（机械电子工程专业论文）智能巡检系统的研制.pdf

附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：，惭釜彭争 日期：川年：；月，j ，日 85 咖6删4mm眦i舢8iiiil啪y 一虢能守 日期：，2 厩弓月d 自 指导教师签名： 枷甭 日期：加眸乡月，厢 智能巡检系统的研制 智能巡检系统的研制 摘要 巡检是一种广泛应用于工业设备运行状况检测的方法，由于工业现 场环境复杂，设备众多，巡检工作量大，因此研制性能优异、成本低、 体积小的智能巡检仪，并通过巡检数据数据管理软件实现智能巡检，达 到最优的巡检路线和最高效的巡检，就具有非常重要的现实意义。本论 文研制了一种基于m s p 4 3 0 低功耗智能巡检仪和与之相适应的智能巡检 数据管理软件，详细阐述了巡检仪硬件及软件实现方法和抗干扰方法， 给出了测试数据，并对智能巡检数据管理软件的主要功能和实现方法进 行了详细的论述。本课题从以下四个部分进行研究： 第一部分，介绍了振动测试的任务和方法，分析了当前智能仪器的 发展趋势，阐述了测振仪器的发展现状，详述了智能仪器的一般设计步 骤，提出了智能巡检概念。 第二部分，介绍巡检仪的总体结构，着重研究了巡检仪的信号测量 电路的设计和根据巡检仪硬件条件而设计的数字滤波、数值积分等软件 算法。分析了巡检仪中干扰产生的原因并提出了软件和硬件抗干扰的主 要措施。 第三部分，通过标定及试验证明巡检仪性能符合相关国家技术指标 要求，通过测试各种条件下的功耗，证明巡检仪能实现低功耗工作。 第四部分，重点研究了实现智能巡检的方法和相关算法，详细介绍 智能巡检数据管理系统的功能，通过与巡检仪的结合可以实现智能高效 的巡检工作。 关键词：巡检仪低功耗抗干扰智能巡检预测算法 智能巡检系统的研制 r e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n c ev i b r a s y s t e m a b s t r a c t v i b r ap e r a m b u l a t i o ni st h em o s tc o m m o n l ym e a n so fv i b r a t i o nt e s ta n d a n a l y z e ，a n di sw i d e l yu s e di nm a n yk i n d so fi n d u s t r yf i e l d s s or e s e a r c h i n g h i 曲p e r f o r m a n c e 、l o wc o s ta n ds m a l lp o r t a b l ep e r a m b u l a t i o nv i b r o m e t e r t h a tb a s eo nt h ei n t e l l i g e n tv i b r ad a t em a n a g e m e n ts y s t e mh a si m p o r t a n t m e a n i n g w ec a ng e th i g he f f i c i e n ta n do p t i m a lp e r a m b u l a t i o n r o u t ew i t hi t t h i sp a p e rd e s c r i b e so n ek i n do fd e s i g no fv i b r a t i o nm e a s u r i n gi n s t r u m e n t b a s eo nm s p 4 3 0a n da ni n t e l l i g e n tv i b r ad a t em a n a g e m e n ts y s t e mf o r o p t i m a lp e r a m b u l a t i o nr o u t e i t a l s oo f f e r st h e g e n e r a l m e t h o do f i m p l e m e n t i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h et e s td a t eo f t h ei n s t n m a e n ta n d t h ed e t a i la b o u tt h ev i b r am a n a g e m e n ts y s t e m t h ep r i m a r yc o n t e n t so ft h e p a p e ri n c l u d e ： f i r s t , i ti n t r o d u c e st h et