发布于：2007/5/29 8:40:57 | 626 次阅读
［摘 要］ 介绍了采用FFT的振动分析方法的基本原理，详细讨论了系统采用DSP（TMS320VC5402）为的硬件和软件设计，通过采用低功耗、微型化设计达到便携式要求。该仪器已方便地用于机械设备的振动检测，并取得满意的效果。
［关键词］ DSP；高速AD；FFT；故障诊断
ATMS320VC5402－based portable vibration analyser
LIUBin，GUYue－zhou
（Instituteof MechatronicControl Engineering ofZhejiang University，Zhejiang－Hangzhou 310027，China）
Abstract：This paper presents an FFT－based vibration analyser，the design of the systemhardware andsoftware based on DSP（TMS320VC5402）．The systemis portable by designing micromation with lowpowerconsumption．The instrument has been used to check machine vibration very conveniently at a working field．The resultis satisfying．
Key words：DSP；High speed AD；FFT；Fault diagnosis
1 引 言
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。振动信号分析是工程结构强度分析、机械状态检测和故障诊断的重要手段，以傅里叶变换为的频谱分析方法是振动信号分析的基础和主要手段。对于某一特定的机械部件而言，它正常工作的时候会对应着某一近似稳定的频率特性，而当机械部件发生结构或材料上的故障时，它的频率特性就要发生改变，这种频率特性的改变常被用来进行故障诊断。目前，有各种频谱分析仪用来做振动分析，但这些仪器一般都比较大，而且有时需要与计算机通信，这对于现场检测极为不便，开发便携式振动分析仪会有明显的优越性，而高性能的DSP为此提供了硬件基础。
2 FFT简介
对时域信号进行频谱分析常用的是傅里叶变换，傅里叶变换函数常以连续函数得出，要用DSP实现这种转换，首先要对信号进行离散化处理再进 行离散傅里叶变换即DFT。若信号为x（t），则其傅里叶变换为：X（f）＝
离散化且进行离散傅立叶变换得到：其中直接计算DFT的工作量相当大，在忽略加减法运算的情况下，当数据点数为N时，需要N2次乘法，而采用它的快速算法即FFT时，计算量降为N/2 log2N。当N的数值很大时，其效果相当明显。FFT算法主要采用了蝶式运算，N＝4的FFT运算示意图如图2—1所示。
3 系统设计
系统以DSP为主控制器，要完成数据采集、1024点FFT运算、频谱分析以及人机接口等几个方面的功能，由于有FFT运算，DSP必须有极高的性能，并且该仪器还需有便携式的要求，因而芯片的选择要考虑功耗，同时整个系统的结构要紧凑，实现微型化。
3.1 系统结构
整个系统的结构如图3-1所示。它由信号的预处理、A/D采样、傅立叶变换及故障诊断和结果显示4部分组成。信号预处理部分主要完成电荷—电压转换、信号放大和抗混叠滤波等功能；A／D采样部分通过高速AD转换芯片完成信号的数字化；傅立叶变换及故障诊断部分对A／D采样得到的数字信号进行FFT运算，得到信号的数字化频谱，并与参考频谱进行比较，对振动源的工作状态作出诊断；结果显示部分主要是把计算得到的频谱值以图形的方式直观地显示出来，并以简单的文字描述出工作设备的工作状态。
3．2 硬件设计
系统硬件可以分为4个模块：DSP控制模块、信号预处理模块、A／D采样模块和人机接口模块。整个系统的硬件连接关系如图3—2所示。
（1）DSP控制模块
DSP是一种具有特殊结构的微处理器，内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供一些高效的指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法，并且指令都是单周期运行。DSP已广泛地应用在语音、图像、通信、仪器仪表等领域。54X系列DSP是专门用于定点运算的DSP芯片，主要的特点是运算速度快、功耗低，文中采用TI公司的TMS320VC5402（以下简称5402）为主控制器，它不仅有上述特点，而且价格便宜，是性价比很高的一款DSP芯片。
系统要成为一个便携式的测试仪器首先在功能方面必须完善，人机接口成为系统一个不可缺少的部分，由于5402的通用I／O很少，不能用线控的方 法完成键盘、显示等接口功能，所以可以把这些外围的部分映射到DSP的I／O空间去，以后对外围模块的控制相当于在DSP的I／O空间进行读写操作，具体实现可以通过一块CPLD（XC95144）完成，同时它还可以完成地址译码、数据锁存等功能。DSP与CPLD的连接关系如图3—3所示。
