陳新，胡棟，嚴立，鄭凱，陳玉華

(1.大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.瓦房店軸承集團有限公司檢測試驗中心，遼寧 大連 116300)

滾動軸承疲勞壽命試驗是評價軸承疲勞壽命與可靠性的有效手段[1]。除結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料加工外，試驗中的電動機轉(zhuǎn)速、軸承載荷及潤滑質(zhì)量都會影響軸承疲勞失效的判斷。在高速、重載的運行條件下，隨著失效面積的增大，點蝕、疲勞剝落和塑性變形等軸承常見失效形式會在短時間內(nèi)相互轉(zhuǎn)化[2]。為判斷軸承是否出現(xiàn)疲勞失效，試驗中常對軸承振動信號進行周期性采樣，獲得1組振動數(shù)據(jù)后分析判斷時、頻域等特征指標，若未出現(xiàn)疲勞失效，則進行下一周期的振動信號采集與分析。這種間斷的周期性采樣不利于發(fā)現(xiàn)壽命試驗中早期疲勞失效。采用連續(xù)采樣獲取完整的軸承振動數(shù)據(jù)，可提高疲勞失效判斷的準確性，同時也可增加采樣數(shù)據(jù)在壽命試驗結(jié)束后的利用價值。

目前市場上的通用型數(shù)據(jù)采集卡種類繁多[3]，但并非針對軸承疲勞壽命試驗而設(shè)計，故用其實現(xiàn)軸承振動信號的連續(xù)采樣有一定難度。下文介紹的連續(xù)數(shù)據(jù)采集卡可完成試驗中的大部分工作，使主機有相對充裕的時間用于疲勞失效診斷。

1 硬件設(shè)計

采集卡硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。信號輸入/輸出單元以C8051F020單片機為核心，主要實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的連續(xù)采集和試驗要求的轉(zhuǎn)速、載荷等控制信號的輸出；2片雙口RAM用來緩存數(shù)據(jù)；最后一部分由TMS320系列數(shù)字信號處理器構(gòu)成，主要完成振動信號的時、頻域數(shù)據(jù)處理和采集卡與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸。這種結(jié)構(gòu)安排便于將軟件任務(wù)中的信號采集、控制輸出以及時、頻域處理等部分適當分解細化后直接由采集卡執(zhí)行完成，以節(jié)省主機的處理時間，使其在獲取完整數(shù)據(jù)的同時有足夠時間診斷軸承疲勞壽命。下面分別說明組成單元的硬件工作原理。

圖1 采集卡硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 信號輸入/輸出

信號輸入/輸出單元主要由C8051F020單片機構(gòu)成，這款單片機與MCS-51指令集完全兼容。C8051F020采用流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計，峰值性能可達25 MIPS。內(nèi)部資源包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、電壓比較器、DAC、電壓基準、電源監(jiān)視器、看門狗定時器、UART等部件，4K的片內(nèi)擴展RAM和64K Flash程序存儲區(qū)，22個中斷源，64個外部I/O端口。這些特性使這款單片機尤其適合如軸承疲勞壽命試驗的多任務(wù)且實時性要求高的場合。

C8051F020自帶12位、8位ADC通道各8條。輸入/輸出信號連線圖如圖2所示，振動(加速度)、電動機轉(zhuǎn)速和載荷信號與單片機的12位ADC通道AIN0相連；溫度信號由于變化范圍不大，可用8位ADC通道AIN1輸入；軸承徑向、軸向載荷控制信號由DAC通道送出；電動機轉(zhuǎn)速控制信號連在電動機控制變頻器的串口輸入端；其余的開關(guān)量如設(shè)備的啟停信號連接到I/O口上。由于C8051F020資源多，試驗中所有信號的采集和輸出可由單片機完成。

圖2 輸入/輸出信號連線圖

軸承在特定的疲勞壽命試驗機上以設(shè)定的轉(zhuǎn)速和載荷運轉(zhuǎn)，直至出現(xiàn)疲勞剝落。試驗過程中通常用振動方法判斷軸承失效剝落[4]。單片機提供的12位ADC通道的最高采樣頻率為100 kHz，可滿足大多數(shù)工業(yè)軸承疲勞壽命試驗要求。C8051F020最快可在8 μs內(nèi)按順序分別對4路振動信號采樣1次。振動信號采集后，單片機將其放入外部緩存區(qū)，不作進一步處理。試驗中振動信號的采樣頻率最高、數(shù)據(jù)量最大，在保證采樣頻率不變的前提下，單片機要控制電動機轉(zhuǎn)速和軸承徑向、軸向載荷在規(guī)定范圍內(nèi)變化，還要上傳溫度、載荷、轉(zhuǎn)速和開關(guān)量等主機所需參數(shù)。在連續(xù)采集卡硬件設(shè)計和軟件實現(xiàn)時需分別考慮以上任務(wù)的劃分和數(shù)據(jù)處理等問題。

