接收通道1模数转换电路、通道2模数转换电路采样后的信号并进行处理；根据不同的传感器及控制方式等情况， 由微处理器MCU�？榫龆―SP�？椴捎孟嘤Φ氖敌藕糯硭惴ǎ缇龆―SP�？椴裳萃交蛞觳椒绞剑龆ú裳蟮氖莼�、滤波与否以及所采用的滤波器种类；DSP模块将处理后的数据由HPI接口传给微处理器MCU�？�。本系统采用了一款数字信号处理器DSP实现振动信号数据采集、数字信号处理、 通用数值算法等功能；并以一款微处理器MCU实现信号的管理与控制功能。MCU与DSP之间采用接口 HPI来交换数据。DSP实现振动信号数据采集时，所采用的信号采样时钟为外部信号，启动数据采集的触发方式有外部触发和软件触发两种；DSP采用的数字信号处理算法为4阶椭圆低通数字滤波器和2阶椭圆高通数字滤波器；DSP所实现的通用数值算法包括积分、Ρ_Ρ/0_Ρ、平均值、均方根、最大/最小值等。MCU的主要任务是1)控制信号调理电路的参数；2)若测量的信号是动态信号， MCU设定DSP工作方式，获取振动特征值和振动波形数据；幻若测量的信号是动态信号，MCU 提供双通道同步时钟和采样时钟；4)采集直流信号、转速信号数据；5)根据当前工作状况执行逻辑控制和模拟量输出控制。DSP软件设计共分为3个部分中断程序、中断管理模块、工作方式及算法确定�？�。DSP共设计3个中断服务程序INTO是由MCU提供的采样时钟，用于与DSP之间的数据传输；INTl是由转速卡提供的键相信号，用于数据采集的外部触发；INT2是由MCU提供的同步脉冲，保证双DSP的同步采集。中断管理模块控制中断的开启与关闭，若选择信号同步采集，必须要有转速卡提供的键相信号，在打开中断口 INT2后，判断同步脉冲是否出现，若出现，打开INT1，关闭 INT2，然后判断键相脉冲是否出现，若出现打开INT2，关闭INTl ；若选择非同步信号采集， 则可以不采集键相信号，打开中断口 INT2，关闭INT1。工作方式及算法确定�？橹泄ぷ鞣绞娇刂坡胗蒑CU根据工作状况产生，主要包括
同步/异步采样方式的选择。同步方式下获取各次谐波特征值相位和幅值。异步方式下获取主特征值基波的相位和幅值，作为跳机的主要判据。是否选择软件或硬件积分选择轴振动测量，不选择积分；瓦振振动测量，选择积分；绝对振动测量，轴位移通道不选择积分。是否滤波及滤波器系数的选择高低通滤波器系数由组态软件产生，分别是4阶低通椭圆数字滤波器，纹波<3dB，阻带衰减SOdB ;2阶高通椭圆数字滤波器，纹波<1. ldB， 阻带衰减40dB。MCU软件设计包括运算与处理�？樯杓啤⒖刂品绞缴杓屏讲糠帜谌� 运算与处理�？榘�
1、物理量、电压量与二进码转换；2、报警、跳机、通道正常判断、�？楣收吓卸稀⒋衅髯刺卸�、过载判断；3、绝对振动计算、最大值计算；4、单/双锥面计算。控制方式设计包括 OADC0控制
定时器Timerf产生采样时钟，控制多路扫描
Timebase=系统时钟 /12 ； 采用6路扫描方式； 数据传送采用中断方式； 采用平均的方法滤波，去随机噪声。2 )串口( 485 )通讯 /UARTO
采用Binary通讯协议，以提高通讯效率，增加TimerO作为timeout计时；实现组态写入/读出、特征值/波形读出功能；增加了 modbus通讯协议，可输出特征值；波特率可设置为 38400/57600/115200。3) Timer 4
16-bit自动重置模式； 采样率>340 系统时钟； 采样率<340 系统时钟/12 ；
16-bit Timer,产生DSP/ADC (动态信号)的采样时钟。4) Timer 2
计时器捕捉�？椋蚩绯鲋卸�。16-bit定时器，系统时钟，用于脉冲周期测量/RPM ； 最长脉冲周期测量范围32 bits+16 bits。5)通道信号增益与电流输出
通过SPI接口，控制增益放大器LTC6910放大比例； 通过SPI接口，控制4-20mA输出AD420。6) HPI
HPI初始化、HPI读写、通过HPI实现与DSP的数据交换。7) CAN
通过CAN接口，实现与通讯卡的数据交换。同时也可以实现无硬接线的继电器输出的逻辑组合。8)软件定时
采用PCA，作为软件定时器，提供�？楣ぷ魉璧母鞲黾剖惫δ�。9) USB 接口
