基于嵌入式系统的旋转机械状态数据采集系统的研究

论文摘要

旋转机械是电力、石油、化工等部门的关键设备,运行过程中难免会出现一些机械故障,而一个小故障,都有可能引起连锁反应,造成巨大经济损失甚至灾难性后果。实施旋转机械状态实时监测和诊断,可以降低事故停机率,减少维修费用,降低生产成本,是避免事故发生,保证安全生产的有效手段。因此,对于大型旋转机械状态监测和故障诊断的研究有重要的意义。本论文结合国家863项目“超临界、超超临界大型汽轮发电机组状态监测与故障诊断技术及其系统研究”（编号:2008AA04Z410）,研究基于嵌入式系统的状态临测数据采集系统,使该系统具有功能齐全、工作可靠、成本低、扩充方便等特点;将现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）引入到旋转机械状态监测与故障诊断系统中,实现数据采集控制,数据缓存及FFT的分析功能模块;完成了μC/OS-Ⅱ操作系统在ARM处理器上的移植工作,设计基于该操作系统的软件功能模块;分析了系统内部及系统外部的通信协议,根据本系统的特点选择了SPI与工业以太网通信协议。全文内容如下:第一章阐述了研究嵌入式旋转机械的状态监测数据采集系统的意义;分析了国内外典型的状态监测系统优缺点;结合嵌入式系统的特点,研究了其在状态监测系统特别是在数据采集系统中的应用。最后结合课题提出了本论文的研究内容,给出了论文的总体结构。第二章介绍了旋转机械典型故障及其对应信号的特征,分析了数据采集系统的所要采集对象信号及其频域范围。介绍常用的状态测量参数,分析了信号测量理论对于数据采集的要求,通过实验说明了幅值谱分析在旋转机械诊断中的作用。分析了本系统的技术指标和实现的功能需求,提出了基于嵌入式系统的数据采集系统的总体构架。第三章针对大型旋转机械多采用电涡流传感器监测振动的特点,设计了振动信号调理电路。对三种可实现滤波器在本系统采集频域内滤波的质量进行了Matlab仿真和比较,提出了一种基于开关电容滤波器的抗混叠滤波方法;设计了基于Max 125采集芯片的采集电路;对两个重要芯片ARM和FPGA进行选型,并对它们的特性在系统中的应用进行了分析。第四章设计了FPGA中的各个功能模块。利用FPGA构建PLL（锁相环）实现整周期采样控制。分析了数据传输中异步时钟解决的方法,在FPGA中设计了异步FIFO,并进行了时序仿真试验。介绍并分析了FFT信号处理技术,设计实现了FFT分析模块,详细介绍CoreFFT核的工作流程和接口含义,并联合Matlab和ModelSim对其进了功能验证。第五章设计了软件功能模块。完成了μC/OS-Ⅱ操作系统在LPC 2378芯片上的移植工作,在此操作系统上设计了具体软件功能模块。分析了系统内及系统与上位机的通信协议,结合本系统的需求和硬件资源选择了适合本系统的通讯方式。第六章总结全文,并对未来进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 旋转机械状态监测的意义
• 1.2 旋转机械状态监测系统及其发展趋势
• 1.2.1 国外状态监测系统
• 1.2.2 国内状态监测系统
• 1.2.3 状态监测系统总体结构
• 1.3 基于嵌入式状态数据采集系统
• 1.3.1 嵌入式系统概况
• 1.3.2 嵌入式系统在设备监测系统的应用
• 1.3.3 嵌入式系统在旋转机械监测系统中的应用
• 1.4 课题的提出和主要研究内容
• 第2章 旋转机械数据采集系统功能需求分析和总体设计
• 2.1 旋转机械的典型故障及信号特征
• 2.2 信号的测量技术
• 2.2.1 振动特征参量
• 2.2.2 测量的基本要求
• 2.3 信号的频域分析
• 2.4 基于嵌入式系统的数据采集总体方案设计
• 2.4.1 数据采集系统功能需求分析
• 2.4.2 嵌入式数据采集系统结构
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于嵌入式系统的硬件设计
• 3.1 基于嵌入式系统的硬件结构方案
• 3.2 振动信号调理电路设计
• 3.3 抗混叠滤波
• 3.3.1 常用可实现滤波器
• 3.3.2 带通滤波器研究
• 3.3.3 开关电容滤波器原理
• 3.3.4 基于开关电容滤波器的跟踪滤波实现
• 3.4 数据采集电路设计
• 3.5 FPGA电路设计
• 3.5.1 FPGA简介
• 3.5.2 FPGA选型
• 3.6 ARM及其外围电路设计
• 3.6.1 ARM简介
• 3.6.2 ARM处理器选型及应用分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于FPGA的控制与运算功能模块开发
• 4.1 基于FPGA的控制计算功能模块设计
• 4.1.1 FPGA功能模块设计
• 4.1.2 FPGA设计流程及Libero IDE介绍
• 4.2 整周期采样控制
• 4.3 FIFO储存模块设计
• 4.3.1 异步时钟解决方法
• 4.3.2 异步FIFO实现
• 4.4 FFT功能模块
• 4.4.1 FFT算法分析
• 4.4.2 FFT的FPGA实现
• 4.5 FFT功能模块实验仿真
• 4.5.1 ModelSim时序仿真
• 4.5.2 Matlab计算验证分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于嵌入式操作系统的程序开发
• 5.1 系统软件设计功能设计
• 5.2 MC/OS-Ⅱ系统移植
• 5.2.1 μC/OS-Ⅱ实时操作系统分析
• 5.2.2 μC/OS-Ⅱ的移植
• 5.2.3 系统程序
• 5.3 ARM与FPGA之间数据通讯
• 5.3.1 串行通信
• 5.3.2 并行通信
• 5.4 ARM与上位机的网络传输的实现
• 5.4.1 RS-485
• 5.4.2 CAN
• 5.4.3 工业以太网
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的项目
• 致谢