CN110750484A - 一种转速和多路振动通道数据同步采集系统及采集方法 - Google Patents
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Abstract
一种转速和多路振动通道数据同步采集系统及采集方法，包括FPGA子模块、DSP子模块和ARM子模块；FPGA子模块、DSP子模块和ARM子模块依次连接；FPGA子模块用于多振动通道、转速的并行同步采集；DSP子模块，用于进行根据系统时钟计算每次采集时的键相时刻值；同时对振动数据尽心滤波处理；并根据转速的键相时刻值计算需要丢弃的振动数据点数；ARM子模块，用于接收经过DSP处理的振动和转速数据，并上传给上位机。通过引入计算每次转速脉冲的键相时刻值作为参考，确保振动波形采集的键相同步性；为后续工业现场设备的故障诊断提供了可靠的数据基础。
Description
技术领域
本发明属于数据采集技术领域，特别涉及一种转速和多路振动通道数据同步采集系统及采集方法。
背景技术
随着工业互联网的快速发展，工业现场检测技术也得到快速应用；针对钢铁、水泥、造纸等复杂的工业现场环境，提供高可靠、高精度及低延时的振动检测技术显得至关重要。
由于钢铁、水泥、造纸等工业现场的特点，一旦遇到不可预知的设备停机或设备维修，都会带来巨大的停机成本；因此需要一套成熟的、可靠的振动环境检测系统。
传统的工业现场振动数据与转速数据分离采集，且多次采集的振动数据不具备同步功能，这对于振动数据的有效阶次分析十分不利，不能很好的分析工业现场设备的损坏程度及现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转速和多路振动通道数据同步采集系统及采集方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种转速和多路振动通道数据同步采集系统，包括FPGA子模块、DSP子模块和ARM子模块；FPGA子模块、DSP子模块和ARM子模块依次连接；FPGA子模块用于多振动通道、转速的并行同步采集；DSP子模块，用于进行根据系统时钟计算每次采集时的键相时刻值；同时对振动数据进行滤波处理；并根据转速的键相时刻值计算需要丢弃的振动数据点数；ARM子模块，用于接收经过DSP处理的振动和转速数据，并上传给上位机。
进一步的，基于权利要求1所述的一种转速和多路振动通道数据同步采集系统，包括以下步骤：
步骤1，在FPGA芯片内，采用verilog HDL硬件描述语言来实现转速脉冲的捕获，并根据有效的转速脉冲下降沿来同时并行启动16路振动通道的ADC采样；
步骤2，采样完成后，FPGA通过mcasp接口将振动数据传输给DSP；
步骤3，DSP获取转速脉冲后，通过将转速脉冲的tick计数与系统时钟计算获取键相时刻值；
步骤4，将键相时刻值保存到键相同步寄存器；
步骤5，振动采集线程获取振动数据后经过滤波处理后，读取键相时刻值；若读取失败，即键相时刻值尚未保存，则将该帧振动数据暂时缓存；若读取成功，则利用键相时刻值与振动采样频率相乘，计算需要丢弃的振动数据的点数；
步骤6，从键相时刻值开始，判断需要丢弃的振动数据点数与缓存的数据点数的大小；若需要丢弃的点数小于缓存的振动点数，就在缓存的振动数据中减去需要丢弃的振动数据点；之后的振动数据保存并上传；反之，则继续保持下一次振动采集数据，直到缓存的数据大于需要丢弃的数据量，然后做丢弃处理；
步骤7，在多次连续采集时，每次采集根据计算的键相时刻点来计算需要丢弃的点数，确保之后的振动数据点数满足每次采集的同步性。
进一步的，选用lattice LFXP2-5E作为振动通道并行采集的选用FPGA芯片用作振动通道并行采集；选用ads1274 24位高精度选用AD转换芯片；采用OMAPL138双核DSP+ARM，作为振动与转速数据的处理单元。
进一步的，步骤3中，根据转速脉冲计数值与每个tick周期值进行相乘，得出当前的键相时刻值。
