基于DSP的实时监测与故障诊断系统的研究与应用
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摘要
本文在N—S碎碾机状态监测及故障诊断系统的工业试验方案的基础上提出了产品定型的初步方案，采用双CPU的系统结构，使DSP芯片承担数据处理功能，而单片机微控制器用作外设控制和I／O接口处理机，实现优势互补，优化了系统结构，使系统能更好地满足实际工况的需要，并且根据系统的结构设计了相应的软件，使系统完成N—S碎碾机组实时状态监测的功能。
首先，在硬件设计方面做出了相应的修改，仍将原系统分为信号采集模块、信号处理模块、人机交互模块和数据通信模块这样的几部分，但在元件的选型上根据试验中产生的问题做了改动，特别是改用了16位定点DSP处理器TMS320VC5402与80C51的主从系统的设计方案，使TMS320VC5402与8051充分发挥其性能优势，分别实现系统中的不同功能，C5402作为数字信号处理的核心，80C51则实现系统的I／O控制功能，使双CPU能发挥各自的优势，系统能够较好地完成各模块的功能。
其次，在软件编写方面，除了常用的数据通信、人机交互等模块的软件设计以外，主要是实现信号处理模块的编写，对于A／D采样后的数据，进行FFT变换，然后通过IIR软件滤波器，以及自适应软件滤波器进行噪声滤波处理，提取其频谱特性。在文中较为详细地介绍了IIR滤波器理论，自适应滤波器理论，快速傅立叶变换理论，它们实现的具体算法及其在C语言或MATLAB中的模拟实现，然后谈到了相关算法在TMS320VC5402DSP中实现时应该注意到的有关问题，并将算法的模拟和在DSP中的实现做了比较，完成了相关的程序设计。
在本文中还介绍了数字信号处理技术方面的知识和机械故障诊断技术的发展。
The paper puts forward preliminary scheme of equipment registration on the base of commerical test scheme of the status monitoring & faults diagnosis of N - S Crash-Grind Machine. In the scheme we adopt double CPUs system structure. The DSP chip is used to process data and the MCU is used as peripheral equipment controller and I/O interface processor. The scheme optimizes the architecture and makes the system better to satisfy the actual operation. And we design relevant software to assure real time condition monitoring of N-S Crash-Grind Machine.
First, we make relevant alterations on the hardware design aimed at the defects of commerical test scheme. The system is yet divided into signal acquisition module, signal processing module, interactive module and data communication module. But we make change on the choice of element. Especially we adopt the 16-bit fixed DSP processor TMS320VC5402 and the 80C51 on the host-slave system. So the TMS320VC5402 and 8051 can sufficiently exploit the particular of each and achieve the distinct functions of the system, C5402 is used as the digital signal processing core, the 80C51 is used to realize I/O control function. So CPUs can be made full use of advantages and system can better accomplish functions of every module.
Secondly, we chiefly accomplish the module of digital signal processing except for modules such as communication module and interactive module on the aspect of software design. The data after A/D sampling will be extracted spectrum characteristic by the FFT. Then signal will be processed by the IIR software wave filter and the self-adaptive software wave filter to filter noise. In the paper, the IIR wave filter theory, self-adaptive filtering theory and Fast Fourier Transforms (FFT) theory are detailed introduced. The correlative arithmetic, the imitation realization in the C language or MATLAB, the relevant problems in the TMS320VC5402 DSP realization of correlation algorithm and the questions should be paid attention to are introduced. We also complete the concrete arithmetic compare between DSP program and imitation program.
The knowledge on the aspect of Digital Signal Processing and the development on the mechanical failure are introduced in the paper.