1.2 數(shù)據(jù)緩存

與周期性采樣不同，連續(xù)采樣中間不會停下來。試驗?zāi)康暮托盘栃再|(zhì)不同，則采樣頻率也不一樣。需要密集采集的是振動數(shù)據(jù)，為避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)瓶頸，連續(xù)采集卡需要1個數(shù)據(jù)緩存區(qū)。通過估算每次傳輸?shù)恼駝訑?shù)據(jù)量，即可確定緩存容量。若以16K為1組振動數(shù)據(jù)的計算長度，4路振動信號共需64K空間，而這期間的溫度、轉(zhuǎn)速和載荷等需上傳的參數(shù)數(shù)量遠低于振動信號，因此128K空間足以滿足全部數(shù)據(jù)的緩存需求。

數(shù)據(jù)緩存單元由2片64K×16bit的IDT70V28L高速雙口RAM構(gòu)成，IDT70V28L最大訪問速度可達20 ns，支持片內(nèi)存儲單元的獨立訪問和分塊訪問。數(shù)據(jù)緩存單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，緩存單元左側(cè)連接C8051F020單片機，右側(cè)為數(shù)字信號處理器。單片機控制片選R/WL和讀寫CE1L信號，通過總線將每次采集的振動數(shù)據(jù)放入緩存區(qū)。當64K的最后2個字節(jié)放入緩存區(qū)后，單片機利用連接在I/O上的數(shù)字信號處理器的中斷信號發(fā)出讀取通知，隨后將振動數(shù)據(jù)保存的目的地址指向另一片IDT70V28L。單片機高速采樣時完成4路共64K的振動數(shù)據(jù)采集不超過170 ms，這一時間內(nèi)需要上傳的溫度、載荷、速度和開關(guān)量等其他參數(shù)的總量并不大，單片機可將其放入內(nèi)部擴展內(nèi)存中暫存。同時，數(shù)字信號處理器利用塊操作方式迅速將振動數(shù)據(jù)取出，在收到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束的中斷信號后，單片機利用速度優(yōu)勢把內(nèi)部擴展內(nèi)存中的其他上傳數(shù)據(jù)放入這片暫時空出的IDT70V28L內(nèi)，在單片機將下一個64K數(shù)據(jù)準備好之前，數(shù)字信號處理器也會將這些數(shù)據(jù)取出上傳。2個處理器重復(fù)前面的操作處理過程，緩存單元即可保證連續(xù)采樣數(shù)據(jù)順利傳輸。另外，試驗開始前，主機發(fā)給單片機的試驗參數(shù)也要通過緩存單元傳遞。由于緩存單元左右兩側(cè)的單片機和數(shù)字信號處理器利用握手信號線事先聯(lián)絡(luò)，雙口RAM不會出現(xiàn)競爭現(xiàn)象，連線也較簡單。

圖3 數(shù)據(jù)緩存單元結(jié)構(gòu)

1.3 數(shù)字信號處理

信號輸入/輸出已由單片機完成，在數(shù)據(jù)上傳給主機之前，若時域振動信號轉(zhuǎn)換成頻域的計算過程可在連續(xù)數(shù)據(jù)采集卡上完成，則主機有更多時間用于疲勞剝落的在線識別。為滿足連續(xù)采樣和實時計算要求，選擇TMS320DM642(DM642)數(shù)字信號處理器(DSP)來進行此部分運算。DM642是TI公司C6000系列中的定點DSP，具有處理速度快和編程靈活等特點。

數(shù)字信號處理單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。DM642通過可配置的主機接口(HPI)與緩存單元的雙口RAM相連，通用輸入/輸出端口(GPIO)的外部中斷引腳與單片機的I/O口相連，另一條連至單片機的外部中斷，這2條線是DSP與單片機之間通過雙口RAM傳遞數(shù)據(jù)的握手信號線；DM642外接擴展SRAM和Flash程序存儲器，DM642的外部存儲器接口(EMIF)能與多數(shù)同步、異步存儲器無縫連接；連續(xù)采集卡與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸通過DM642內(nèi)嵌的PCI接口實現(xiàn)，DM642使用DMA方式向主機傳遞數(shù)據(jù)。主機在試驗開始和結(jié)束時也通過PCI總線接口下發(fā)試驗參數(shù)和結(jié)束指令。

圖4 數(shù)字信號處理單元結(jié)構(gòu)