进一步的，步骤5中，得出阈值后，若当前保存的振动数据采样点大于等于阈值大小，则直接丢弃阈值大小的振动数据；若当前保存的数据点数小于阈值大小，则继续从FPGA读取振动数据，直到读取到的振动数据点数大于等于阈值点数为止，然后将阈值大小的振动数据点做丢弃处理。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明以多次采集振动波形并保持键相同步为目标，引入转速作为计算参考；通过利用转速脉冲作为启动采集参考信号，同时计算转速脉冲的键相时刻值，结合FPGA芯片的并行处理能力，达到多路振动通道在多次采集时波形保持同步性；为在工业现场分析工业设备的阶次振动数据模型提供了可靠的数据参考。其具有如下优点：
第一：引入了转速脉冲作为同步信号，配合FPGA芯片的并行处理能力，可以做到最大16路通道的同步启动采集。
第二：通过引入计算每次转速脉冲的键相时刻值作为参考，确保振动波形采集的键相同步性；为后续工业现场设备的故障诊断提供了可靠的数据基础。
附图说明
图1为本发明基于DSP+ARM双核以及FPGA逻辑处理芯片的结构图。
图2为本发明流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1和图2，一种转速和多路振动通道数据同步采集系统，包括FPGA子模块、DSP子模块和ARM子模块；FPGA子模块、DSP子模块和ARM子模块依次连接；FPGA子模块用于多振动通道、转速的并行同步采集；DSP子模块，用于进行根据系统时钟计算每次采集时的键相时刻值；同时对振动数据尽心滤波处理；并根据转速的键相时刻值计算需要丢弃的振动数据点数；ARM子模块，用于接收经过DSP处理的振动和转速数据，并上传给上位机。
一种转速和多路振动通道数据同步采集系统的采集方法，包括以下步骤：
步骤1，在FPGA芯片内，采用verilog HDL硬件描述语言来实现转速脉冲的捕获，并根据有效的转速脉冲下降沿来同时并行启动16路振动通道的ADC采样；
步骤2，采样完成后，FPGA通过mcasp接口将振动数据传输给DSP；
步骤3，DSP获取转速脉冲后，通过将转速脉冲的tick计数与系统时钟计算获取键相时刻值；
步骤4，将键相时刻值保存到键相同步寄存器；
步骤5，振动采集线程获取振动数据后经过滤波处理后，读取键相时刻值；若读取失败，即键相时刻值尚未保存，则将该帧振动数据暂时保存；若读取成功，则利用键相时刻值与振动采样频率相乘，计算需要丢弃的振动数据点数；
步骤6，从键相时刻值开始，之前的振动数据丢弃，之后的振动数据保存并上传；
步骤7，在多次连续采集时，每次采集根据计算的键相时刻点来计算需要丢弃的点数，确保之后的振动数据点数满足每次采集的同步性。
选用lattice LFXP2-5E作为振动通道并行采集的选用FPGA芯片用作振动通道并行采集；选用ads1274 24位高精度选用AD转换芯片；采用OMAPL138双核DSP+ARM，作为振动与转速数据的处理单元。
步骤3中，根据转速脉冲计数值与每个tick周期值进行相乘，得出当前的键相时刻值。
步骤5中，得出阈值后，若当前保存的振动数据采样点大于等于阈值大小，则直接丢弃阈值大小的振动数据；若当前保存的数据点数小于阈值大小，则继续从FPGA读取振动数据，直到读取到的振动数据点数大于等于阈值点数为止，然后将阈值大小的振动数据点做丢弃处理。
本发明基于转速脉冲的多路通道振动同步采集系统有三大部分组成。各部分具体如下；
FPGA模块设计
根据本发明功能划分，FPGA部分主要处理多路振动通道的并行同步采集以及转速脉冲的捕获处理。
FPGA通过EMA总线读取DSP处理器发送的启动采集命令；同时捕获转速脉冲的信号；将转速脉冲进行滤波处理后，捕捉转速脉冲的下降沿
DSP+ARM双核处理器模块
该部分是本发明的核心组成部分，采用TI公司的OMAPL138双核处理器模块；由ARM处理器负责与上位机的通信，下发启动采集命令，同时收集由DSP处理的振动和转速脉冲数据并上传给上位机模块。
键相同步处理模块
转速脉冲作为键相同步的参考信号；首先在FPGA处理单元进行滤波处理，并得到上升沿及下降沿信号；在下降沿信号处，16路振动通道同步启动采集；在将转速脉冲输入到DSP芯片后，DSP芯片计算每个脉冲(tick)的键相时刻值，按照如下公式计算(此处按系统时钟为150Mhz举例)：
键相时刻值＝tick计数值(ecap捕获寄存器的数值)*每个脉冲的时间(1/150000000)s
计算得到的键相时刻值保存到寄存器中。采集的振动波形数据在经过滤波处理后，判断键相时刻值是否存在；若不存在则保存振动数据并继续读下一次采样的数据；若键相时刻值存在，则用下面公式计算需要丢弃的振动采集点数：
LostPoints＝键相时刻值*采样频率。
