专利名称：一种基于arm与dsp的嵌入式轴承故障智能诊断装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于DSP与ARM双核嵌入式技术的轴承故障智能诊断装置。
背景技术：
众所周知，由轴承故障导致的旋转机械不能正常工作的现象屡见不鲜(比如由通用电器和IEEE工业应用学会联合主持的电机可靠性学习中发现由轴承引起的问题占了整个机器故障的40%以上)。因而与此相对应的各种轴承故障诊断系统的开发与研究得到工业界和学术界的普遍关注。传统上的轴承故障诊断系统基于经典傅里叶分析，通过对测得的信号进行傅里叶变换后获得振幅、相位等特征频谱来对故障进行检测与诊断。反映了轴承故障的存在与否。由于轴承故障在形成与发展过程中产生的振动信号具有瞬态性和非平稳性，所以傅里叶变换对于这类信号的分析是傅里叶变换对信号在整个时间段内的一种平均化的频率特征表示(即它是从全局角度看信号的频谱构成，并需要假定信号在整个时间轴上是平稳的)，它不能反映出信号在局部时间区域内的频谱特征，正是这种缺陷反映了傅里叶变换的局限性。而各种非平稳信号处理方法如时频分析、小波变换和希尔伯特-黄变换等可用于此类信号的分析，因此研究与开发基于非平稳信号处理的轴承故障诊断系统对于帮助提高诊断准确率具有重要意义。
发明内容
为了提高轴承故障诊断系统的准确率，本发明提供了一种基于ARM与DSP的嵌入式轴承故障智能诊断装置。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种基于ARM与DSP的嵌入式轴承故障诊断装置，它包括与被检测轴承的振动信号相连的信号输入模块，信号输入模块依次与核心运算模块、串口通信模块和控制模块相连。其中，信号输入模块包括传感器、电荷放大器、模拟多路开关、低通滤波器和A/D 转换模块；被检测轴承的振动信号接入到传感器的输入端，传感器的输出端依次与电荷放大器、模拟多路开关、低通滤波器和A/D转换模块相连。其中，所述的核心运算模块包括一号微处理器、实时时钟模块，一号微处理器的输入端接信号输入模块处理后的信号，一号微处理器的输出端接串口通信模块；一号微处理器还与实时时钟模块相连。其中，控制模块包括二号微处理器、电源模块、存储器和IXD触摸屏；所述的二号微处理器分别与电源模块、存储器、LCD触摸屏以及串口通信模块相连。与现有技术相比，本发明的有益效果如下1.本发明使用了 DSP+ARM的结构，DSP选用美国TI公司最新推出的32位定点DSP 芯片TMS320F2812，利用DSP的高速运算和多种片上外设的特点完成对输入信号的捕捉、采样、转换以及与ARM的通讯等工作；ARM部分以Samsung公司的ARM9系列芯片S3C2440A为核心，附加外围的LCD、触摸屏等硬件设备，用以完成对数据的统计、存储、与DSP及上位机通讯、人机交互等功能。ARM子系统与DSP子系统之间通过RS232串行总线进行通讯。在该系统构架下，实时采样和计算与系统的管理和控制可以并行执行，并且通过双方的通信使两个子系统在任务执行上实现了同步。这种基于双CPU结构的系统对于实时性的保证起到了关键作用。2.本发明的核心算法采用了基于Morlet小波变换的多尺度包络谱分析算法法， 而且是第一次在嵌入式硬件实现，提高了轴承故障诊断的准确性，同时实现了便携化。3.本用户界面利用QT/Embedded 4. 5进行设计，系统的界面友好，直观，简洁，同时我们的系统是基于当下最普遍的触摸屏技术，具有适用性。
图1为本发明的原理框图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实例对本发明作进一步说明。如图1所示，本发明的一种基于ARM与DSP的嵌入式轴承故障智能诊断装置包括信号输入模块1、核心运算模块2、串口通信模块3和和控制模块4。信号输入模块1的输入端与被检测轴承相连，信号输入模块1的输出端与核心运算模块2相连，核心运算模块2通过串口通信模块3与控制模块4进行连接。信号输入模块1将轴承的振动信号变换为合适的数字信号输入到核心运算模块2 中的一号微处理器21。信号输入模块1包括传感器11、电荷放大器12、模拟多路开13、低通滤波器14和A/D转换模块15 ；传感器11的输入端与被检测轴承的振动信号连接，传感器11的输出端依次与电荷放大器12、模拟多路开关13、低通滤波器14和A/D转换模块15 相连；A/D转换模块15的输出端与核心运算模块2的一号微处理器21相连。信号输入模块1中的传感器11将被检测的轴承的振动信号转换成电信号输出，输出的信号是模拟信号，通过电荷放大器12将该微弱的电信号转换成A/D转换模块15所需要的输入电压，而模拟多路开关13保证了整个系统可以实现单路以及两路采集，低通滤波器14可以将输入信号的高频成分滤去，A/D转换模块15将这些模拟信号转换为数字信号输出给一号微处理器21。传感器11可选用丹麦B&K公司4370型的加速度传感器，电荷放大器12采用 DFH-6A型电荷放大器，模拟多路开关13采用8通道CMOS的模拟多路开关，低通滤波器14 采用CD4051LC04/MF4A. 50型单片集成巴特沃斯开关电容滤波器，而A/D转换模块15采用 MAX125 芯片。核心运算模块2主要是调度整个信号采集系统，并且进行数据处理和数据分析运算。核心运算模块2包括互相连接的一号微处理器21、实时时钟模块22，电源模块为上述模块供电。一号微处理器21与A/D转换模块15、实时时钟模块22相连，一号微处理器21 还通过串口通信模块3与二号微处理器41相连。一号微处理器21负责模拟量的采集，A/ D转换，实时数据处理，还有与二号微处理器41进行通信。