首先，在硬件设计方面做出了相应的修改，仍将原系统分为信号采集模块、信号处理模块、人机交互模块和数据通信模块这样的几部分，但在元件的选型上根据试验中产生的问题做了改动，特别是改用了16位定点DSP处理器TMS320VC5402与80C51的主从系统的设计方案，使TMS320VC5402与8051充分发挥其性能优势，分别实现系统中的不同功能，C5402作为数字信号处理的核心，80C51则实现系统的I／O控制功能，使双CPU能发挥各自的优势，系统能够较好地完成各模块的功能。
其次，在软件编写方面，除了常用的数据通信、人机交互等模块的软件设计以外，主要是实现信号处理模块的编写，对于A／D采样后的数据，进行FFT变换，然后通过IIR软件滤波器，以及自适应软件滤波器进行噪声滤波处理，提取其频谱特性。在文中较为详细地介绍了IIR滤波器理论，自适应滤波器理论，快速傅立叶变换理论，它们实现的具体算法及其在C语言或MATLAB中的模拟实现，然后谈到了相关算法在TMS320VC5402DSP中实现时应该注意到的有关问题，并将算法的模拟和在DSP中的实现做了比较，完成了相关的程序设计。
在本文中还介绍了数字信号处理技术方面的知识和机械故障诊断技术的发展。
The paper puts forward preliminary scheme of equipment registration on the base of commerical test scheme of the status monitoring & faults diagnosis of N - S Crash-Grind Machine. In the scheme we adopt double CPUs system structure. The DSP chip is used to process data and the MCU is used as peripheral equipment controller and I/O interface processor. The scheme optimizes the architecture and makes the system better to satisfy the actual operation. And we design relevant software to assure real time condition monitoring of N-S Crash-Grind Machine.
First, we make relevant alterations on the hardware design aimed at the defects of commerical test scheme. The system is yet divided into signal acquisition module, signal processing module, interactive module and data communication module. But we make change on the choice of element. Especially we adopt the 16-bit fixed DSP processor TMS320VC5402 and the 80C51 on the host-slave system. So the TMS320VC5402 and 8051 can sufficiently exploit the particular of each and achieve the distinct functions of the system, C5402 is used as the digital signal processing core, the 80C51 is used to realize I/O control function. So CPUs can be made full use of advantages and system can better accomplish functions of every module.
Secondly, we chiefly accomplish the module of digital signal processing except for modules such as communication module and interactive module on the aspect of software design. The data after A/D sampling will be extracted spectrum characteristic by the FFT. Then signal will be processed by the IIR software wave filter and the self-adaptive software wave filter to filter noise. In the paper, the IIR wave filter theory, self-adaptive filtering theory and Fast Fourier Transforms (FFT) theory are detailed introduced. The correlative arithmetic, the imitation realization in the C language or MATLAB, the relevant problems in the TMS320VC5402 DSP realization of correlation algorithm and the questions should be paid attention to are introduced. We also complete the concrete arithmetic compare between DSP program and imitation program.
The knowledge on the aspect of Digital Signal Processing and the development on the mechanical failure are introduced in the paper.
引文
[1] Texas Instruments ,TMS320C54x DSKplus User's Guide(Literature Number: SPRU191) , October 1996．