DSP的设计原则是尽量使用DSP内部自带的DARAM，因为对DARAM的读写无须等待，运行效率高。由于程序要使用DARAM，因而标志位OVLY设置为‘1’，这样DARAM同时被映射到程序空间和数据空间，给编程带来不便，所以设计时要把空间分配好，避免编程时发生错误。标志位OVLY置‘1’，同时会使程序空间从第1页开始的每页的低32K字被第0页的低32K字所覆盖，所以要注意程序空间的分配，避免存储器资源的浪费。
（2）信号预处理模块
振动信号是一种频率分布很广的信号，但振动信号的频率不是很高，大约为20 kHz左右，这里认为频率在20 kHz以内的信号为有效信号，信号预处理就是要得到该频段的振动信号。具体操作主要包括：通道选择、电荷—电压转换、放大、滤波和电平标准化。
目前常用的振动传感器的输出都是电荷信号，由于电荷信号不能与其它的模拟或数字电路直接连接，所以要先对电荷信号进行转换，使它变为最常用的电压信号。振动信号变为电压信号后，信号可能会比较微弱，接下来要对电压信号进行放大提高信号的信噪比。然后对信号进行低通滤波，去掉高频信号而得到所需频段的信号，但由于电压信号的电平还不一定处于A／D转换芯片的输入范围内，所以需把信号电平转换到A／D转换芯片的输入范围。经过以上几步处理，振动信号可以输入A／D进行采样了。
（3）A／D采样模块
根据乃奎斯特采样定理，采样频率至少要大于信号频率的两倍，实际上信号预处理阶段对信号进行的低通滤波不可能具有理想的阶跃特性，它从通带到阻带存在一个过渡带，因而振动信号中肯定还包含有高于20 kHz的信号，所以在对信号进行采样时，高于有效频率的信号采样后会映射到0～20 kHz频率范围内，这样势必叠加在原有的频率分量上，形成叠加噪声。要解决这个问题通常有两种措施：设计一个过渡带很窄、阻带衰减比很大的低通滤波器，或者充分提高信号的采样频率。前者不仅增加了系统的复杂性，降低了系统的稳定性而且滤波器自身也会对数据引入干扰；后者会大大提高系统的数据量和计算量。综合考虑之下，采用提高采样频率的方法，采样频率提高到频率的5倍（即100 kHz）基本上保证不发生频率混叠同时计算量也可以接受。
在此选用了AD公司的高速、低功耗采样芯片AD9221，它的转换有12位，采样时钟可以达到1．5 MHz，这意味着它可以对多路振动信号进行采样，同时由于它内部采用了流水线结构，经过3个时钟的滞后，每一个时钟就可以完成采样。
由于5402要不停地进行FFT运算和显示，为了不占用5402的系统资源，A／D采样的实现由CPLD控制完成，转换完成后的数据存储到SRAM中去，达到一定数量时由5402读入进行计算。AD9221与CPLD及SRAM的连接如图3—4。
（4）人机接口模块
前面已提到键盘和显示已映射到5402的I／O空间，5402向特定的I/O空间读写数据时，由CPLD产生控制键盘或LCD的信号，从而实现对键盘和LCD的控制。选用128×64点阵的图形液晶，实现频谱分布的图形化显示。
3．3 程序设计
程序包括两个部分：一个是实现CPLD功能的VHDL程序，另一个是DSP的控制程序。VHDL程序要把输入与输出信号之间的逻辑关系用语言的方式实现，这里由于CPLD完成的任务比较多，具体实现时，先按功能分成几个模块，这样既便于设计又容易仿真及测试。每个模块在硬件上都得到验证后，把 每个小模块作为主程序的一个组件并实例化，软件仿真通过后即可载入到芯片完成它的功能。DSP的控制程序主要包括FFT运算、频谱分析、LCD显示和键盘控制等几个部分，其中键盘控制是用中断的方式实现。主程序的流程如图3—5所示。
4 系统的工作过程及故障分析
系统的工作过程：当系统已进入工作状态并启动了A／D后，外部多路或单路振动信号经信号预处理输入到AD9221，完成模数转换。A／D转换得到一定数量的数据时采样完成，DSP停止A／D采样并把暂存于SRAM的数据读入到它自身的DARAM中去进行FFT运算，读完后又重新开启A／D采样。FFT运算完后，把新得到的频谱特性与预设的频谱特性进行比较并作出诊断，接着刷新LCD上的频谱分布及诊断结果，之后又重新等待A／D的采样完成。在这过程中，如果有按键输入，程序马上跳到按键中断子程序，首先对按键做去抖动操作，确实有按键按下，得到按键值并跳转到相应的子程序进行按键处理。
故障分析的具体实现：首先通过长期大量的振动信号监测分析，将振动信号的FFT谱图线条分成较大的组，形成一种新谱称为合成谱，只要合成谱的各频带足够宽，且有足够高的分辨率，这样的合成谱便可作为某部件振动的参考频谱，将测出的振动频谱同参考频谱作比较，若两者的差异较大，就可认为存在故障。
5 结束语
成型的系统安装在便于手持的小盒子里面，可以非常方便地用于现场测试，该仪器已用于机械状态检测，配合有经验的操作者达到比较满意的效果。根据以上可知，通过更改预设的频谱，即可实现对不同的机械进行故障分析，因而它具有非常好的通用性。
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