a s ka n dt h ew a yv i b r a t i o nt e s t , a n a l y z e st h e d e v e l o pd i r e c t i o no ft h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t t h ew a yo fd e s i g n i n gt h e i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n ti sa l s od i s c u s s e d a n dt h i s p a p e ra n a l y z e st h e d e v e l o p i n gs i t u a t i o no fv i b r o m e t e ra n dg i v e st h ec o n c e p to fi n t e l l i g e n tv i b r a p e r a m b u l a t i o n s e c o n d l y , i td e s c r i b e st h eg e n e r a lw o r kp r i n c i p l eo ft h ev i b r o m e t e r , a n d e m p h a s i z e so nr e s e a r c h i n gt h ew a y so ft h ec i r c u i ta n ds i g n a l sp r o c e s s i n g ， a n dc o m p l e t e dt h ed i g i t a lf i l t e r d i g i t a li n t e g r a ld e s i g n i n gb a s e do nt h e h a r d w a r eo fv i b r o m e t e r i ta n a l y z e st h em a i nf a c t o r so fi n t e r f e r e n c e ，a n d p u t st h ee m p h a s i so nt h et e c h n o l o g yo fa n t i - i n t e r f e r e n c eb yh a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h i r d , a c c o r d i n gt ot e s t i n ga n dp r o v i n gt ot h ei n t e l l i g e n tv i b r o m e t e r p e r f o r mw e l l w ea l s ot e s t i n gt h ep o w e rc o n s u m i n go ft h i si n s t r u m e n ta n d p r o v e st h a ti tc a l lw o r ki nl o wp o w e rc o n s u m i n gs i t u a t i o n an e wp o r t a b l e i n t e l l i g e n tv i b r o m e t e r f i n a l l y ，t h ep a p e rs t u d i e st h er e l a t i o n a la l g o r i t h mf o rr e a l i z i n gt h e 智能巡检系统的研制 目录 第一章绪论1 1 1 振动测量基础1 1 2 智能仪器的特点2 1 3 便携式测振仪的国内外发展现状3 1 4 课题研究的目的与意义4 1 5 智能巡检系统的特点”5 1 6 卅、结6 第二章巡检仪硬件的设计”7 2 1 巡检仪硬件总体设计”7 2 2 微处理芯片的选择”7 2 3 振动传感器的选择”9 2 4 低功耗外围芯片的选择1 0 2 5 模拟测量电路设计1 l 2 5 1 振动传感器测量电路的设计1 l 2 5 2 滤波电路的设计1 3 2 5 3 抗混低通滤波器的设计1 5 2 5 4 高通滤波器的设计1 7 2 5 5 加速度低通滤波器的设计1 8 2 6 滤波电路的参数调整与整体性能仿真1 9 2 7 仪器电源的设计及低功耗的实现2 0 2 7 1 供电管理硬件的设计2 l 2 7 2 系统低功耗的运行管理2 3 2 8 小结”2 4 第三章巡检仪软件的设计2 5 3 1 整体功能的设计2 5 3 2 低功耗监控程序的设计2 6 3 2 1 中断主程序初始化设计2 7 3 2 2 按键工作方式设计2 7 3 3 系统操作菜单及时钟的设计3 