[2] Texas Instruments , TMS320C54x DSP Reference Set .Volume 1 :CPU and Peripherals(Literature Number:SPRU131) , October 1996．
[3] Texas Instruments, TMS320C54x DSP Reference Set, Volume 3: Algebraic Instruction Set(Literature Number:SPRU179) , October 1996．
[4] Texas Instrumnts, TMS320C54x DSP Reference Set, Volume 4: Applications Guide(Literature Number: SPRU 173) , October 1996．
[5] Texas Instruments, TLC320AC01C Data Manual, October 1996．
[6] Texas Instruments, TMS320C54x Code Generation Tools Getting Started Guide Release 1． 20, 1997
[7] Ki-Soo Lee ,Texas Instruments (Literature Number: SPRA801) , Working With Large Projects in Code Composer Studio 2． 0 , September 2001
[8] Deborah Keil ,Texas Instruments(Literature Number: SPRY012) ,Real-Time Data Exchange, February 1998
[9] Kathryn Rafac,Mohammad Khatami ,Texas Instruments ( Literature Number: SPRA783A) , DSP/BIOS by Degrees: Using DSP/BIOS (CCStudio 2． 0) Features in an Existing Application, September 2001
[10] Andy, David W. Dart, Texas Instruments (Literature Number: SPRA782) , How to Get Started With the DSP/BIOS Kernel, August 2001
[1l]Nathan C. Arora , Using C++ Applications to Analyze DSP Target Data in Real Time Using RTDX , Texas Instruments (Literature Number: SPRA744 ) .April 2001
[12] Chassaing, R., Horning, D.W., "Digital Signal Processing with Fixed and Floating-Point Processors", CoED, USA, Volume 1, Number 1, pages l-4,March 1991．
[13] Charles W. Brokish, Texas Instruments (Literature Number: SPRA439A ) , Emulation Fundamentals for TI's DSP Solutions, February 2001
[14] Adrienne Prahler Jaffe ,Texas Instruments ( Literature Number : SPRA555) .Implementation of a Software UART onTMS320C54x Using General-Purpose I/O Pins, 2000
[15] Aaron Kofi Aboagye , Texas Instruments (Literature Number: SPRA509) Overflow Avoidance Techniques in Cascaded IIRFilter Implementations on the TMS320 DSP's,
[16] Arun Chhabra and Ramesh Iyer, Texas Instruments (Literature Number: SPRA610) ,A Block Floating Point Implementation on the TMS320C54x DSP, December 1999
[17] Greg Fryer and David Friedland,Texas Instruments (Literature Number:SPRA692),DSP/BIOS II Sizing Guidelines for the TMS320C54x DSP, August 2000
[18] Iain Hunter,Texas Instruments (Literature Number: SPRA527) Interfacing TMS320C54x DSPs to TLC320AC01/02 Analog Interface Circuits,
[19] Henry Yiu,Texas Instruments (Literature Number: SPRA653),Understanding Basic DSP/BIOS Features, April 2000
[20] Scott Gary, Don Gillespie, Changlin Chen, Texas Instruments (Literature Number:SPRA599A),DSP/BIOS and TMS320C54x Extended Addressing, November 2000
[21] 黄志坚1，裘丽华2，对现代机械故障诊断技术方法论的探讨，科学技术与辩证法，2001年6月，第18卷，第3期，26～29。
[22] 工程机械故障诊断技术的发展，刘淑霞，邝朴生，维修论坛，2001年4月，80～82。
[23] 机械故障诊断技术趋向分析，罗一新，机床与液压，2002年第二期，8～10。
[24] 机械故障诊断中的信息融合利用问题研究，袁小宏，振动、测试与诊断，第19卷第3期，1 999年9月，187～192。
[25] 基于状态仿真的机械故障诊断方法研究，阎明印，潘世昌，沈阳工业学院学报，1999年3月，第18卷第1期，1～5。
[26] 浅谈机械故障诊断与排除，李祖师，科技情报开发与经济，2002年第12卷第1期，128～131。