一号微处理器21进行实时数据处理的算法采用基于Morlet小波变换的多尺度包络谱分析算法。一号微处理器21采用32位定点DSP微处理器芯片TMS320F2812。实时时钟模块22为一号微处理器21提供精确定时的内置电路，主要用于计时、通讯时钟发生器、时间中断源等等。串口通信模块3采用RS-232电平转换芯片MAX2332作为RS232的接口，实现信号的转换与全双工通信。控制模块4主要是负责管理整个系统，同时显示用户界面，负责用户与系统的交互，显示运算结果一频谱图。控制模块4包括二号微处理器41、电源模块42、存储器43以及IXD触摸屏44。二号微处理器41分别与电源模块42、存储器43以及IXD触摸屏44相连。二号微处理器41采用ARM9系列嵌入式处理器S3C2440A，二号微处理器41作为控制模块，负责管理整个系统，并控制触摸屏，在触摸屏上显示运算结果一频谱图，同时负责用户与系统的交互，控制整个系统的停止和启动。电源模块42采用集成稳压芯片LM2596，电源模块42为二号微处理器41供电。存储器43由闪存NOR FLASH芯片SST39VF160以及静态存储器芯片SDRAM K4S5616332D组成，为二号微处理41提供存储空间。而IXD触摸屏44采用四线电阻触摸屏以及ADS7843作为电阻触摸屏转换接口芯片；四线电阻触摸屏的信号接到转换接口芯片ADS7843的X+，Y+, X-，Y-端子，而ADS7843 的DCLK端子，CS端子，DIN端子，DOUT,端子PENIRQ端子、BUSY端子与ARM9系列嵌入式处理器S3C2440A的PG 口相连。二号微处理41与IXD触摸屏44利用四线电阻触摸屏转换接口芯片ADS7843进行连接。本发明的工作过程二号微处理器41开始运行，在IXD触摸屏44上显示图形用户界面，用户根据现场以及轴承的情况输入一些参数包括采样时间，初始中心频率，截止中心频率，频率变化步长，然后将这些参数通过串口通信模块3传入一号微处理器21，并通知一号微处理器21开始采样，这样信号输入模块1开始采集振动信号，经过传感器11得到电信号，经过电荷放大器12得到放大的电信号，再通过低通滤波器14滤去高频成分，通过A/D 转换模块15得到数字信号传入一号微处理器21，一号微处理器21结合输入的参数，采用基于Morlet小波变换的多尺度包络谱分析算法，得到被测的频谱数据，然后将数据通过串口通信模块3传到二号微处理器41，然后二号微处理器41调用显示程序，频谱图显示在IXD 触摸屏44。操作人员可以根据频谱图查看故障频率，这样就完成了一次轴承故障诊断的过程。其中一号微处理器21的工作过程如下先将输入信号进行快速傅里叶变换FFT， 然后再和Morlet小波在频域上的表达式进行内积计算，得到该信号在频域的小波系数，再通过反傅里叶变换IFFT得到该信号在时域上的小波系数，继续对小波系数取绝对值得到小波包络，最后进行快速傅里叶变换FFT得到小波的包络谱，从而根据包络谱可以得到轴承的故障频率成分。
权利要求
1.一种基于ARM与DSP的嵌入式轴承故障诊断装置，其特征为它包括与被检测轴承的振动信号相连的信号输入模块(1)，信号输入模块(1)依次与核心运算模块O)、串口通信模块( 和控制模块(4)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于ARM与DSP的嵌入式轴承故障诊断装置，其特征为信号输入模块(1)包括传感器(11)、电荷放大器(12)、模拟多路开关(13)、低通滤波器 (14)和A/D转换模块(1 ；被检测轴承的振动信号接入到传感器(11)的输入端，传感器 (11)的输出端依次与电荷放大器(12)、模拟多路开关(13)、低通滤波器(14)和A/D转换模块(15)相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于ARM与DSP的嵌入式轴承故障诊断装置，其特征为所述的核心运算模块( 包括一号微处理器、实时时钟模块(22)，一号微处理器 (21)的输入端接信号输入模块(1)处理后的信号，一号微处理器的输出端接串口通信模块(3)；—号微处理器还与实时时钟模块02)相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于ARM与DSP的嵌入式轴承故障诊断装置，其特征为 控制模块(4)包括二号微处理器(41)、电源模块(42)、存储器和LCD触摸屏04)；所述的电二号微处理器Gl)分别与源模块(42)、存储器03)和、LCD触摸屏04)以及串口通信模块( 相连。
全文摘要
本发明公开了一种基于ARM与DSP的嵌入式轴承故障诊断装置，它包括与被检测轴承的振动信号相连的信号输入模块，信号输入模块依次与核心运算模块、串口通信模块和控制模块相连。本发明使用了用DSP+ARM的结构，ARM子系统与DSP子系统之间通过RS232串行总线进行通讯。在该系统构架下，实时采样和计算与系统的管理和控制可以并行执行，并且通过双方的通信使两个子系统在任务执行上实现了同步。这种基于双CPU结构的系统对于实时性的保证起到了关键作用；本发明的核心算法采用了基于Morlet小波变换的多尺度包络谱分析算法，同时是第一次在嵌入式硬件实现，这样不仅提高了轴承故障诊断的准确性，而且实现了便携化。
文档编号G01M13/04GK102445343SQ20111043106
公开日2012年5月9日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者严如强, 赵锐 申请人:东南大学