1 3 4 数字算法的原理3 2 3 4 1 数字积分算法3 2 3 4 2 振动烈度的测量3 4 3 4 3 通讯差错的校验3 5 3 5 数字滤波的设计3 6 3 5 1 数字滤波器的概述3 6 3 5 2i i r 滤波器和f i r 滤波器的比较和选择3 7 3 5 3i i r 滤波器的网络结构分析3 8 3 5 4i i r 滤波器的设计”4 0 3 6 小结“4 3 第四章抗干扰设计4 4 智能巡检系统的研制 4 1 单片机系统抗干扰综述4 4 4 2 单片机系统抗干扰的硬件途径4 5 4 3 软件的抗干扰设计4 7 4 3 1 数据采集的软件对策4 7 4 3 2 程序运行失控的软件对策4 9 4 4 小结”5 0 第五章仪器的标定和测试5 l 5 1 概j 苤“51 5 2 巡检仪的标定试验5 2 5 2 1 加速度的灵敏度标定5 3 5 2 2 加速度幅值特性测试和频率特性测试5 3 5 2 3 速度幅值特性标定测试和频率特性测试5 4 5 2 4 位移幅值特性测试和频率特性测试5 6 5 3 功耗测试5 7 5 4 小结”5 7 第六章智能巡检数据管理系统5 8 6 1 智能巡检数据管理系统的整体的设计5 8 6 2 设备信息管理5 9 6 3 巡检计划管理6 1 6 4 通讯模块的设计6 5 6 5 报表输出6 7 6 6 智能巡检数据管理系统的理论基础6 7 6 6 1 巡检测点的产生方法6 7 6 6 2 判定标准的确定6 9 6 6 3 巡检预测算法7 0 6 6 3 1 灰色系统建模的理论简介 2 9 - 3 0 7 0 6 6 3 2 预测模型的修正7 4 6 7 小结”7 5 第七章结论7 6 参考文献”7 8 攻读学位期间发表的论文8 1 致谢一8 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 振动测量基础 振动测试与分析技术是机械动力学科的重要分支之一，是机械动力学工程应 用的一个极为普遍的方面。在生产和科学实验中，机械振动是普遍存在的现象， 任何力学系统，任何机械、机构、零件及其组成部分都会产生振动。在绝大多数 场合，机械振动都是有害的，它将影响设备的正常工作和机床的加工精度，引起 机器构件的加速磨损，甚至导致急剧断裂而破坏。伴随振动而来的是噪声，它污 染环境，危害人类的健康【l 】。 振动测量的目的是获得动态信号数据并对其进行处理，动态信号是指测量信 号，如位移、速度、加速度、应力等。它们共同的特点是随时间而变化，它们代 表了系统的状态和特征。通过测量系统的振动量和噪声水平等，来监测机器设备 的工作状态是否稳定、正常及诊断设备的故障，这是一种常用的机械故障诊断方 法。 动态信号可以分为确定性信号和随机信号。如果描述系统情态的状态变量可 以用确定的时间函数来表述，则称这样的物理量是确定性的，而描述它们的测量 数据就是确定性信号。如果描述系统情态的状态变量不能用确定的时间函数来表 述，无法确定状态变量在瞬时的确切数值，其物理过程具有不可重复性和不可预 知性，描述系统的数据就成为随机信号【2 】。 实际机械结构中零部件有规律的旋转、往复和冲击运动所引起的振动都是或 近似是确定的简谐振动【l 】，对于其他的无规律的振动信号，我们可以近似认为是 各态历经性平稳信号。对于这类机械结构的振动，可以通过对振动的基本参数的 测量，如加速度、速度、位移，然后采用各种时域或者频域的信号分析和处理方 法进行分析，得出系统的运行状况。 振动参数的测量按其测量的物理性质可以分成三大类：机械测量法、光测量 法、电测量法【3 】。 1 ) 机械测量法的原理是利用杠杆机构原理，把振动的波形用笔尖直接记录 到运动的纸带上。主要的特点是：抗干扰能力强，结构简单、但频率范围和动态 第一章绪论 线性范围窄，灵敏度低，测量的振幅不能够太小，给振动体附加的重量大，因此 主要应用于低频大振幅振动或扭转振动的场合。 2 ) 光测量法的原理是把振动的参量转化成光信号，经过光学系统的放大， 然后利用光的干涉原理和多普勒效应等进行测量。光测量的主要特点有测量精度 高、适用于非接触式测量，同时利用激光的单色性、波长稳定等特点可以测量微 小振动，利用激光能量集中、准直性好的特点，可以进行远距离位移的测量，利 用激光的全息摄影方法，可以测机构的振型等。光测量法在精密测量、传感器、 测振仪的标定中应用较多。 3 ) 电测量法的原理是通过传感器将被测机械振动信号转化为电信号，经过 电子系统的放大后，在对信号进行处理得到测量结果。与前面的两种方法相比较， 电测量法有明显的优势：与机械测量法相比，电测量法具有测量频率范围宽、灵 敏度高、动态范围广；电测量的传感器种类较多，可以根据不同的测量对象选择 不同的传感器；电测量装置结构简单，数据测量和处理方便，易于推广。 本论文所论述的巡检仪及数据管理系统都是基于电测量法的基础上的。 