專利名稱：一種基于arm與dsp的嵌入式軸承故障智能診斷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于DSP與ARM雙核嵌入式技術(shù)的軸承故障智能診斷裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，由軸承故障導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)機械不能正常工作的現(xiàn)象屢見不鮮(比如由通用電器和IEEE工業(yè)應(yīng)用學(xué)會聯(lián)合主持的電機可靠性學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)由軸承引起的問題占了整個機器故障的40%以上)。因而與此相對應(yīng)的各種軸承故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與研究得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。傳統(tǒng)上的軸承故障診斷系統(tǒng)基于經(jīng)典傅里葉分析，通過對測得的信號進(jìn)行傅里葉變換后獲得振幅、相位等特征頻譜來對故障進(jìn)行檢測與診斷。反映了軸承故障的存在與否。由于軸承故障在形成與發(fā)展過程中產(chǎn)生的振動信號具有瞬態(tài)性和非平穩(wěn)性，所以傅里葉變換對于這類信號的分析是傅里葉變換對信號在整個時間段內(nèi)的一種平均化的頻率特征表示(即它是從全局角度看信號的頻譜構(gòu)成，并需要假定信號在整個時間軸上是平穩(wěn)的)，它不能反映出信號在局部時間區(qū)域內(nèi)的頻譜特征，正是這種缺陷反映了傅里葉變換的局限性。而各種非平穩(wěn)信號處理方法如時頻分析、小波變換和希爾伯特-黃變換等可用于此類信號的分析，因此研究與開發(fā)基于非平穩(wěn)信號處理的軸承故障診斷系統(tǒng)對于幫助提高診斷準(zhǔn)確率具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高軸承故障診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，本發(fā)明提供了一種基于ARM與DSP的嵌入式軸承故障智能診斷裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種基于ARM與DSP的嵌入式軸承故障診斷裝置，它包括與被檢測軸承的振動信號相連的信號輸入模塊，信號輸入模塊依次與核心運算模塊、串口通信模塊和控制模塊相連。其中，信號輸入模塊包括傳感器、電荷放大器、模擬多路開關(guān)、低通濾波器和A/D 轉(zhuǎn)換模塊；被檢測軸承的振動信號接入到傳感器的輸入端，傳感器的輸出端依次與電荷放大器、模擬多路開關(guān)、低通濾波器和A/D轉(zhuǎn)換模塊相連。其中，所述的核心運算模塊包括一號微處理器、實時時鐘模塊，一號微處理器的輸入端接信號輸入模塊處理后的信號，一號微處理器的輸出端接串口通信模塊；一號微處理器還與實時時鐘模塊相連。其中，控制模塊包括二號微處理器、電源模塊、存儲器和IXD觸摸屏；所述的二號微處理器分別與電源模塊、存儲器、LCD觸摸屏以及串口通信模塊相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下1.本發(fā)明使用了 DSP+ARM的結(jié)構(gòu)，DSP選用美國TI公司最新推出的32位定點DSP 芯片TMS320F2812，利用DSP的高速運算和多種片上外設(shè)的特點完成對輸入信號的捕捉、采樣、轉(zhuǎn)換以及與ARM的通訊等工作；ARM部分以Samsung公司的ARM9系列芯片S3C2440A為核心，附加外圍的LCD、觸摸屏等硬件設(shè)備，用以完成對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、存儲、與DSP及上位機通訊、人機交互等功能。ARM子系統(tǒng)與DSP子系統(tǒng)之間通過RS232串行總線進(jìn)行通訊。在該系統(tǒng)構(gòu)架下，實時采樣和計算與系統(tǒng)的管理和控制可以并行執(zhí)行，并且通過雙方的通信使兩個子系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行上實現(xiàn)了同步。這種基于雙CPU結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)對于實時性的保證起到了關(guān)鍵作用。2.本發(fā)明的核心算法采用了基于Morlet小波變換的多尺度包絡(luò)譜分析算法法， 而且是第一次在嵌入式硬件實現(xiàn)，提高了軸承故障診斷的準(zhǔn)確性，同時實現(xiàn)了便攜化。3.本用戶界面利用QT/Embedded 4. 5進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)的界面友好，直觀，簡潔，同時我們的系統(tǒng)是基于當(dāng)下最普遍的觸摸屏技術(shù)，具有適用性。