进一步，根据当前保存的振动点数与计算得来的丢点数进行对比，若当前保存的振动点数大于等于丢点数，则直接在当前振动点数中抛弃需要丢弃的采样点；若小于丢点数，则继续读取下一次采样的振动数据点，并继续判断；
本发明采用DSP+ARM双核+FPGA逻辑处理芯片设计方案，如图1所示，利用FPGA的并行处理能力，在接收到DSP下发的启动采集命令后，在有效转速的下降沿到来时，同时启动16路通道的AD振动采集，同时将转速信号通过FPGA输出到DSP的eCAP捕获管脚，以便DSP采集转速脉冲。
DSP处理器接收到转速脉冲中断后，读取eCAP寄存器中的脉冲计数tick中的值。并循环利用转速脉冲计数值来计算振动通道同步数据的时刻点。当计算的时刻点值满足要求后，将该值写入键相同步寄存器；至此，转速脉冲同步功能完成。
FPGA采集完成振动数据后，通过EDMA中断的方式让DSP处理器去读取振动数据；读取到振动数据后，首先判断键相同步寄存器是否已经被改写，如果没有改写，需要保留当前振动数据，同时继续等待转速的键相同步寄存器；直到能够读取到转速键相同步寄存器的数值后，通过寄存器保存的键相时刻值与当前的采样频率相乘得到需要丢弃的振动采样点数，将相应的采样点数做丢弃处理；同时将完成丢弃后的采样数据保存下来等待上传给上位机进行分析。
进过上述处理后，可以保证每次采样的振动数据波形的采样起始点保持一致，做到键相同步采集；为后续利用采集到的振动波形分析工业设备的运行状况提供了可靠的数据支撑。
Claims (5)
1.一种转速和多路振动通道数据同步采集系统，其特征在于，包括FPGA子模块、DSP子模块和ARM子模块；FPGA子模块、DSP子模块和ARM子模块依次连接；FPGA子模块用于多振动通道、转速的并行同步采集；DSP子模块，用于进行根据系统时钟计算每次采集时的键相时刻值；同时对振动数据尽心滤波处理；并根据转速的键相时刻值计算需要丢弃的振动数据点数；ARM子模块，用于接收经过DSP处理的振动和转速数据，并上传给上位机。
2.一种转速和多路振动通道数据同步采集系统的采集方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种转速和多路振动通道数据同步采集系统，包括以下步骤：
步骤1，在FPGA芯片内，采用verilog HDL硬件描述语言来实现转速脉冲的捕获，并根据有效的转速脉冲下降沿来同时并行启动16路振动通道的ADC采样；
步骤2，采样完成后，FPGA通过mcasp接口将振动数据传输给DSP；
步骤3，DSP获取转速脉冲后，通过将转速脉冲的tick计数与系统时钟计算获取键相时刻值；
步骤4，将键相时刻值保存到键相同步寄存器；
步骤5，振动采集线程获取振动数据后经过滤波处理后，读取键相时刻值；若读取失败，即键相时刻值尚未保存，则将该帧振动数据丢弃；若读取成功，则利用键相时刻值与振动采样频率相乘，计算需要丢弃的振动数据点数阈值；
步骤6，从键相时刻值开始，之前的振动数据丢弃，之后的振动数据保存并上传；
步骤7，在多次连续采集时，每次采集根据计算的键相时刻点来计算需要丢弃的点数，确保之后的振动数据点数满足每次采集的同步性。
3.根据权利要求2所述的一种转速和多路振动通道数据同步采集系统的采集方法，其特征在于，选用lattice LFXP2-5E作为振动通道并行采集的选用FPGA芯片用作振动通道并行采集；选用ads1274 24位高精度选用AD转换芯片；采用OMAPL138双核DSP+ARM，作为振动与转速数据的处理单元。
4.根据权利要求2所述的一种转速和多路振动通道数据同步采集系统的采集方法，其特征在于，步骤3中，根据转速脉冲计数值与每个tick周期值进行相乘，得出当前的键相时刻值。
5.根据权利要求2所述的一种转速和多路振动通道数据同步采集系统的采集方法，其特征在于，步骤5中，得出阈值后，若当前保存的振动数据采样点大于等于阈值大小，则直接丢弃阈值大小的振动数据；若当前保存的数据点数小于阈值大小，则继续从FPGA读取振动数据，直到读取到的振动数据点数大于等于阈值点数为止，然后将阈值大小的振动数据点做丢弃处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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