1 2 智能仪器的特点 微处理器的出现，引起了仪器仪表结构的根本变化。它以单片机为主体取代 传统仪器仪表的常规电子线路，可以容易地将计算机技术和测量技术结合在一 起，组成新一代的智能仪器。由于微处理器的运用使得测量仪器具有数据存储、 数据处理、逻辑判断、命令识别，甚至还具有自诊断自校正、自适用、自学习等 功能。与传统的针式仪器、数字仪器相比较，智能仪器在可靠性、保证测量结果 准确性、消除系统误差和随机测量误差等方面明显优于传统的测量仪器仪表。智 能仪器主要功能特点主要有以下几方面【4 】： 1 ) 仪器的功能强。它具有数据存储和处理能力，在软件的配合下，仪器的 功能可以大大加强，其多功能的特色主要是通过微处理器的数据存储和快速计算 实现的。 2 ) 仪器的性能好。智能仪器中通过微处理器，可以很容易的地实现多种自 动补偿、自动校正、多次测量平均技术，以提高测量精度。通过执行恰当和巧妙 的算法，常常可以弥补仪器硬件本身的缺陷或弱点，改善仪器的性能。 3 ) 操作自动化。智能仪器的自动化程度高，因而被称为自动测量仪器。仪 第一章绪论 器据有自动选择量程、自动校准、自动调节测试点，既方便了操作，又提高了精 度。 4 ) 具有对外接口功能。能很方便的实现自动测量和远程自动遥控。 仪表中采用微处理器后能够实现“硬件软件化，使许多硬件逻辑课以用软 件代替。根据编写的软件程序，按照设定的程序流程执行指令，进行各种逻辑判 断、驱动某一执行元件。因此本设计中以单片机为核心，通过设计功能强大的软 件来实现仪器的智能化。 1 3 便携式测振仪的国内外发展现状 便携式测振仪被广泛应用于机械制造、电力、冶金、航空航天生产和设计领 域，随着电子技术和软件技术的发展，便携式测振仪也有了很大的发展，精度、灵 敏度、运算能力、功能等都有了很大的提高，形成了系列产品。目前国内外现有 的产品种类比较齐全，根据仪器的功能和精度大致有两种形式： 1 ) 精密便携式振动分析仪。通常采用数字处理器作为仪器的数据处理核心， 内置f f t 、功率普等运算功能，具有时域分析和频域分析功能。同时采用了最新 的电子技术和制造工艺，使仪器的抗干扰性好、可靠性高，具有一定量的数据存 储功能，另外有些产品还配有通讯接口与p c 机上的管理软件共享数据，并作进 一步的分析。精密诊断仪器可以测量多种参数，具有频谱、功率普、振动趋势等 分析功能，有些型号还配有相应的计算机数据管理系统，这使得系统的功能更加 强大，是一种通用性较强的智能型便携式测振分析仪。国产型号如： m w l 3 e m r 3 9 0 设备数据采集、故障分析及管理系统，m w l 2 - v i b 2 0 旋转机械故 障分析仪；r 4 0 s a 7 7 手持信号分析仪等。国外型号如：美国s k f c m 公司的 c m v a 4 0 2 0 1 0 和专用于轴承的c m p s 9 0 ；日本的便携式振动分析仪r 4 0 0 1 1 振动分析仪、数据采集器。 2 ) 简易型便携式测振仪。这种仪器通常不采用微处理器，主要是通过模拟 电路和a d 转换芯片实现测量功能，然后再显示测量结果。这种仪器设备电路简 单，精度较低、并且不具有数据存储功能、分析功能、自校正功能，数据通讯功 能等，且仪器功能比较单一，数据精度较低。但因其使用简单、故障率低、价格 便宜而被大量采用，尤其是用于日常设备巡检工作中，因此在许多生产企业中得 到普及。国产型号如：m w l 3 e m t 2 2 0 系列袖珍式测振仪，v m 2 0 0 3 系列等。 第一章绪论 此类仪器的生产厂家较多，但大多数还停留在低档的产品阶段，多数为仿制国外 产品的技术指标进行设计的，各厂商提供的产品技术指标接近，产品的测量范围 很有限。国外型号有：日本r i o n 公司的v m 7 0 轴承检测仪和v m 8 2 便携式数字 测振仪。 简易便携式测振仪的普及，并在日常的生产中取得了良好的效果，但也存在 许多问题，为适应生产不断发展的需要，就要求简易便携式测振仪更趋向于智能 化，与适应日趋增多的生产设备的监测需要。因此在简易测振仪这一领域中采用 新的技术和新的理论，使仪器具有更强大的功能，成本更低廉，体积更小，功耗 更低、更加智能化是简易测振仪发展的趋势，也是符合中国市场的需要和中国企 业设备管理未来发展的需要。 1 4 课题研究的目的与意义 通常设备诊断技术包括两部分【1 0 】： 1 ) 是诊断设备的健康的初级技术，主要是有现场的作业人员实施的简易诊 断技术。简易诊断技术相当于人的初级健康诊断，为了能对设备状态迅速有效地 做出概括性地评价，它应具备以下能力：设备的恶化、故障的趋势控制和早期发 现；设备性能效率的趋向控制和异常检测；设备的监测与保护；发现有问题设备。 2 ) 主要是为了对故障的性质进行决策，由专门人员实施的精密诊断技术。 