基于嵌入式技术的离线故障诊断系统关键技术研究

论文摘要

鉴于传统便携式振动分析仪的数据处理能力较弱和离线故障诊断系统数据处理能力强,但不便于现场应用的现状;本课题采用嵌入式技术,选用新型的OMAP双核微处理器和Linux操作系统,开发一种新型的离线故障诊断系统,使得该系统不仅便于携带,而且具有很强的数据处理能力。本课题在借鉴传统便携式振动分析仪和离线故障诊断系统成功经验的基础上,论述了离线故障诊断系统的功能需求、软、硬件平台的选型、嵌入式开发环境的构建及基于双核通信的数据采集与故障诊断程序的开发等的具体过程。本课题采用了基于OMAP5912处理器的OSK5912开发板作为系统的核心板。根据系统多通道、高速、实时数据采集等要求,论述了数据采集模块设计时应遵循的一般设计原则和要求,并针对机械故障诊断的需要设计了振动信号的数据采集模块。此外,系统可以通过核心板的扩展口扩展LCD和触摸屏模块作为人机交互的接口,并针对用户的使用要求开发图形化的人机交互界面。嵌入式操作系统不仅体积小,而且可以根据需要任意裁剪,能够最大限度的利用嵌入式系统有限的硬件资源来实现用户的功能需求。Linux操作系统以其开源性、免费性、健壮性及支持多平台等优点在嵌入式领域中得到了广泛的应用。我们这里采用对Linux进行裁剪和交叉编译的方法来得到适用于本系统软、硬件要求的嵌入式操作系统。由于具有操作系统,我们就必须为数据采集模块开发其设备驱动程序。OMAP处理器具有独特的双核架构,因此其开发也相应的分为两部分,这就需要分别为其构建合适的交叉开发环境。这里分别构建了基于嵌入式Linux的交叉开发环境和基于DSP GATEWAY的DSP开发环境,为开发基于双核通信的应用程序做好准备。ARM处理器虽能够完成运行操作系统、系统控制等方面的要求,但在对大量的数字信号进行处理时不仅速度慢,而且耗能大,不适于用作数字信号处理;DSP处理器专门针对数字信号处理做了优化,在数字信号处理方面具有其它处理器无法比拟的高速度和低功耗。利用OMAP双核处理器可以方便地解决这一矛盾,通过开发基于双核通信的数据采集和处理程序,将事务密集型任务交给ARM核来完成,繁重的计算密集型任务交给DSP核来完成;不仅能够实现数据的高速采集,而且能够实现数据的实时处理。本论文的相关工作在OSK5912开发板上进行了验证,系统软、硬件都可以正常运行,为后期的进一步研究开发打下了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 故障诊断的背景及原理简介
• 1.2 故障诊断的研究概况及前景
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 传统便携式振动分析系统的特点及不足
• 1.2.3 离线故障诊断系统的发展趋势
• 1.3 课题的提出
• 1.3.1 课题研究的意义
• 1.3.2 课题来源
• 1.4 课题的主要工作及创新
• 1.4.1 本课题主要工作
• 1.4.2 本论文的创新点
• 1.5 本章小结
• 2 离线故障诊断系统功能需求及总体方案设计
• 2.1 概述
• 2.2 新型离线故障诊断系统的必要性
• 2.3 嵌入式系统介绍
• 2.3.1 嵌入式系统概述
• 2.3.2 嵌入式操作系统
• 2.3.3 嵌入式微处理器的发展及现状
• 2.3.4 OMAP处理器的特点与优势
• 2.4 系统总体方案
• 2.4.1 需求分析及功能设计
• 2.4.2 系统软、硬件方案设计
• 2.5 本章小结
• 3 基于OSK5912的离线故障诊断系统硬件设计
• 3.1 OSK5912核心板介绍
• 3.2 传感器的选择
• 3.2.1 传感器简介
• 3.2.2 传感器抗干扰
• 3.3 数据采集模块设计
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 信号调理电路设计
• 3.3.3 A/D转换电路设计
• 3.3.4 键相电路设计
• 3.4 本章小结
• 4 基于OMAP的嵌入式开发环境构建
• 4.1 构建ARM端的嵌入式开发环境
• 4.1.1 建立嵌入式Linux交叉开发环境
• 4.1.2 Linux内核定制
• 4.1.3 Linux内核交叉编译及加载
• 4.2 建立基于DSP GATEWAY的DSP开发环境
• 4.2.1 DSP GATEWAY简介
• 4.2.2 DSP GATEWAY的结构
• 4.2.3 DSP GATEWAY为Linux提供的APIs
• 4.2.4 DSP GATEWAY架构下的DSP编程简介
• 4.3 本章小结
• 5 数据采集模块驱动程序开发
• 5.1 驱动程序简介
• 5.2 Linux设备分类
• 5.3 核心模块与应用程序的区别
• 5.4 编写模块化的驱动程序
• 5.5 编写数据采集板的驱动程序
• 5.5.1 字符设备相关的重要概念
• 5.5.2 数据采集模块驱动程序
• 5.6 本章小结
• 6 基于OMAP双核通信的数据采集与处理程序开发
• 6.1 OMAP软件结构体系及特点
• 6.2 Linux端程序的开发
• 6.2.1 多线程编程
• 6.2.2 进程间通信
• 6.2.3 Linux与DSP通信编程
• 6.3 DSP端程序的开发
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果