通过USB串口，实现MCU与上位机的数据交换，进行组态交互。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及其优点。本行业的技术人士应该了解，本发明不受上述实施条例的限制，上述实施条例和说明书中描述的只是用于说明本发明的原理，在不脱离本发明原理和范围的前提下，本发明还可有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围内。 本发明要求保护范围同所附的权利要求书及其它等效物界定。
权利要求
1.一种基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，主要包括电源�？�、传感器供电�？椋衅餍藕挪杉骼砟？�、微处理器MCU�？椋坏缭茨？椋糜谔峁�+3.3V、+5V、一5V、+15V、-15V电压等级的系统电源分别给传感器、M⑶等供电；传感器供电�？椋糜诟煌掷嗟拇衅魈峁┎煌墓┑缒Ｊ剑黄涮卣髟谟诖衅餍藕挪杉骼砟？椋ㄍǖ�1传感器接口、通道1模拟电路、通道1模数转换电路、通道2传感器接口、通道2模拟电路、通道2模数转换电路；传感器信号采集调理�？榉直鹜üǖ�1传感器接口、通道2传感器接口采集来自相应传感器的信号，并分别经通道 1模拟电路、通道2模拟电路放大、滤波、积分及通道1模数转换电路、通道2模数转换电路采样后进入后续信号处理阶段；微处理器MCU�？椋糜诩嗫卣鱿低常璞ň�、跳机、通道正常判断、�？楣收吓卸�、传感器状态判断、过载判断；在所述传感器信号采集调理�？楹臀⒋砥鱉CU�？橹浠股栌幸桓鯠SP�？椋肈SP �？榘ㄍǖ�1 DSP�？楹屯ǖ�2 DSP�？椋直鹜ü齋PI 口接收通道1模数转换电路、通道2模数转换电路采样后的信号并进行处理；根据不同的传感器及控制方式等情况，由微处理器MCU�？榫龆―SP�？椴捎孟嘤Φ氖敌藕糯硭惴ǎ缇龆―SP�？椴裳萃交蛞觳椒绞剑龆ú裳蟮氖莼�、滤波与否以及所采用的滤波器种类；DSP�？榻砗蟮氖萦蒆PI接口传给微处理器MCU模块。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，其特征在于所述DSP�？槭迪终穸藕攀莶杉保捎玫男藕挪裳敝游獠啃藕牛舳莶杉拇シ⒎绞接型獠看シ⒑腿砑シ⒘街郑籇SP�？椴捎玫氖中藕糯硭惴ㄎ�4阶椭圆低通数字滤波器和2阶椭圆高通数字滤波器。
3.根据权利要求1所述的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，其特征在于所述DSP模块包括中断程序�？�、中断管理�？榧肮ぷ鞣绞郊八惴ㄈ范？椤�
4.根据权利要求3所述的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，其特征在于所述中断程序�？榘�3个中断服务程序第一个中断服务程序是由微处理器MCU模块提供的采样时钟，用于与DSP模块之间的数据传输；第二个中断服务程序是由转速卡提供的键相信号，用于数据采集的外部触发；第三个中断服务程序是由微处理器MCU�？樘峁┑耐铰龀澹Ｖに獶SP�？榈耐讲杉�。
5.根据权利要求1所述的基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统，其特征在于所述微处理器MCU模块设有USB通讯接口、CAN通讯接口、485通讯接口、4_20mA输出接口和继电器输出接口。
全文摘要
本发明涉及一种基于DSP的旋转机械振动检测及保护系统。该系统主要包括电源�？�、传感器供电�？椋衅餍藕挪杉骼砟？�、微处理器MCU�？椋谒龃衅餍藕挪杉骼砟？楹臀⒋砥鱉CU�？橹浠股栌幸桓鯠SP�？椋肈SP�？槎圆裳蟮男藕沤写恚桓莶煌拇衅骷翱刂品绞降惹榭觯晌⒋砥鱉CU模块决定DSP�？椴捎孟嘤Φ氖敌藕糯硭惴ǎ籇SP模块将处理后的数据由HPI接口传给微处理器MCU�？�。该系统采用DSP处理器作为振动信号运算CPU，可以完成振动信号的高速采集，并且由于DSP处理器具有强大的信号处理能力，不但提高了解算精度，而且能够快速地完成状态监测保护功能，减轻上位机的运算负荷。
文档编号G01M7/02GK102455212SQ20101051452
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月21日 优先权日2010年10月21日
发明者冯震烁, 周一丁, 周瑞泉, 张研, 韩羽 申请人:上海鑫晟源测控技术有限公司
专业数控铣床产品供应商
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