高 媛,金天賀,胡志臣

(1.軍委裝備發(fā)展部裝備項目管理中心，北京 100032;2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

振動信號采集儀是各類裝備振動測試中必不可少的儀器設(shè)備，可測試隨機(jī)振動、正弦振動和沖擊振動的特性，在裝備的模型吹風(fēng)試驗、飛機(jī)、高鐵及部件振動試驗測試中有著廣泛的應(yīng)用。振動信號采集儀與前端傳感器、后端計算機(jī)處理單元一起組成自動測試系統(tǒng)[1-2]。

振動信號測試系統(tǒng)包括信號采集與實時分析軟硬件、數(shù)據(jù)管理與信號處理軟件，其中采集單元可以實現(xiàn)對設(shè)備的正弦振動、沖擊振動、隨機(jī)振動數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析軟件能夠?qū)Σ杉盘栠M(jìn)行時域、頻域分析，如特征值提取、譜分析、階次分析、模態(tài)分析等[3-5]。在裝備研制過程中，為檢驗其是否達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備運轉(zhuǎn)是否正常，需要對整機(jī)及其部件進(jìn)行一系列振動測試[6]。無論是整機(jī)還是部件試驗，單次試驗成本都非常昂貴，針對振動信號的采集，需要振動信號采集單元具有大動態(tài)范圍采集能力，能夠同步、精確的記錄各測試點的振動情況，并通過信號分析的方法準(zhǔn)確評估試驗結(jié)果，提升裝備研制保障能力[7- 8]。同時，由于大型裝備多通道的振動測試需求，最高需要測試上千通道的振動信號，因此，研制一種可集成式多通道振動信號測試系統(tǒng)具有十分重要的意義。

基于LXI總線的多通道振動信號測試系統(tǒng)具有使用靈活、測試通道數(shù)自由組合、大動態(tài)范圍數(shù)據(jù)采集的優(yōu)點，且具備數(shù)據(jù)分析及故障診斷功能，使用該測試系統(tǒng)可以提高裝備研制及應(yīng)用的綜合保障能力[9-10]。

1 多通道信號采集系統(tǒng)設(shè)計

為滿足裝備多通道振動測試的需要，設(shè)計了多種振動信號采集模塊，包括1通道、3通道、6通道和12通道4種模塊，可根據(jù)測試需要自由組合測試通道數(shù)，單模塊可以作為一臺獨立的LXI總線虛擬儀器使用，也可以應(yīng)用于分布式網(wǎng)絡(luò)或集成到機(jī)箱內(nèi)使用。機(jī)箱具有5個插槽，一個機(jī)箱可同時配置多個信號采集模塊，且具備北斗同步功能，可以獲取標(biāo)準(zhǔn)時間，實現(xiàn)遠(yuǎn)程分布式測試系統(tǒng)之間的同步。

振動信號采集系統(tǒng)采用LXI總線架構(gòu)，設(shè)備之間通過LAN口進(jìn)行通訊，支持精密時鐘同步協(xié)議(PTP)功能，支持直流供電或PoE供電。可配置擴(kuò)展接口，實現(xiàn)多臺采集設(shè)備互聯(lián)。多臺振動采集模塊可以先集成到一臺5槽機(jī)箱中(以12通道采集卡為例，單機(jī)箱最多可集成60個通道)，然后通過機(jī)箱的LAN口連接至主控計算機(jī)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

如果單機(jī)箱系統(tǒng)的通道數(shù)量不能滿足測試應(yīng)用需求，還可以采用多機(jī)箱采集模式，由一臺主控計算機(jī)控制。設(shè)置其中一臺機(jī)箱為PTP主時鐘功能，其余機(jī)箱為PTP從時鐘功能，主時鐘機(jī)箱可以先通過北斗同步獲取標(biāo)準(zhǔn)時間，然后再通過PTP實現(xiàn)分布式同步，其連接方式如圖2所示。

圖2 多機(jī)箱分布式采集系統(tǒng)