在壽命試驗中通常需對振動數(shù)據(jù)進行時-頻轉(zhuǎn)換。當緩存區(qū)的振動數(shù)據(jù)達到一定量(如64K)時，DM642使用塊傳輸指令將數(shù)據(jù)導(dǎo)入內(nèi)存，在較短時間內(nèi)完成計算。DM642采用增強的并行機制，工作在720 MHz的時鐘頻率下，處理速度最高可達5 760 MIPS。信號處理器的結(jié)構(gòu)特性和計算速度可保證振動數(shù)據(jù)的變換處理、所有數(shù)據(jù)的上傳和試驗參數(shù)下發(fā)都在規(guī)定時間內(nèi)完成。

2 軟件實現(xiàn)

采集卡上有2個微處理器芯片同時工作，單片機負責(zé)采樣和控制，數(shù)字信號處理器主要實現(xiàn)振動信號的時-頻轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。

單片機主程序框圖如圖5所示。試驗開始前，主機通過PCI接口下發(fā)采樣頻率、轉(zhuǎn)速譜、載荷譜和控制精度等相關(guān)試驗參數(shù)，DM642將其傳輸?shù)诫p口RAM，隨即觸發(fā)單片機的外部中斷。單片機根據(jù)接收的參數(shù)配置好自身資源后，發(fā)信號經(jīng)DM642通知主機試驗開始，隨后單片機啟動試驗設(shè)備，設(shè)備試運轉(zhuǎn)階段完成后，進入試驗主程序的循環(huán)執(zhí)行階段。單片機先按順序分別采集多路振動數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入雙口RAM，然后將本次循環(huán)內(nèi)滿足執(zhí)行條件的任務(wù)插入任務(wù)隊列并依次執(zhí)行。主程序的循環(huán)周期由內(nèi)部定時器按照振動信號的采樣頻率事先計算出的時間參數(shù)來控制，而溫度采集、開關(guān)量的輸入/輸出及轉(zhuǎn)速、載荷的調(diào)整等任務(wù)沒有耦合性，無需每個周期都執(zhí)行1次，排序過程就是在這些任務(wù)中挑選需要執(zhí)行的任務(wù)，合理安排1個主循環(huán)內(nèi)需要執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量，確保振動信號高速采集后仍有足夠時間完成需要處理的任務(wù)。任務(wù)完成后主循環(huán)的空閑時間必須調(diào)用休眠指令，以保證循環(huán)內(nèi)的振動信號按設(shè)定頻率連續(xù)采樣。程序開始處的休眠由試驗參數(shù)下傳時DM642觸發(fā)的外部中斷喚醒，這里的休眠由定時器喚醒后進入下一次循環(huán)，重復(fù)前面的操作過程。另外，振動采樣的循環(huán)過程只能被主機發(fā)出的試驗結(jié)束指令中斷，接收確認后，單片機發(fā)出指令停止設(shè)備運行，返回開始的休眠狀態(tài)，等待主機喚醒后，進行下一次試驗。

圖5 單片機主程序框圖

如上所述，另一個處理器DM642在試驗開始時將PCI總線接收到的數(shù)據(jù)傳給單片機，試驗開始后DM642也執(zhí)行自身的循環(huán)主程序，DM642主程序框圖如圖6所示。當滿足數(shù)據(jù)傳輸條件后，DM642使用塊傳輸指令先將振動數(shù)據(jù)放入自身內(nèi)存，然后進行時-頻轉(zhuǎn)換計算，若數(shù)據(jù)塊含有4路振動數(shù)據(jù)，則這樣的轉(zhuǎn)換計算要重復(fù)4次。DM642通過PCI接口以DMA方式將轉(zhuǎn)換后的振動信號的頻域數(shù)據(jù)和原始的時域數(shù)據(jù)上傳主機，然后DMA再自動上傳這段時間內(nèi)的溫度、轉(zhuǎn)速和載荷等其他參數(shù)。當主機識別出疲勞剝落時，會通過PCI總線下發(fā)試驗結(jié)束指令，終止這一循環(huán)過程。由于DM642運行速度比單片機快很多，也可以在時-頻轉(zhuǎn)換計算前再適當完成一些濾波算法的計算。

圖6 DM642主程序框圖

試驗開始后主機根據(jù)上傳數(shù)據(jù)進行在線識別運算，只有發(fā)現(xiàn)疲勞剝落現(xiàn)象才主動要求試驗設(shè)備停止運行。DM642利用內(nèi)部中斷捕獲到試驗結(jié)束指令后，立即通知單片機停止試驗，單片機確認后停止設(shè)備運行，試驗結(jié)束。

3 結(jié)束語

從任務(wù)劃分和安排的角度介紹了軸承疲勞壽命試驗中連續(xù)數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計和軟件實現(xiàn)情況，對振動信號采樣數(shù)據(jù)精度要求高于12位的試驗場合可使用高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片與單片機結(jié)合的方式降低設(shè)計成本。實際應(yīng)用中，連續(xù)數(shù)據(jù)采集卡性能明顯優(yōu)于通用型數(shù)據(jù)采集卡，試驗中疲勞剝落點尺寸低于國標要求。