精密诊断技术的目标，是对用简易诊断技术判定为“大概有异常的设备进行专 门的精密诊断，已确定采取哪些必要的措施。它应具备以下功能：确定异常的型 式与种类；了解异常的原因；了解危险的程度，预测其发展；了解改善设备状态 的方法。这两者相当于医学上的护士和专门医生的关系。也就是说，对疾病的早 期发现并治疗，同时用较少的保健费来保持健康的方式，这个道理对于人和设备 是同样的。 通常企业根据设备的重要程度不同，也可以采用不同的检测方式：在线监测 或定期巡检。一般而言，对于非常重要的设备，则需要进行在线监测，对设备的 运行状态实施连续不间断的监测；对于普通设备，则通过巡检的方法监测设备的 运行状态。在实际应用中，由于成本和技术等条件的制约，巡检是日常最常见的 故障检测方式。而如何高效率的巡检就成为我们研究的重点，因此在便携式测量 仪器上实现智能巡检就成为我们研究的重点解决的问题。 第一章绪论 目前市场上就如何降低巡检强度、实现最佳巡检路线并未提出相应的解决方 案。而传统的方式，依靠巡检员定期巡检，必将随着生产设备的日趋增加，而变 的愈加繁重，效率越来越低。这样巡检将成为一项繁重的任务。而采用智能巡检 方式可以大量的降低劳动强度、提高劳动效率，节省生产成本，更高效的检测设 备的运行，为实现预知维修奠定基础，同时由于系统的成本低，非常适合现阶段 市场推广，具有可观的市场前景。 1 5 智能巡检系统的特点 本论文研制的智能型巡检仪系统，其中仪器成本大大低于精密仪器，而性能 又明显优于简易测振仪，主要在测量精度、数据的存储、显示等方面有了很大的 提升，智能巡检功能是其突出的特点。它的技术性能符合我国国家标准 g b l 3 8 2 3 3 中正弦激励法振动标准和g b t 1 3 8 2 4 9 2 对振动烈度测量仪的要求。本 系统的主要有以下特点： 1 ) 智能巡检仪以微处理芯片为核心，适用于机械设备的常规振动，特别是 旋转和往复机械中的振动测量，可测量振动位移、速度( 烈度) 和加速度三个参 数。 2 ) 采用数字算法代替部分模拟电路，提高了测量的精度。同时扩展外部存 储器，和通讯接口，具有数据存储和传输功能。 3 ) 选用低功耗的元件，采用节能的控制方法使仪器的功耗大大的降低，保 证仪器较长时间的工作，且仪器的重量轻、体积小便于携带。 4 ) 针对日常的巡检工作的特点，采用预测算法结合测点其他信息，如设备 的新旧、使用时间等，综合推断测点所处的巡检周期( 状态) 。在每次巡检时， 通过巡检管理软件生成巡检路线，并传送到仪器上，通过仪器提示，操作人员就 可按计划巡检。 5 ) 本系统中判定依据主要以i s 0 2 3 7 2 或g b l l 3 4 7 8 9 等标准为基础。利用该 仪器测量的数据，对照国际标准i s 0 2 3 7 2 ，就可确定设备( 风机、泵、压缩机和 电机等) 所处的状态( 良好、注意和危险) 。同时还可以通过人工的方式来制定具 体设备的判定标准。 综上所述，本论文提出的智能巡检仪及巡检数据管理系统，可以智能制定巡 检路线，降低工人现场巡检的工作强度，提高工作效率。同时更加科学有效地的 第一章绪论 管理设备历史数据，掌握设备的工作状态，推断设备的发展状况，如果配合精密 检测设备使用，可以更精准的判断设备的缺陷、故障种类，更准确的预测设备故 障的发展状况，达到预知维修的目的。 1 6 小结 本论文共分为六章。第一章是绪论，介绍了振动测量的概念和方法、测振仪 器的国内外发展现状，分析了智能仪器的特点、组成及其应用，在此基础上阐述 了本课题的研究意义和内容；第二章是硬件设计，介绍了智能巡检仪的硬件电路 的整体设计、弱信号检测电路、供电电路设计、降低功耗的方法、人机接口电路 等。第三章是巡检仪软件的设计，介绍了智能巡检仪软件的总体规划，各功能模 块的设计、系统时钟机制的管理，以及相关的算法及其软件实现，重点介绍了数 值积分和数字滤波器的设计。第四章阐述了在系统设计中采用的各种硬件和软件 抗干扰设计技术。第五章样机的试验过程和试验结果分析。第六章阐述了巡检系 统的数字管理，巡检计划的产生方法和预测算法。最后结论是对本论文的工作做 了总结。 第二章巡检仪硬件的设计 第二章巡检仪硬件的设计 多功能智能巡检仪的硬件电路设计包括：微处理芯片的选择、电源管理电路 设计、测量电路的设计、a d 转换电路的设计、存储、显示、通讯接口电路设计 等内容。 2 1 巡检仪硬件总体设计 根据前面所提出的智能巡检仪的功能及特点，我们将系统的总体方案确定如 图2 1 所示。振动信号通过传感器，再经过测量电路处理，传送到a d 转换器进行 转换，转化的数据再送到微处理单元( m c u ) 进行数字处理，处理结果送l c d 显示，并可以选择保存，将测量结果保存在存储器中。通讯接口用于和p c 机或 其他设备进行数据交换。电源管理不仅提供系统正常的工作所需的电压，还能满 足系统的最大电流和低功耗的要求。 