某型高速列車軸箱軸承振動信號采集通道數(shù)多，單節(jié)列車具有8個軸箱，整車16節(jié)列車，整車需要測試通道數(shù)較多，為方便振動測試的需要，整車配備多臺機(jī)箱，每臺機(jī)箱配置40個測試通道，主控計算機(jī)通過LAN進(jìn)行通訊采集機(jī)箱的振動信號，大幅提高了采集效率。

2 基于LXI總線的測試設(shè)備硬件設(shè)計

2.1 便攜式機(jī)箱硬件設(shè)計

便攜式機(jī)箱的核心是一臺PTP交換機(jī)，符合IEEE 802.3af規(guī)范(PoE)，內(nèi)部連接PTP主時鐘單元、機(jī)箱配置管理單元，外部連接至多5臺模塊化振動信號采集儀，并提供一個千兆以太網(wǎng)通信接口和一個附加支持PoE供電的LAN口。一旦振動采集模塊安裝在機(jī)箱中，即組合成一個便攜式設(shè)備，支持至多60通道的振動信號同步采集。機(jī)箱提供單個千兆LAN通信接口，可以將多個機(jī)箱聯(lián)網(wǎng)在一起，從而提供上百通道的測試系統(tǒng)。便攜式機(jī)箱的硬件設(shè)計如圖3所示，包括供電系統(tǒng)、PTP主時鐘單元、PTP交換機(jī)單元、機(jī)箱配置管理單元等部分。

圖3 便攜式機(jī)箱硬件組成圖

2.1.1 供電系統(tǒng)

機(jī)箱支持外部AC、DC，內(nèi)部電池供電等多種供電方式，如圖4所示。外部輸入AC電源電壓為220 V±10%、頻率為50 Hz±5%，外部輸入DC電源為10～32 V(配外部電源適配器)，通過內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換單元統(tǒng)一輸出14.8 V的直流電源，能夠提供約120 W的輸出功率(機(jī)箱最大功率90 W)。電池模塊為可充電式鋰電池，采用可插拔式結(jié)構(gòu)，輸出電壓為14.8 V，總?cè)萘?1 Wh，支持機(jī)箱滿載條件下連續(xù)工作1小時。此外，機(jī)箱還提供1個12 V直流輸出，輸出電流1 A，可以為多種附件供電。

圖4 機(jī)箱供電系統(tǒng)功能框圖

2.1.2 PTP主時鐘單元

PTP主時鐘支持北斗時間同步，可實現(xiàn)多機(jī)箱測試系統(tǒng)分布式同步采集，方便對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對時間標(biāo)記，如圖5所示。

圖5 PTP主時鐘單元功能框圖

PTP主時鐘以支持IEEE 1588-2008的處理器為核心，基于嵌入式實時系統(tǒng)運行PTP協(xié)議棧，執(zhí)行最佳主時鐘算法。通過北斗模組接收標(biāo)準(zhǔn)時間，通過內(nèi)部高穩(wěn)晶振進(jìn)行時鐘保持，硬件時間戳精度可優(yōu)于10 ns。PTP主時鐘單元提供1個PPS秒脈沖輸出，方便驗證系統(tǒng)的同步性能。通過配置端口或LAN口，可對PTP主時鐘進(jìn)行配置。

2.1.3 PTP交換機(jī)單元

PTP交換機(jī)單元是機(jī)箱的核心部件，用于連接機(jī)箱內(nèi)、外各個LAN功能單元，其硬件設(shè)計如圖6所示。以太網(wǎng)交換單元以高性能交換芯片為核心，實現(xiàn)基本的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包交換；PTP處理單元主要實現(xiàn)PTP時間標(biāo)記、報文修改等功能；以太網(wǎng)PHY分為100 Mbps、1 000 Mbps兩類，其中，100 Mbps的PHY與PoE電源處理單元融合，對外輸出多個符合IEEE 802.3af規(guī)范的千兆LAN口，供外部儀器連接；1 000 Mbps的PHY直接通過RJ-45連接器輸出，不具備PoE功能，主要實現(xiàn)機(jī)箱對外LAN口、PTP主時鐘授時的高速通信。