圖1為本發(fā)明的原理框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明的一種基于ARM與DSP的嵌入式軸承故障智能診斷裝置包括信號輸入模塊1、核心運算模塊2、串口通信模塊3和和控制模塊4。信號輸入模塊1的輸入端與被檢測軸承相連，信號輸入模塊1的輸出端與核心運算模塊2相連，核心運算模塊2通過串口通信模塊3與控制模塊4進(jìn)行連接。信號輸入模塊1將軸承的振動信號變換為合適的數(shù)字信號輸入到核心運算模塊2 中的一號微處理器21。信號輸入模塊1包括傳感器11、電荷放大器12、模擬多路開13、低通濾波器14和A/D轉(zhuǎn)換模塊15 ；傳感器11的輸入端與被檢測軸承的振動信號連接，傳感器11的輸出端依次與電荷放大器12、模擬多路開關(guān)13、低通濾波器14和A/D轉(zhuǎn)換模塊15 相連；A/D轉(zhuǎn)換模塊15的輸出端與核心運算模塊2的一號微處理器21相連。信號輸入模塊1中的傳感器11將被檢測的軸承的振動信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出，輸出的信號是模擬信號，通過電荷放大器12將該微弱的電信號轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換模塊15所需要的輸入電壓，而模擬多路開關(guān)13保證了整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)單路以及兩路采集，低通濾波器14可以將輸入信號的高頻成分濾去，A/D轉(zhuǎn)換模塊15將這些模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出給一號微處理器21。傳感器11可選用丹麥B&K公司4370型的加速度傳感器，電荷放大器12采用 DFH-6A型電荷放大器，模擬多路開關(guān)13采用8通道CMOS的模擬多路開關(guān)，低通濾波器14 采用CD4051LC04/MF4A. 50型單片集成巴特沃斯開關(guān)電容濾波器，而A/D轉(zhuǎn)換模塊15采用 MAX125 芯片。核心運算模塊2主要是調(diào)度整個信號采集系統(tǒng)，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析運算。核心運算模塊2包括互相連接的一號微處理器21、實時時鐘模塊22，電源模塊為上述模塊供電。一號微處理器21與A/D轉(zhuǎn)換模塊15、實時時鐘模塊22相連，一號微處理器21 還通過串口通信模塊3與二號微處理器41相連。一號微處理器21負(fù)責(zé)模擬量的采集，A/ D轉(zhuǎn)換，實時數(shù)據(jù)處理，還有與二號微處理器41進(jìn)行通信。一號微處理器21進(jìn)行實時數(shù)據(jù)處理的算法采用基于Morlet小波變換的多尺度包絡(luò)譜分析算法。一號微處理器21采用32位定點DSP微處理器芯片TMS320F2812。實時時鐘模塊22為一號微處理器21提供精確定時的內(nèi)置電路，主要用于計時、通訊時鐘發(fā)生器、時間中斷源等等。串口通信模塊3采用RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX2332作為RS232的接口，實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換與全雙工通信。控制模塊4主要是負(fù)責(zé)管理整個系統(tǒng)，同時顯示用戶界面，負(fù)責(zé)用戶與系統(tǒng)的交互，顯示運算結(jié)果一頻譜圖?？刂颇K4包括二號微處理器41、電源模塊42、存儲器43以及IXD觸摸屏44。二號微處理器41分別與電源模塊42、存儲器43以及IXD觸摸屏44相連。二號微處理器41采用ARM9系列嵌入式處理器S3C2440A，二號微處理器41作為控制模塊，負(fù)責(zé)管理整個系統(tǒng)，并控制觸摸屏，在觸摸屏上顯示運算結(jié)果一頻譜圖，同時負(fù)責(zé)用戶與系統(tǒng)的交互，控制整個系統(tǒng)的停止和啟動。電源模塊42采用集成穩(wěn)壓芯片LM2596，電源模塊42為二號微處理器41供電。存儲器43由閃存NOR FLASH芯片SST39VF160以及靜態(tài)存儲器芯片SDRAM K4S5616332D組成，為二號微處理41提供存儲空間。而IXD觸摸屏44采用四線電阻觸摸屏以及ADS7843作為電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片；四線電阻觸摸屏的信號接到轉(zhuǎn)換接口芯片ADS7843的X+，Y+, X-，Y-端子，而ADS7843 的DCLK端子，CS端子，DIN端子，DOUT,端子PENIRQ端子、BUSY端子與ARM9系列嵌入式處理器S3C2440A的PG 口相連。