图2 - 1 系统的基本组成图 上图描述了巡检仪的基本硬件组成，在设计超低功耗系统时，要对电源电压、 时钟频率以及静态功耗进行控制。这就形成了电源宜低不宜高、时钟宜慢不宜快、 系统( 器件) 宜静不宜动的三相宜”原则。结合三相宜原则，在本方案中至少应该 解决以下几个关键问题： 1 ) 微处理器m c u 的选择；2 ) 传感器的选择、测量电路的设计；3 ) i c 器件 的选择；4 ) 供电电源硬件设计。以下就仪器的硬件设计进行详细的论述。 2 2 微处理芯片的选择 微处理器芯片是多功能智能巡检仪的核心，它决定了巡检仪的智能化程度， 数据处理能力及整个仪器结构的复杂程度。作为便携式仪器，为了满足工作现场 的振动信号的采集、运算、存储、传送等功能，要求微处理器( m c u ) 具有一 第二章巡检仪硬件的设计 定的执行速度、运算字长、丰富的片内硬件、非常低的功耗。 巡检仪需要完成数字滤波、数字积分等较复杂的运算，同时也需要在工作过 程中尽可能的降低功耗。八位单片机的由于字长和片内资源的局限，在数据处理 能上存在明显不足，使得整个系统的数据处理性能受到局限。而选用高性能的 d s p 处理器，可以很容易使系统达到较高的数字处理水平，但这必将造成系统电 路复杂，成本过高，功耗较高等现象。 为此，我们通过权衡各种单片机的特点，最终选用美国t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机。m s p 4 3 0 是德州仪器公司在九十年代新开发的一类集成f l a s h 存储器的 单片机，它采用1 6 位的总线，片内外设和内存统一编址，寻址范围最高可达6 4 k 还可以扩展外部存储器。具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片内 有精密硬件乘法器、两个1 6 位定时器、一个8 通道的1 2 位的模数( a d ) 转换器、 一个看门狗、6 路i o 、一个比较器、两路u s a r t 通信端口、两个外部时钟和一个 d c o p 勺部振荡器，最高可支持8 m 的时钟。m s p 4 3 0 f 系列作为f l a s h 型微处理器， 通过j t a g c i 可以在线下载编译好的程序并进行调试，不须另外的仿真工具。单 片机的内部结构如图2 2 所示。m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机主要特点如下【聃】： 超低功耗。低电压范围：1 8 v 3 6 v 。典型工作电压为3 v ，主频为1 m h z 时，消耗电流小于2 5 0 u a 。 5 种不同的低功耗待机模式可供选择。低功耗待机模式，消耗电流小于 1 u a 。系统唤醒小于6 u s ，i o 口的漏电流小于5 0n a 。 充足的片内存储空间。片内多达6 0 k 的f l a s hr o m 和2 kr a m 存储器， 用于存储程序指令和数据。 丰富的片内外设。定时器t i m e ra 。t i m e r ，可工作在两种可选的时钟源b 下，具有3 个比较捕获寄存器，可输出p w m 波形。一个w a t c h d o g ( 看门狗定时 器) 。 硬件乘法器单元。硬件乘法器是一个未集成入c p u 的1 6 位外围模块。硬 件乘法器可以作1 6 位x 1 6 位、1 6 位8 位、8 位x 1 6 位和8 位8 位的乘法运算( m a y ) 和乘加运算( m a c ) 。 晶振和时钟发生器。m s p 4 3 0 f 1 4 9 有3 个晶振可供选择：两个外部晶振f 低 频l f x t l ，高频l f x t 2 ) 和一个内置的由数字控制的r c 振荡器d c o 。 片上内置数模转换器a d c l 2 。a d c l 2 有8 个模拟输入通道，具有通用的 采样保持电路，可以选择采样时序、转换时钟和工作模式。a d c l 2 不依赖c p u 第二章巡检仪硬件的设计 独立工作，由软件启动a d 转换，转换完成后结果存储在相应的寄存器中。 圈 c p u r i s c 结构 卜1 i 乘法嚣l ii 1 - _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - - j 刀a g 调试 提供3 个断赢 圳r 孟a mli o o l1 3 2 - , 6 0 1 2 3 4 怦5 1 6 il l 2 lli 脚li 姆eii i 看门翻 t 妇 襄菱i 憎li 嚣il 雾 图2 - 2m s p 4 3 0 内部结构 m s p 4 3 0 f 1 4 9 最突出的特点是超低功耗性能。传统的单片机，在低功耗方面 的性能并不是特别突出，一般休眠电流在l o 州m a 范围内。而m s p 4 3 0 单片机 休眠电流可达到1 衅以下。