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    1 開發(fā)背景

    發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測一般通過檢測其轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)動力矩、旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)來判別，但是，由于其狀態(tài)參數(shù)均為動態(tài)變化的，很難通過常規(guī)的監(jiān)測方法判別出健康狀態(tài)。隨著計算機接口技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，可以利用高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，將其旋轉(zhuǎn)時的聲音和振動信號實時高速采集，并對發(fā)動機非定常失速過程即各物理量的變化過程及各時間點的狀況，包括各個通道的時域，不同時間的頻譜，各頻譜分量的周向模態(tài)進行完整的記錄和量測，然后進行綜合評估，便是對發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測的一種最為有效的方法。由于發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時的聲音和振動信號的采集與發(fā)動機非定常失速過程的記錄要求進行多通道、大容量數(shù)據(jù)的實時測量、采集和存儲、高速多通道的FFT分析和可視化的數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)的采集速率至少要8～10MS/s，因此對于一套能實施可行的可用于對發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)而言，除了需要具有高速處理能力的計算機系統(tǒng)外，更為重要的是需要具有板載高速存儲、同步鎖存、高速且多路同步數(shù)據(jù)采集的DAQ硬件板卡。目前具有高達10MS/s以上高速且同步數(shù)據(jù)采集板卡并不多見，只有少數(shù)幾家公司才擁有此項關(guān)鍵技術(shù)。研華公司目前推出的一款30MS/s同步數(shù)據(jù)采集多功能卡PCI－1714便是為適合于高高速數(shù)據(jù)采集與處理應用場合而設(shè)計的，正好滿足此項要求。

    2 PCI－1714特性

    研華公司的高速數(shù)據(jù)采集卡PCI-1714是一款高速、高分辨率、板載高存儲容量的PCI數(shù)據(jù)采集卡，配備四組模擬輸入端，具備同步鎖存和同步采集的功能。當四組模擬輸入同時使用時，采樣頻率最高可達30MS/s。具備12 bits的分辨率，同時內(nèi)含四個獨立模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，可使四個信道同步采樣，板載32k FIFO內(nèi)存，允許使用者在做極速采樣時，有足夠的緩沖區(qū)可供暫存數(shù)據(jù)，以維持信號采集的速度及完整性。

    最為重要的是PCI-1714提供板載自動校正功能，使用者只要通過軟件指令，就可以啟動PCI-1714上的自動校正功能，完成模擬輸入信道的校正工作，不需要任何繁雜手工操作。

    PCI-1714在觸發(fā)數(shù)據(jù)采集方面，提供多種選擇方式：觸發(fā)的來源包括軟件觸發(fā)、內(nèi)部時鐘同步觸發(fā)以及外部觸發(fā)等，模擬觸發(fā)功能提供多種觸發(fā)條件的選擇，數(shù)字觸發(fā)則提供上升沿觸發(fā)與下降沿觸發(fā)兩種選擇。在多卡同步功能方面，PCI-1714可以接受外部輸入時鐘進行同步數(shù)據(jù)采集，所以使用者可以使用同一外部輸入時鐘達成多卡同步采集功能。可廣泛用于語音、振動等信號的監(jiān)測等方面的應用，還可用于諸如軍事方面的雷達信號分析、超音波信號分析、數(shù)字廣播信號分析等應用方面。

    其特性總結(jié)為：

    數(shù)據(jù)采樣速率高達30 MS/s。 

    內(nèi)含四個獨立模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），可使四個信道同步采樣。 

    板載32K先進先出（FIFO）高速緩存，允許使用者在做極速采樣時，有足夠的緩沖區(qū)可供暫存數(shù)據(jù)，以維持數(shù)據(jù)采集的速度及完整性。 

    提供多種輸入范圍，包含±5V、±2.5V、±1V、±0.5V等，使用者透過工具程序即可輕松完成設(shè)定。 

    研華專屬的板卡裝置識別碼（Board ID），當客戶同時插入多張板卡時，可做硬件組態(tài)設(shè)定，輕易辨識每塊板卡。
 
    高達六種觸發(fā)模式，方便客戶依需求自行設(shè)定。包含軟件觸發(fā)、Pacer、Post-Trigger、Pre-Trigger、Delay-Trigger及About-Trigger。  