圖6 PTP交換機(jī)單元功能框圖

2.1.4 機(jī)箱配置管理單元

機(jī)箱作為一個獨立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有自身的IP地址，通過配置管理單元實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問與配置管理。機(jī)箱配置管理單元以低功耗ARM處理器為核心，運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對機(jī)箱供電電源、內(nèi)部溫度、冷卻風(fēng)扇進(jìn)行監(jiān)測與控制，對PTP主時鐘、交換機(jī)和各個LAN儀器槽位進(jìn)行控制管理，以及負(fù)責(zé)機(jī)箱自身的網(wǎng)絡(luò)配置。機(jī)箱的關(guān)鍵狀態(tài)可通過機(jī)箱面板上的狀態(tài)指示單元顯示，所有狀態(tài)均可通過上位機(jī)軟件獲取。機(jī)箱具有完備的安全保護(hù)機(jī)制，如電源管理、冷卻管理。

2.2 振動信號采集模塊硬件設(shè)計

共研制4款振動信號采集模塊，它們具有不同的通道密度和信號帶寬(1通道204.8 kHz、3通道102.4 kHz、6通道51.2 kHz、12通道25.6 kHz)，可以覆蓋不同應(yīng)用場合下裝備振動測試的需要。

振動信號采集模塊主要由主控單元、信號調(diào)理單元、電源/信號隔離單元、以及狀態(tài)指示單元等幾部分組成。不同規(guī)格的采集模塊僅前端信號調(diào)理通道數(shù)量不同，其主控單元的硬件架構(gòu)一致。振動信號采集模塊的硬件設(shè)計如圖7所示。

圖7 振動信號采集模塊硬件

2.2.1 主控單元

主控單元以ARM處理器為核心，運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，對外實現(xiàn)LAN通信，對內(nèi)實現(xiàn)各單元電路的管理。FPGA可編程邏輯電路實現(xiàn)多種時序邏輯，如各通道ADC同步采集、雙緩存數(shù)據(jù)存儲邏輯等。DSP處理單元對ADC采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，包括大小量程數(shù)據(jù)選擇、采集數(shù)據(jù)歸一化處理、校準(zhǔn)補償、數(shù)字信號濾波、頻譜分析等。

理論上24位ADC動態(tài)范圍為144 dB，但實際單一量程因噪聲影響往往只能實現(xiàn)110 dB左右，本系統(tǒng)采用雙量程整合方式來實現(xiàn)140 dB動態(tài)范圍。設(shè)計采用2×24-bit A/D方式實現(xiàn)140 dB高動態(tài)范圍的信號采集，同一通道分為±316 mV、±10 V兩個量程(±316 mV小量程信號經(jīng)30 dB放大至±10 V)，每個量程通道具有相同的電路結(jié)構(gòu)，包括差分放大電路、模擬低通濾波器和24-bit A/D轉(zhuǎn)換電路，2路信號同時采集，如圖8所示。大小量程數(shù)據(jù)選擇單元獲取同一時刻的2個24-bit數(shù)據(jù)，計算信號的幅度，根據(jù)信號大小選擇對應(yīng)量程的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲，從而實現(xiàn)大小量程的自動切換。

圖8 雙AD采集硬件設(shè)計

DSP處理器主要實現(xiàn)實時信號處理，包括：實時校準(zhǔn)、數(shù)字低通濾波、實時振動信號運算等。

LXI總線接口主要實現(xiàn)LXI各類基礎(chǔ)服務(wù)、PTP同步服務(wù)、硬件觸發(fā)等?？紤]到儀器低功耗的特點，LXI接口單元以i.MX6系列ARM處理器為核心，運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，對外實現(xiàn)LAN通信，對內(nèi)實現(xiàn)各單元電路的管理。

2.2.2 信號調(diào)理單元

信號調(diào)理電路主要由IEPE激勵電路、TEDS適配電路、輔助量程衰減電路、差分放大電路、低通濾波電路、ADC轉(zhuǎn)換電路，以及通道自檢、通道保護(hù)、過載檢測等電路等組成，如圖9所示。

圖9 信號調(diào)理電路圖

振動信號采集模塊具有多類型信號連接方式，可采集電壓、IEPE、TEDS類型的信號，輸入信號適配示意圖如圖10所示。

假設(shè)圖10中開關(guān)均為常開狀態(tài)，可通過切換開關(guān)K1～K4來適配不同的輸入信號類型，如表1所示。

圖10 輸入信號適配示意圖

表1 輸入類型vs開關(guān)狀態(tài)