我们可以通过控制系统时钟的产生、选用较低的工作 电压、低功耗的电源控制来实现低功耗。另外m s p 4 3 0 f 1 4 9 有5 种低功耗模式，在 超低功耗的设计中，让c p u 的大部分时间都处在休眠状态，即主程序中单片机完 成了相应的设置或任务之后，就让它进入低功耗模式以降低功耗。延长电池的使 用寿命，节省电池的消耗；降低设计成本，低的e m i ，精简电路设计，简化p c b 设计；在超低功耗模式下工作，可靠性能好，在干扰下运行不受影响，非常适应工 业环境运行。 2 3 振动传感器的选择 在振动测量中，把被测的振动力学参数转换成电学参数的装置称为振动测量 传感器。它能将振动的力与运动量转变为电量，如电压、电流、频率、脉冲等， 以满足振动信号的传输、计算、分析、记录和控制等要求f l 】。本设计主要采用电 测量法来测量振动参数，选用传感器主要是将振动信号转化为电信号，同时要求 测量时与物体接触，故选用接触式加速度传感器。 在振动测量中，我们所要测量和分析的信号包括：加速度、速度、位移，而 他们三者之间主要时积分关系，因此采用加速度传感器直接测量振动加速度信 号，它的输出信号与振动加速度成正比，这样就获得了加速度的测量结果，再经 过一、二次积分，就可以很容易地测得振动速度和振动位移。此外加速度传感器 比速度传感器的尺寸小、重量轻，工作频率宽，这样在测量时，能更好的适应振 第二章巡检仪硬件的设计 动频率的要求。 加速度传感器有多种结构型式，如压电式、压阻式、电容式加速度传感器等。 由于压电式加速度传感器有着体积小、重量轻、坚实可靠、灵敏度较高、可用频 率范围较宽等优点【3 】，所以它在振动测量中得到较为广泛的应用。在本设计中我 们选用压电晶体加速度传感器。测量输出的电荷信号与加速度成正比，由于压电 加速度传感器输出阻抗大，固有频率高，适用于一般的机械振动的测量。 2 4 低功耗外围芯片的选择 芯片和器件的功耗是一个非常重要的方面。以下就芯片的选择作详细的分 析。 1 ) 存储器的选择 由于存储器的种类较多可选择的范围较广主要是选择h c o m s 工艺和铁电的 r a m 和r o m 存储器。 虽然超低功耗c o m s 工艺的i c 对单元电路进行了新形式的设计，但无论是低 功耗还是超低功耗i c ，主要还是建立在c m o s 电路基础上的。作为功耗分析，仍 然离不开c m o s 电路基本原理。以7 4 系列为代表的t t l 集成电路，每门的平均功 耗约为1 0 r o w ；低功耗的t t l 集成电路，每门平均功耗只有l m w 。7 4 系列高速 c m o s 电路，每门平均功耗约为1 0 1 x w ；而超低功耗c m o s 通用小规模i c ，整片 的静态平均功耗却可低于1 0 i t w 。 相对于h c o m s 工艺的存储器，美国r a m t r o n 公司的铁电存储器具有以下优 点：铁电记忆体不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据；由于在整个物理过 程中没有任何原子碰撞，铁电记忆体( f r a m ) 拥有高速读写，超低功耗，和无限 次写入等超级特性；它具有超低功耗，高速写入和近乎无限次的擦写，写入电流 7 5 衅，静态电流1 a 是同类其它型号的芯片所无法达到的。普通的e e p r o m 慢 速和写入电流高，其能耗是f r a m 的2 , 5 0 0 倍。 美国r a m t r o n 公司铁电存贮器( f 洲) 的核心技术是铁电晶体材料。这一 特殊材料使得铁电存贮产品同时拥有随机存取记忆体( r a m ) 和非易失性存贮产 品的特性。铁电晶体材料的工作原理是：当我们把电场加载到铁电晶体材料上， 晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态。晶阵中的每个自由浮动 的中心原子只有两个稳定状态。一个我们拿来记忆逻辑中的o ，另一个记忆1 。中 心原子能在常温，没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。因此我们选用 第二章巡检仪硬件的设计 f m 2 4 c l 6 4 ，用于保存测量的数据和用户信息。 2 ) 通信芯片的选择。 采用可控低功耗接口芯片，在工作电压上与单片机相吻合，避免不必要的电 能损耗和干扰。本设计选择m a x i m 公司的m a x 3 2 2 1 ，它具有可关断电源功能， 同时具有智能探测功能，在没有信号输入输出时进入低功耗状态，静态电流低于 o 7 咄非常适合本设计使用。 3 ) 人机界面显示采用低功耗的液晶模块，液晶的功耗与显示字符的面积有 关，而其控制芯片的功耗一般极低，因此减少液晶的面积和显示字符数，在不需 要显示时关闭显示，都可以明显地降低液晶的功耗。 