基于ARM-DSP的旋转机械振动测量分析系统

　　1 引言

　　各种机器设备在运行时，由于回转体不平衡、负载的不均匀、结构刚度和各向异性、零部件之间的碰撞和冲击等都会诱发和激励机械振动。振动信号是机 械状态检测和诊断的基本信息来源，是机械运行状态信息的载体。为使设备安全运行并保证正常的产品质量，必须监测设备运行中的有关振动信息、监视工况并进行 故障诊断。本文介绍的振动测量分析系统采用ARM-DSP双核构架，充分结合了 DSP 的实时信号处理能力和ARM 的事务处理能力，实现了对旋转机械运行状态的实时监测和诊断[1]。

　　2 系统的硬件实现

　　系统硬件由3个模块组成:信号预处理模块、DSP采集处理模块、基于ARM 的人机接口与事务处理模块。系统硬件框图如图1所示。

　　2.1 信号预处理模块

　　本系统处理的振动信号最高频率大约为20kHz, 信号预处理就是要得到20kHz以内的振动信号。信号预处理主要由振动信号的隔直放大、抗混叠滤波以及转速信号的整形、锁相倍频电路构成。

　　对振动信号进行程控放大以提高信号的信噪比，程控放大电路由程控放大器PGA205 和 PGA204 串联构成，放大倍数由CPLD 控制,最高放大倍数为8000。系统采用了开关电容滤波技术，用八阶开关电容芯片MAX297 进行抗混叠滤波。MAX297 的滤波截止频率由时钟信号控制，该时钟信号的频率由DSP处理器根据当前所分析信号的最高谐波频率以及AX297 时钟信号与截止频率之间的比例关系自动设定。

　　键相信号由光电传感器测得，经过光电隔离和整形得到标准的转速脉冲信号，送入CPLD进行转速测量。转速脉冲信号经过由锁相环SN74HC7046和 CPLD组成的倍频电路分别得到开关电容芯片 MAX297 的时钟信号以及 DSP 片上 AD 采样的触发信号。

　　2.2 DSP采集处理模块

　　DSP是一种哈佛结构的微处理器,具有专门的硬件乘法器, 广泛采用流水线操作,并且提供了一些高效的指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法[2]。TMS320F2812是TI公司新推出的32位定点 DSP，采用高性能COMS 技术，指令周期为6.67ns，片上集成较大的RAM、FLASH 以及丰富的片上外设。TMS320F2812有两个12 位的8 通道A/D 模块，转换速度高达80ns，片上A/D模块在预处理模块产生的触发信号作用下对两路振动信号进行同步整周期采样。DSP 采集处理模块由 TMS320F2812、RAM、FLASH 以及相应的电源、逻辑器件组成。

　　2.3 基于ARM的人机接口与事务处理模块

　　S3C2410 是一款高性能的32 位 ARM 处理器， 精简指令结构, 系统时钟为203MHz。除具备一般嵌入式处理器所具有的总线、SDRAM 控制器、串口等外设之外，S3C2410 还具有 TFTLCD 控制器、USB Slave、USB Host、I2C 总线控制器、SPI控制器、IIS 音频接口、SD & MMC 存储卡接口等丰富的扩展功能, 有很高的性价比。A R M 的人机接口与事务处理模块由S3C2410 及其辅助电路、存储器系统、人机接口、通信等部分组成。 通讯部分包括RS232接口、USB 接口以及一个10/100M 自适应的以太网接口。人机接口部分由20键自定义键盘和LCD显示器组成，LCD 采用 640 × 480 TFT 彩屏 LCD，带触摸屏，操作方便。