二號微處理41與IXD觸摸屏44利用四線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片ADS7843進(jìn)行連接。本發(fā)明的工作過程二號微處理器41開始運行，在IXD觸摸屏44上顯示圖形用戶界面，用戶根據(jù)現(xiàn)場以及軸承的情況輸入一些參數(shù)包括采樣時間，初始中心頻率，截止中心頻率，頻率變化步長，然后將這些參數(shù)通過串口通信模塊3傳入一號微處理器21，并通知一號微處理器21開始采樣，這樣信號輸入模塊1開始采集振動信號，經(jīng)過傳感器11得到電信號，經(jīng)過電荷放大器12得到放大的電信號，再通過低通濾波器14濾去高頻成分，通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊15得到數(shù)字信號傳入一號微處理器21，一號微處理器21結(jié)合輸入的參數(shù)，采用基于Morlet小波變換的多尺度包絡(luò)譜分析算法，得到被測的頻譜數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過串口通信模塊3傳到二號微處理器41，然后二號微處理器41調(diào)用顯示程序，頻譜圖顯示在IXD 觸摸屏44。操作人員可以根據(jù)頻譜圖查看故障頻率，這樣就完成了一次軸承故障診斷的過程。其中一號微處理器21的工作過程如下先將輸入信號進(jìn)行快速傅里葉變換FFT， 然后再和Morlet小波在頻域上的表達(dá)式進(jìn)行內(nèi)積計算，得到該信號在頻域的小波系數(shù)，再通過反傅里葉變換IFFT得到該信號在時域上的小波系數(shù)，繼續(xù)對小波系數(shù)取絕對值得到小波包絡(luò)，最后進(jìn)行快速傅里葉變換FFT得到小波的包絡(luò)譜，從而根據(jù)包絡(luò)譜可以得到軸承的故障頻率成分。
權(quán)利要求
1.一種基于ARM與DSP的嵌入式軸承故障診斷裝置，其特征為它包括與被檢測軸承的振動信號相連的信號輸入模塊(1)，信號輸入模塊(1)依次與核心運算模塊O)、串口通信模塊( 和控制模塊(4)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM與DSP的嵌入式軸承故障診斷裝置，其特征為信號輸入模塊(1)包括傳感器(11)、電荷放大器(12)、模擬多路開關(guān)(13)、低通濾波器 (14)和A/D轉(zhuǎn)換模塊(1 ；被檢測軸承的振動信號接入到傳感器(11)的輸入端，傳感器 (11)的輸出端依次與電荷放大器(12)、模擬多路開關(guān)(13)、低通濾波器(14)和A/D轉(zhuǎn)換模塊(15)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于ARM與DSP的嵌入式軸承故障診斷裝置，其特征為所述的核心運算模塊( 包括一號微處理器、實時時鐘模塊(22)，一號微處理器 (21)的輸入端接信號輸入模塊(1)處理后的信號，一號微處理器的輸出端接串口通信模塊(3)；—號微處理器還與實時時鐘模塊02)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM與DSP的嵌入式軸承故障診斷裝置，其特征為 控制模塊(4)包括二號微處理器(41)、電源模塊(42)、存儲器和LCD觸摸屏04)；所述的電二號微處理器Gl)分別與源模塊(42)、存儲器03)和、LCD觸摸屏04)以及串口通信模塊( 相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于ARM與DSP的嵌入式軸承故障診斷裝置，它包括與被檢測軸承的振動信號相連的信號輸入模塊，信號輸入模塊依次與核心運算模塊、串口通信模塊和控制模塊相連。本發(fā)明使用了用DSP+ARM的結(jié)構(gòu)，ARM子系統(tǒng)與DSP子系統(tǒng)之間通過RS232串行總線進(jìn)行通訊。在該系統(tǒng)構(gòu)架下，實時采樣和計算與系統(tǒng)的管理和控制可以并行執(zhí)行，并且通過雙方的通信使兩個子系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行上實現(xiàn)了同步。這種基于雙CPU結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)對于實時性的保證起到了關(guān)鍵作用；本發(fā)明的核心算法采用了基于Morlet小波變換的多尺度包絡(luò)譜分析算法，同時是第一次在嵌入式硬件實現(xiàn)，這樣不僅提高了軸承故障診斷的準(zhǔn)確性，而且實現(xiàn)了便攜化。
文檔編號G01M13/04GK102445343SQ20111043106
公開日2012年5月9日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者嚴(yán)如強, 趙銳 申請人:東南大學(xué)