4 ) 在供电控制方式中的电源开关要选择导通电阻小、静态功耗小、开关速 度快、驱动电流小的器件，首选m o s f e t 。另外对于系统中电源泄漏，包括系统 电源泄漏、r c 泄漏、分布电路泄漏等也要加以注意。可通过选择性能优良的元 器件来减少泄漏。 2 5 模拟测量电路设计 巡检仪的信号检测电路主要由电荷放大器、低通抗混淆滤波器、高通滤波器、 低通滤波器、高增益电压放大器组成。具体的电路组成如下图2 3 所示。 图2 - 3 模拟测量电路的基本组成 2 5 1 振动传感器测量电路的设计 本设计所采用的是压电式加速度传感器，输出电荷信号，前置放大电路采用 电荷放大器的形式，其输出电压正比于输入电荷。同时将高内阻的电荷源转换为 低内阻的电压源输出，起到了阻抗变换的作用【1 1 】。 1 ) 测量电路原理 压电式传感器利用压电晶体材料产生的压电效应，它是一个具有一定电容的 第二章巡检仪硬件的设计 电荷源，能将机械振动信号转换为电荷信号，输出的电荷信号与振动量在一定范围 呈线性关系，由于压电式传感器的电荷无法保持不变，因此在静态测量时，必须选 用高输入阻抗的负载，而测量动态时，变化快、漏电小，故压电式传感器更适合动态 测量。 压电传感器直接将振动能量转换成电荷信号，而将电荷信号转换为电压信号 就需要采用前置放大电路。由于压电式传感器输出信号是微弱的电荷，而传感器 本身有很大的内阻，故输出的能量甚微，为此，通常把传感器信号输出到高输入 阻抗的前置放大器。前置放大器的主要功能有两点：即将传感器的高输出阻抗转 变为低输出阻抗和放大微弱的输出电信号。主要形式有两种：一是用电阻反馈的 电压放大器，其输出电压与输入电压( 传感器的输出) 成正比；另一种是带电容 反馈的电荷放大器，其输出电压与电荷成正比【3 】。 采用电压放大器时，放大电路的输出电压对电容值变化非常敏感，传感器连 接电缆线对地电容变化将严重影响整个测量电路的测量精度和灵敏度。而电荷放 大器在这方面将不受电容变化的影响，正是基于上述因素，电荷放大器在振动测 量电路中被广泛应用。 2 ) 电荷放大器的设计【l o j 电荷放大器实际上是一种可实现电荷到电压转换的变换器，从电荷到电压采 用的中间媒介是电容，即将电荷转移到电容上形成电容上的电压。 设计电荷放大器的关键是运算放大器、反馈电容和反馈电阻的选择。反馈电 容选择上充分考虑电荷放大器的增益，其增益主要由反馈电容c ，决定，另外还必 须考虑到输入端的电容，包括：传感器电容、连接线电容、运放输入阻抗电容等， 以及噪声、零漂等因素。由于电荷放大器的运放的反相输入端的等效电阻较低， 为了保证高输入阻抗，r f 应选用较大电阻。又因为传感器的内阻很高，这样就使 得电荷放大器很容易受到外界的干扰。为此必须对运放的反向端进行严格的静电 屏蔽保护，并采用高绝缘和接地保护。同时要求运算放大器具有高输入阻抗、低 偏置电流和低输入噪声等。 在本设计中采用t i 公司的四路低功耗集成运算放大器t l c 2 2 5 4 ( 采用5 v 电压供电) ，它的共模等效输入电容c 弋 i 矿；输入阻抗达1 0 1 2 q ：最大输入失调电压1 5 m v ，典型值0 2 n 认；共模抑制比大于7 0 d b ；低噪声电 压典型值1 9 1 1 v 勉；转换速率( 典型值) o 1 2 ( v u s ) ；带宽( 典型值) 0 2 ( m h z ) 。由 第二章巡检仪硬件的设计 于电荷放大器的信号非常微弱，而t l c 2 2 5 4 运算放大器具有输入阻抗很高，足够 的阻抗、开环增益、带宽、低噪声、低功耗因此非常适合设计要求。 电荷放大器的元件参数的选择主要是反馈电容册反馈电脚厂，为了获得较 低的下限频率，由于运放的输入电阻非常高，能保证良好的直流负反馈，所以本 设计选择9 = o 0 1 u f , 驴1 8 m q ，可以求出下限截至频率正1 2 , 吠，c ，= o 8 9 h z 。 3 ) 电压放大电路设计 加速度传感器的测量信号经过电荷放大器转换后，输出的电压信号非常小， 一般只有5 6 m v 儋，这个信号如果直接输入到后续的滤波电路，在经过衰减将会 有可能使有用的信号损失，同时也非常容易受到干扰，因此必须在滤波之前适当 的放大信号。巡检仪测量的加速度范围在0 , - , 2 0 9 ，加速度的变化范围比较宽，如 果采用一级放大可能会使大信号饱和失真，或者小信号被截至而衰减掉。另外 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的a d 转换器选用外部3 伏参考电压，就需要对输出电压进行数十倍 的放大后才能够输入a d 转换器进行转换。 本设计采用两级放大，即前级电压放大和后级调整放大，都使用t l c 2 2 5 4 运算放大器。前级电压放大主要提供适当的电压信号给后续的抗混和