一种振动信号时频分析结果的嵌入式三维显示方法及装置与流程

本发明涉及机械设备振动信号的时-频分析结果在嵌入式设备中的三维图形显示技术。

背景技术：

机械设备存在故障时，在工作过程中常常伴随异常的振动，振动信号的频率往往是时变的。利用振动信号的特征来分析判断机械设备是否存在故障是一种常用手段。目前对于振动信号的分析大多采用时域指标、频谱分析、倒谱分析等方法，分析所得到的时域波形图或频谱图多是二维曲线，只能反映信号幅值随时间的变化情况，或者反映信号幅值随频率的变化情况。当需要了解信号的幅值如何同时随着时间和频率的变化而变化时，就需要采用时-频分析的方法。时-频分析结果可以描述信号的幅值在时间和频率联合二维平面上的分布情况，反映信号各频率成分如何随时间的变化而变化。由于时-频分析运算量比较大，其计算和结果的显示通常都在通用计算机上完成。随着嵌入式系统技术的发展，时-频分析在嵌入式设备上的实现已越来越成为可能，尤其是一些计算量较小的算法，如应用较广的短时傅里叶变换，算法复杂度和运算量都相对较小，比较适合于在嵌入式设备中实现。时-频分析结果在便携的嵌入式设置中进行三维显示，可以让人更加直观地理解分析结果，具有较大的应用价值。

技术实现要素：

本发明公开了一种在嵌入式设备中对振动信号进行时-频分析并将分析结果用三维图形显示于液晶屏的方法，本发明所采用的技术方案如下：

1.本发明公开了一种振动信号时-频分析结果的嵌入式三维显示方法及装置，其特征在于，所述嵌入式显示装置由数据采集与存取模块、信号分析与处理模块、图形显示模块、系统参数设置模块、数据通信模块、电源管理模块共六个模块组成，将时-频分析结果在嵌入式设备中用三维图形显示出来的方法包括以下步骤：

步骤一，信号分析与处理模块读取存储于数据存储模块中的振动信号数据，采用时-频分析方法对机械设备的振动信号进行时-频分析，得到振动信号的时间-频率联合分布结果，该分析结果反映振动信号各频率分量的幅值与频率随时间变化而变化的情况，时-频分析结果的数据用二维数组表示，行、列分别表示时间和频率，每一个点的数据表示对应时间-频率点附近信号分量幅值的大小；

步骤二，图形显示模块采用观察坐标系下的平行投影算法，将时频分析结果的三维观察系坐标转换成二维屏幕坐标；

步骤三，将屏幕设置成背景色，设置观察点坐标；

步骤四，将场景中的曲面按照其距离观察点的远近进行排序，排序结果放在一张线性表中；

步骤五，设置画笔颜色，按照距离观察点从远到近的顺序逐个取出多边形，投影到屏幕上；

步骤六，重新设置画笔颜色，新画笔颜色要求不同于步骤五中的旧画笔颜色，填充最近取出的多边形所包含的实心区域，形成填充曲面，先显示图形与后显示图形相交的部分都用后显示图形的填充曲面，以此消除隐藏面；

步骤七，重复步骤五与步骤六，直到所有的多边形都绘制和填充完毕。

2.本发明公开了一种振动信号时频分析结果的嵌入式三维显示方法及装置，其中所述的嵌入式显示装置的特征在于：

1)装置采用arm+dsp的双cpu模式，arm微控制器负责数据的管理及图形的显示，dsp微控制器负责数据的分析及处理；

2)数据采集与存储模块包括arm微控制器、sd卡及数据读取总线，由arm微控制器完成原始振动信号的采集，并将转换后的振动数据送到sd卡保存，分析数据时，由dsp微控制器负责从sd卡读取数据；

3)信号分析与处理模块由dsp负责完成时-频分析及消隐显示算法的具体实现，时-频分析结果经坐标转换及消隐算法处理后，由dsp传送给arm微控制器进行显示；

4)数据通信模块完成dsp、arm以及sd卡之间的数据传送，采用高速spi总线方式进行通讯；

5)图形显示模块由arm微控制器控制彩色lcd液晶屏实现，将时-频分析结果的彩色三维立体图显示于液晶屏；

6)系统参数设置模块由arm微控制器负责，主要管理和保存时-频分析算法中的参数，参数永久保存于系统rom中，即使关机掉电也不丢失；

7)电源管理模块负责将锂电池的12v电压转换成各个模块所需电压，电源的控制由arm微控制器负责，完成锂电池电压与电量的检测、电量不足时的声光报警、自动关机功能。

本发明所公开的方法和装置，实现对机械设备的振动信号进行时-频分析处理，在便携的嵌入式系统中实时地将时-频分析结果用三维彩色立体图形显示。三维时-频谱图不仅提供丰富的信号时变信息，而且结果显示更加直观，便于用户理解和分析振动信号的特征，更易于判断设备的故障情况。