[27] 李辉，王永德，TII DSKplus Board在房间声回授通道特性中的应用，电子技术应用，2001年第4期，21～22。
[28] 庞浩，王赞基，TMS320C542在脱机视频编/解码系统中的应用，电子技术应用，2001年第1期，47～49。
[29] 王卫江，陶然，徐元军，DSP与PC高速串口通信的实现，电子产品世界，2001年第6期，29～30。
[30] 彭振哲，用TMS320C542构成数据采集处理系统，电子技术应用，2000年第9期，58～60。
[31] 方罡，赵向平，韩智，林晓明，数字信号处理器在电测仪表中的运用，科技进步与对策，2000年第17卷第6期，60～61。
[32] 李宏生，基于DSP的主从式紧耦合捷联导航计算机，中国惯性技术学报，2001年第9卷第3期，34～38。
[33] 李峻，李学全，胡德金，步进电机的运动控制系统及其应用，微特电机，2000年第2期，37～39。
[34] 张楠，江晓山，基于DSP的智能模数变换插件设计，核电子与探测技术，2000年9月，336～339。
[35] 刘东华，尹军，梁光明，基于TMS320VC5402 McBSP串口的DMA方式数据传输的实现，微处理机，2001年第2期，43～45。
[36] 王洲，张明，基于 DSP 的继电保护数字式动态仿真测试装置的研究，电力自动化设备，2001年2月，8～10。
[37] 齐美彬，杨艳芳，基于 DSP 的机床数控系统设计，组合机床于自动化加工技术，2001年第1期，36～38。
[38] 邹熙，陈静薇，应用串行通讯实现基于 DSP 的电机驱动系统的监控，电工电能新应用，2000年第4期，49～53。
[39] 郭锋，戴迎君，双 DSP 在数字通信终端中的应用，微处理器，2001年第2期，41～42。
[40] 蒋彦，陈健，用 C5402 DSP 实现的G．168 自适应回声消除器，电子技术应用，2001年第9期，63～65。
[41] 周雅莉，张奇志，贾永乐，基于 DSP 的自适应有源噪声控制系统，电子技术，2002年2期，69～71。
[42] 周国春，运用诊断技术治理破碎设备系统故障，冶金矿山设计与建设，1995年1期，45～48。
[43] 胡细勇、朱奎权，伍继雄，基于 DSP 技术和自适应算法的无线同频中继站的探讨，移动通信，2000年5期，23～26。
[44] 赵慧民，方毓景，余顺争等，格型滤波自适应权向量法的 DSP 实现，中山大学学报(自然科学版)，1999年9月，22～26。
[45] 王正杰，张天桥，基于 DSP 的导弹自适应控制算法仿真研究，系统仿真学报，2001年3月，165～170。
[46] 于凤芹，卢鹏飞，’C5X DSP 在自适应滤波器设计中的应用，1999年12月，江南学院学报，7～11。
[47] 孟利民，杨扬，仇佩亮，基于 DSP 技术的自适应调制器的设计，浙江工业大学学报，2001年12月，323～327。
[48] 张雄伟，陈亮，徐光辉，DSP 集成开发与应用实例，电子工业出版社，2002年6月
[49] 张雄伟，曹铁男，DSP 芯片的原理与开发应用，电子工业出版社，2000年9月
[50] 陈桂明，张明照，戚红雨，应用 MATLAB 语言处理数字信号与数字图像，科学出版社，2001年4月
[51] 戴明桢、周建江，TMS320C54x DSP 结构、原理及应用，北京航空航天大学出版社，2001年11月
[52] 范影乐，杨胜天，李轶，MATLAB 仿真应用详解，人民邮电出版社，2001年7月
[53] 王金龙，沈良，任国春，无线通信系统地 DSP 实现，人民邮电出版社，2002年4月
[54] 刘润华 董传岱，现代电子系统设计，石油大学出版社 出版日期：1998年6月
[55] [美]J．E．阿赛瑙尔特，电子系统地可靠性与维修性，国防工业出版社，1991年1月
[56] 倪养华 王重玮，数字信号处理：原理与实现编著，上海交通大学出版社，1998年12月
[57] 吴镇扬，数字信号处理的原理与实现，东南大学出版社，2002年1月
[58] 程佩青，数字信号处理教程(第二版)，清华大学出版社，2001年8月
[59] 胡广书，数字信号处理——理论、算法与实现，清华大学出版社，1997年8月
[60] 高鹏等，电路设计与制版——Protel99入门与提高，人民邮电出版社，2000年2月
[61] G．C．古德温，孙贵文，自适应滤波、预测与控制，科学出版社，1992年1月
[62] 京辉热点工作室，Protel99 电路设计实用指南，人民邮电出版社，2000年7月
[63] 肖志方，黄之初，粉碎设备智能化方案研究和前景分析，中国建材装备，2001年03期
[64] 黄之初，肖志方，李欣，DSP 在粉碎设备状态监测中的应用，矿山机械，2001年04期，16～17
[65] 肖志方，黄之初，液晶显示模块在 DSP 测控系统中的应用，湖北汽车工业学院学报，2001年01期，41～44
[66] 何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年
[67] 余成波，张兢，信号处理基础，重庆大学出版社，2001年
[68] 徐科军，信号处理技术，武汉理工大学出版社，2001年
[2] Texas Instruments , TMS320C54x DSP Reference Set .Volume 1 :CPU and Peripherals(Literature Number:SPRU131) , October 1996．
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[53] 王金龙，沈良，任国春，无线通信系统地 DSP 实现，人民邮电出版社，2002年4月
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[57] 吴镇扬，数字信号处理的原理与实现，东南大学出版社，2002年1月
[58] 程佩青，数字信号处理教程(第二版)，清华大学出版社，2001年8月
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[60] 高鹏等，电路设计与制版——Protel99入门与提高，人民邮电出版社，2000年2月
[61] G．C．古德温，孙贵文，自适应滤波、预测与控制，科学出版社，1992年1月
[62] 京辉热点工作室，Protel99 电路设计实用指南，人民邮电出版社，2000年7月
[63] 肖志方，黄之初，粉碎设备智能化方案研究和前景分析，中国建材装备，2001年03期
[64] 黄之初，肖志方，李欣，DSP 在粉碎设备状态监测中的应用，矿山机械，2001年04期，16～17
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