振動信號采集模塊為每個測量通道提供4 mA的恒流源輸出，為外部IEPE振動傳感器提供電流激勵。IEPE振動加速度信號檢測使用2線制連接方式，激勵電流輸出連接至信號正端，負(fù)端可對地連接一個50 Ω的電阻構(gòu)成偽差分輸入，振動信號通過交流耦合后送調(diào)理采集單元，耦合電容和1 MΩ電阻構(gòu)成高通濾波電路。IEPE振動傳感器接線如圖11所示。

圖11 IEPE振動傳感器接線圖

恒流源采用精密電壓基準(zhǔn)和差分運放結(jié)合方式，并在輸出端增加保護(hù)電路。

采集模塊還支持IEEE 1451.4智能TEDS傳感器適配，通過TEDS可獲取傳感器的靈敏度、序列號、制造商、校準(zhǔn)日期等關(guān)鍵參數(shù)，可校正傳感器的頻率響應(yīng)，提高采集精度。

具有TEDS功能的振動傳感器通常是模擬信號和數(shù)字信號復(fù)合傳輸，儀器外部接口連接方式和IEPE一致，可通過儀器內(nèi)部電子開關(guān)進(jìn)行振動采集電路和1-wire數(shù)字讀取電路的切換。TEDS智能傳感器的接線如圖12所示。

圖12 TEDS智能傳感器接線圖

儀器具有過壓保護(hù)功能，如果輸入信號幅度顯著超出量程，輸入將進(jìn)入保護(hù)模式并保持0.5 s，直至信號幅度回落至量程區(qū)間。在過壓保護(hù)模式下，輸入被部分切斷，同時輸入阻抗顯著提高(信號將大幅度衰減，但仍可以采集到)。

在不同的量程下，過壓保護(hù)限值電壓不同：在±10 V基本量程時，設(shè)定過載保護(hù)電壓為±12 V；在±31.6 V擴(kuò)展量程時，設(shè)定過載保護(hù)電壓為±50 V。過壓保護(hù)原理如圖13所示。

圖13 過壓保護(hù)原理框圖

過壓保護(hù)電路先對輸入信號進(jìn)行1:5無源衰減，如果檢測到衰減后的信號幅度超出設(shè)置的限值，則自動斷開過載限流保護(hù)開關(guān)，輸入串接的10 MΩ分壓電阻，實現(xiàn)輸入通道的保護(hù)。當(dāng)輸入瞬間過壓時，信號線上的鉗位二極管對后級電路進(jìn)行保護(hù)。

儀器對多處關(guān)鍵電路進(jìn)行過載檢測，包括：信號過載、IEPE過載、幅度/頻率超限、共模電壓過載等。儀器過載檢測單元功能框圖如圖14所示。

圖14 過載檢測功能框圖

3 軟件設(shè)計

振動測試系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)如圖15所示。

圖15 軟件總體架構(gòu)圖

軟件主要實現(xiàn)以下功能：

1)振動信號采集模塊、便攜式機(jī)箱均符合LXI總線規(guī)范，通過LAN口通信，支持B/S、C/S訪問方式；

2)振動信號采集模塊、便攜式機(jī)箱均提供基于C語言、LabVIEW的驅(qū)動軟件，方便用戶采用多種工具開發(fā)第三方應(yīng)用，實現(xiàn)系統(tǒng)集成；

3)平臺應(yīng)用軟件提供各類振動信號的時頻域分析功能；

4)平臺應(yīng)用軟件具有對采集原始數(shù)據(jù)文件、分析報告輸出的功能。

硬件設(shè)備端軟件主要基于ARM處理器的嵌入式Linux系統(tǒng)、DSP處理器的編程環(huán)境進(jìn)行開發(fā)。上位機(jī)軟件基于Windows系統(tǒng)，采用C++語言開發(fā)，面向?qū)ο缶幊?、全插件架?gòu)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠且擴(kuò)展性強。

DSP主要負(fù)責(zé)對ADC采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，硬件原理如圖16所示。