附图说明

图1为装置的系统组成示意图。

图2为曲面的三维显示算法流程图。

图3为实例中振动信号的时域波形图。

图4为实例中振动信号的频谱图。

图5为实例中采用matlab编程绘制的振动信号短时傅里叶变换的三维时-频谱图。

图6为实例中振动信号短时傅里叶变换结果在嵌入式液晶屏中显示的三维时-频谱图。

具体实施方式

本发明所述装置的硬件由六部分组成：数据采集与存储模块、信号分析与处理模块、数据通信模块、图形显示模块、系统参数设置模块、电源管理模块，各模块之间的联系如图1所示。时-频分析结果的三维图形显示方法的流程如图2所示，下面结合具体实例对本发明进行更详细的描述。

1.所述方法包括如下步骤：

步骤一，采集机械设备的振动加速度信号数据，将信号存储于sd卡，采用短时傅里叶变换对振动信号进行时-频分析，得到时-频分析结果的二维矩阵。实例中振动信号的采样点数为n＝1200，采样频率为12khz；振动信号的时域波形如图3所示，对应的频谱图如图4所示；进行短时傅里叶变换时，窗函数默认为hanning窗，窗长为128；重叠点数overlap为75％；fft长度为128；采用matlab编程进行短时傅里叶变换得到的时-频谱图如图5所示。

步骤二，图形显示模块采用坐标转换算法，即观察坐标系下的平行投影算法，将时频分析结果的三维观察系坐标转换成二维屏幕坐标；平行投影变换如式(1)所示：

其中[xyz1]为三维空间中一点的齐次坐标，[x′y′z′1]为正交投影后点的齐次坐标，矩阵为投影变换矩阵。

步骤三，将屏幕设置成背景色，设置观察点坐标；实例中观察点的坐标设置为z轴正向无穷远处。

步骤四，将场景中的曲面按照其距离观察点的远近进行排序，排序结果放在一张线性表中；实例中将曲面的中心位置的景深坐标值即z值按照其距离观察点的远近，采用快速排序算法进行排序，排序结果放在一张线性表中。

步骤五，设置画笔颜色，按照距离观察点从远到近的顺序，逐个取出多边形，投影到屏幕上；实例中绘制网格曲线的画笔颜色设置为红色。

步骤六，重新设置画笔颜色，新画笔颜色要求不同于步骤五中的旧画笔颜色，填充最近取出的多边形所包含的实心区域，形成填充曲面，先显示图形与后显示图形相交的部分都用后显示图形的填充曲面，以此消除隐藏面。实例中多边形实心区域即曲面片的颜色设置为黑色。

步骤七，重复步骤五与步骤六，直到所有的多边形都绘制和填充完毕。实例中振动信号的时-频谱图在液晶屏上的最终显示效果如图6所示。

2.在实例中，装置由六部分组成：

1)振动数据的采集由stm32f103控制adc(模数转换器)采集振动信号的加速度数据。存储模块包括sd卡、数据传输接口，将a/d转换后的数字量振动数据保存于sd卡，即使掉电也不丢失。

2)信号分析与处理模块主要由数字信号处理器(dsp)tms320vc5509a及扩展芯片组成，负责时频分析和图形显示算法的实现。实例中包括短时傅里叶变换和消隐算法的实现部分。

3)数据通信模块主要在tms320vc5509a和stm32f103之间进行，二者采用高速spi方式进行通讯，由dsp将短时傅里叶变换结果以及消隐算法的排序结果传送给stm32微控制器。

4)图形显示模块包括lcd液晶显示屏和图形驱动微控制器，由stm32微控制器驱动lcd液晶屏显示振动数据分析结果的彩色三维图形。

5)系统参数的设置由stm32微控制器负责，包括设备名称、检测日期、检测时间、采样点编号，参数一经设定，保存于系统中，掉电不丢失。

6)电源管理模块负责所有模块的供电以及锂电池的充放电保护，将锂电池的12v电压转换为各模块的所需的电压，如1.6v、3.3v，其中1.6v给dsp核心板供电，3.3v给stm32微控制器供电。

7)dsp中的程序采用内联函数和库函数，执行效率高，内存空间占用少。

8)lcd液晶显示中的画图函数采用嵌入式图形用户接口μcgui的库函数实现。

上述说明仅仅是示例性的一种具体实施方式，不能因此而限制本发明的范围及其应用。在本发明公开的技术范围内，任何可轻易想到的变化或替换，都应在本发明的保护范围之内。