    3 設(shè)計實施

    發(fā)動機在正常時，其振動的聲音及其自身的振動頻譜是有規(guī)律的，但是一旦發(fā)動機出現(xiàn)異常時，其頻譜便會出現(xiàn)變異和失真。因此，可以通過監(jiān)測發(fā)動機轉(zhuǎn)動時的聲音及其自身振動信號來判別發(fā)動機的健康狀態(tài)。因此，在發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測中，發(fā)動機轉(zhuǎn)動時自身發(fā)出的聲音的監(jiān)測是一個關(guān)鍵，其次，為整個電機機身的振動監(jiān)測。在旋轉(zhuǎn)機械聲音處理方面，據(jù)大多文獻介紹，需計算、分析其頻譜特性，但其前置信號的處理是一個難點，關(guān)鍵是帶通濾波的設(shè)計，對于不同場合，其帶通不同，后置的采集器要求也有所不同，濾波器的輸出用A/D轉(zhuǎn)換器以每秒8～9MS/s采樣，處理器每連續(xù)存儲200或128個取樣數(shù)據(jù)為一幀信息，聲音處理的框架圖見圖1所示：系統(tǒng)工作時，先由AD以8～9MS/s的采樣率將聲音輸入的模擬聲音信號轉(zhuǎn)換成標準的PCM數(shù)字信號，再經(jīng)過一些濾波存入數(shù)據(jù)緩沖池，當采樣的數(shù)據(jù)達到一個語音幀時，高速處理計算機即進行編碼處理，系統(tǒng)的關(guān)鍵是要分辨發(fā)電機葉片轉(zhuǎn)動時，定子與轉(zhuǎn)子電磁場交互切割發(fā)出的聲音、以及在故障時與其他雜物碰撞的聲音、還有與機殼內(nèi)的污垢粉塵碰撞引起的聲音等之間的區(qū)別。必要時也可將采集的聲音信號再重構(gòu)，即對編碼后的數(shù)據(jù)將直接進行解碼，解碼后的重構(gòu)語音數(shù)據(jù)經(jīng)過聲效芯片轉(zhuǎn)換后，還原成模擬語音信號通過揚聲器輸出，以備監(jiān)測專家試聽，人工識別是哪種聲音以判別發(fā)動機的故障。

圖1 聲音信號處理的流程圖

    4 軟件實施

    整個系統(tǒng)采用了Windows2000 操作系統(tǒng)平臺，Visual C＋＋ 為程序開發(fā)平臺，在本系統(tǒng)中，數(shù)字信號處理是這個程序設(shè)計的關(guān)鍵，包含有大量的數(shù)據(jù)計算、頻譜分析和三維圖形顯示。Visual C＋＋具有極強的編譯能力，但數(shù)據(jù)處理與圖形的編輯能力較弱，Matlab是一種基于解釋語言的編程環(huán)境，對數(shù)字信號處理以及圖形的處理能力較強，因此，在本系統(tǒng)中，采用Visual C＋＋進行數(shù)據(jù)采集、線程以及界面的設(shè)計與管理。數(shù)據(jù)采集和存儲在前臺運行，而讓Matlab于Visual C＋＋的后臺運行，用于對采集的數(shù)據(jù)進行FFT、頻譜分析以及三維圖形顯示。這一方法充分利用了Visual C＋＋以及Matlab的優(yōu)勢。

    軟件實施過程中，還有一個關(guān)鍵，便是如何防止數(shù)據(jù)的丟失，數(shù)據(jù)丟失一般是由數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)采集之間的矛盾引起的，因為Windows2000是一個多任務、多線程的非實時系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示、圖形顯示必然會對要求實時高速數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生一定的時延作用，造成數(shù)據(jù)丟失、聲音的變異和失真，極大影響系統(tǒng)對發(fā)動機診斷的準確性。為克服這一缺憾，我們采用間隙高速數(shù)據(jù)采集的方式，即在某個時間段內(nèi)讓計算機集中高速采集一組實時數(shù)據(jù)，并將其暫存于數(shù)據(jù)緩存池中，然后停止數(shù)據(jù)采集，集中時間來處理數(shù)據(jù)、分析、數(shù)據(jù)輸出和屏幕刷新顯示等過程。這樣即保證了信號的完整性，又滿足了系統(tǒng)對信號處理的要求。實際上，在我們的試驗中，發(fā)動機一旦有異常，其聲音信號和振動信號會周期性出現(xiàn)較長時間，因此，間隙式的高速采集一般不會影響系統(tǒng)診斷的功能。
 
    5 應用體會

    基于PCI總線的高性能高速數(shù)據(jù)采集板卡的研制在基于PC系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)中一直是一個難點，因為高速數(shù)據(jù)采集板卡的研制不僅要求數(shù)據(jù)采集具有急速的信號采樣頻率，更為重要的是要求有較大的板載高速存儲空間、信號的同步技術(shù)、高速數(shù)據(jù)鎖存技術(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。研華公司的PCI－1714板卡，采樣速率高達30MS/s、具有四路同步鎖存、同步采集、同步存儲，對采集的數(shù)據(jù)采用DMA傳輸方式等特性，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對一些語音、振動信號處理的要求，本系統(tǒng)的成功應用便是一個證實。