圖16 DSP實時信號處理硬件原理

在數(shù)據(jù)采集過程中，首先由ARM嵌入式處理器完成對FPGA模塊、DSP模塊的參數(shù)設(shè)置，啟動采集；然后FPGA模塊輸出指定采樣時序控制ADC1和ADC2進(jìn)行同時采集，并對獲取到的兩路AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行大小量程數(shù)據(jù)選擇，并將數(shù)據(jù)歸一化成32-bit數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)先后存儲到存儲器中，再向DSP發(fā)起中斷請求；DSP接收FPGA中斷，查詢存儲器狀態(tài)，依次讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行校準(zhǔn)補償、數(shù)字信號濾波、正余弦編碼信號處理等信號處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，向處理器發(fā)起中斷請求；處理器接收到DSP中斷后，查詢存儲器狀態(tài)，依次讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。

平臺應(yīng)用軟件主要包括：硬件管理、信號處理、顯控操作、文件操作、第三方應(yīng)用接口等幾個部分。其中，信號處理是軟件的核心，包括基本數(shù)據(jù)處理、高級信號分析和應(yīng)用測量分析軟件，基本數(shù)據(jù)處理軟件可以實現(xiàn)基本的時域、頻域信號分析；高級信號處理軟件可以實現(xiàn)模態(tài)分析、階次分析和沖擊響應(yīng)譜分析；應(yīng)用測量分析軟件針對實際工程應(yīng)用中的各類隨機(jī)振動、周期(正弦)振動和沖擊振動信號進(jìn)行處理，包括隨機(jī)、諧波、滾扭和沖擊等振動信號分析模塊，可實現(xiàn)對隨機(jī)振動、正弦振動、沖擊振動等各類振動信號的數(shù)據(jù)處理，并可通過專家數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)故障診斷。

4 實驗結(jié)果與分析

針對某型高速列車在運用過程中遇到的軸箱軸承故障問題，采用所設(shè)計的基于LXI總線多通道振動信號測試系統(tǒng)對其軸箱軸承的振動信號進(jìn)行了采集與分析。單列車的軸承分布如圖17中左圖所示，由于所測試的軸箱軸承數(shù)量龐大，故在此以某節(jié)車的4號軸承為例，振動加速度傳感器布置如圖17中右圖所示。

圖17 某列車軸箱軸承振動信號采集分布圖

當(dāng)列車分別以200 km/h和250 km/h速度運行時，對其軸箱軸承進(jìn)行振動信號采集，然后利用所設(shè)計的數(shù)據(jù)分析軟件，基于倒譜分析和希爾伯特包絡(luò)解調(diào)算法對測試得到的4號軸箱軸承振動加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到的部分結(jié)果如圖18所示。在車速為200 km/h時，不論是軸承上方還是側(cè)面，4號軸箱軸承在頻率為166.5 Hz、333 Hz、499.5 Hz和832.5 Hz時均出現(xiàn)明顯的振動幅值，且其振動頻率成倍增加；當(dāng)列車運行速度為250 km/h時，出現(xiàn)了同樣的振動現(xiàn)象，僅振動頻率發(fā)生了變化，這一現(xiàn)象表明4號軸承出現(xiàn)了明顯的故障或損傷。經(jīng)過對4號軸承的實際觀察，發(fā)現(xiàn)其外圈出現(xiàn)明顯的壓痕，這與實測得到的軸承出現(xiàn)故障結(jié)果一致。

圖18 某列車4號軸箱軸承振動信號頻譜圖

通過對某型高速列車軸箱軸承的振動信號進(jìn)行采集，并利用所設(shè)計的數(shù)據(jù)分析軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到某軸箱軸承出現(xiàn)故障的結(jié)論，驗證了所設(shè)計的基于LXI總線多通道振動信號測試系統(tǒng)的合理性和有效性。

5 結(jié)束語

針對大型復(fù)雜裝備研制和應(yīng)用過程中振動信號的采集與分析需求，研制了一種可集成式多通道振動信號采集與分析系統(tǒng)，可同時對上百通道的振動信號進(jìn)行采集，并具備信號分析與故障診斷能力，提高了裝備在研制與應(yīng)用過程中的綜合保障性能。