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DSP在智能仪器中的应用（中）

已有 1367 次阅读 2009-09-22 14:36 标签: DSP 智能仪器应用

2 由ANSI S1.11标准设计的DSP声学分析仪

美国国家标准学会(Americal National Standards Institute，ANSI)能够提供有关低频(声频)信号频谱分析的标准，如ANSI S1.11。根据这个标准设计的仪器就能确定低频信号频谱分析的许多性能，从而为衡量声频质量提供科学的根据。在电路设计时，只要给出连续时间滤波器的原始技术指标，就能设计人们需要的离散时间滤波器。在这些原始数据中，除了滤波器的频率，带宽和最小阶数外，其他指标是含糊的，这样就能根据滤波器的形状和阶数用不同方法实现。由于硬件和软件是完全透明，所以分析仪的设计可能有许多不同形式。

目前，市场上有很多型号分析仪，均不能对滤波器存储体进行分析，尽管有些分析仪是利用DFT和FFT的原理，能对信号频谱分析提供有力支持，但价格昂贵。而ANSI S1.11标准(基于滤波器的存储器，并以对数配置的倍频来完成)能为仪器在滤波器存储体的工作进行仿真，可以在相应滤波器确定带宽内，对频谱箱进行整形和累计，但是这种仿真技术仍然存在一些不足，如DFT不能实现分辨率均衡处理和滤波器存储体的对数空间处理等。

以上分析可以得出，目前市场上的低频信号分析仪不是性能达不到要求，就是价格高。有的分析仪虽然能满足要求，但存在一些不足，如体积大、不便于携带、使用繁琐等。而本文提出的新型方案，是以ANSI S1．11标准为基础，由DSP和PC组成的声学分析仪，能对20kHz(声频高保真度范围)的信号进行实时处理。该仪器不仅克服目前市场上分析仪存在诸多不足，而且还具有动态范围大(92dB)、高保真度(20kHz)、仪器结构简单(具有DSP插件的PC)、使用方便(用户接口实现人机对话)、自动编程和处理及性价比高(用普通硬件组成高性能的仪器)的特点。

2.1 分析仪的结构配置

以ANSI s1.11标准的DSP声学分析仪的框图如图6-10所示，由图中看出，声学分析仪是由外围电路、DSP插件板和PC(图中未画出)组成。

(1) 前置电路

在这个分析仪中，外围电路将涉及到图形保真(反混浠)滤波器、A／D转换器和多路转换开关(MUX)，它们能对输入信号进行测量前的预置处理(滤波和模／数转换)，使信号性能满足DSP处理的要求。

a．A／D转换器

ADC在外围电路中也是一个重要元件，为了保证仪器的分辨率达到16位，在选择ADC时，其他指标如采样速率只要能满足低频信号采样的要求，其分辨率至少要高于16位。因此，可选择低速高精度的ADC作为数据处理单元，如MAX1400、MAX1401、MAX1402、MAX1403和TLC2143等，其中MAX1400系列ADC是一种18位多通道、低功耗、过采样的器件，它的主要参数见表6-2。

(2) DSP插件板

DSP是本仪器的关键元件，它主要承担仪器中的各种运算和外设(如ADC和PC)之间的通信，也是决定仪器精度的主要芯片。DSP插件是一种能与PC兼容的模块，它能很方便地与PC实现“无缝”接口，它由两片DSP、一个图形保真滤波器、—个A／D转换器和—个MUX组成。

在DSP插件板中，采用TMS320C30处理器，它是一种性能较好的32位浮点芯片。

2.2 系统设计中的几个问题(设计提示)

为了使分析仪达到设计要求，必须对系统中有关问题作些说明，这些问题将包含总体结构、并行度使用、滤波器设计和用户接口等。

(1) 总体结构

在声学分析仪中，为了使用多速率处理技术，必须用对数空间滤波器才能满足系统性能要求。为此，对于1／3倍频滤波器，ANSI标准能够提供三种分配方案：101/10因子的空间、21/3因子的空间和较佳频率空间(混合区)，它是在前两种的舍人交界区。

a．101/10空间

在这个空间中，所设计的驱动器是由10个滤波器组成，并以十进制数和并行方式进行工作，这样就能够对任何其他倍频滤波器实现滤波和重新采样处理(利用10的因子)。

b．21/3空间

在这个模式中，需要设计三个并行滤波器，这些滤波器能够覆盖单个倍频，并以2的因子对信号进行重新采样处理，从而能保持倍频功能。

c．混合区

在这个区间，能获得较佳的频率，也是滤波器首选的空间。如果任何较佳频率与10的因子有关，则另外频率就能以可调十进制形式呈现在线路中。

在实时处理的过程中，为了提高计算效率，本系统选择两种滤波器工作模式，即一个倍频和三个l／3倍频模式，这些均能覆盖最高的倍频。此时，使用相同的滤波器(即滤波系数)就能够计算所需的任何倍频，它是通过对信号带宽的限制和抽选处理(所需速率)来实现的，这就意味着前置电路中的附加低通滤波器必须设计在使用抽选前对信号进行带宽限制处理。在计算时，首先在最大带宽上对原始信号进行最高倍频计算，然后，依次计算剩下的倍频(原则上从高到低，即第二高，第三高……)。

(2) 并行度

在分析仪中，为了提高计算速度和多处理能力，特使用并行结构。利用平行结构和平分采样速率，就能在最高速率的采样周期里(原始信号的采样频率)计算出两个倍频的输出。在计算时，最高倍频总是在相同速率时进行计算，并获得一次新的采样。而在每两个采样周期(每两个时隙)时，对次倍频(第二高倍频)进行计算，在每四个采样周期(每四个时隙)时，对第三高倍频进行计算等。除了第一个倍频外，其他的都是真正的时间交错执行，其目的是在每个采样周期里能够计算两个倍频。由于这种执行过程是一种时间平行度，所以能够同时计算所有的倍频，并具有信息完整(没有任何信号损失)和精确保存所需采样速率的优点。这种时间交错执行过程的线路如图6-11所示，在执行时，它是由DSP芯片内的汇编语言直接汇编进行精美编程和存储器管理，这样才能完成图中的各种计算任务。

根据这个线路，当采样速率为65.536Samples／s时则完成两个低通(抽选)滤波器和两个单位倍频带通滤波器(或6个1／3倍频带通滤波器)输出的计算，这种计算所花费的时间为15.2μs。

    (3) 滤波器设计
    滤波器是分析仪计算和处理的重要内容，也是决定系统精度的关键电路，因此，在设计
时应仔细进行。在信号数字化之前，首先由DSP插件板提供一个时间连续的图形保真滤波
器，它由电阻阵列组成，其截止频率设置为27kHz。关于数字滤波器，本系统需要一个低通
抽选滤波器，一个单倍频带通滤波器和3个l／3倍频滤波器。在这些滤波器中，为了优化设
计，必须使乘积数降到最低。另外，在滤波器实现中，应该限定为IIR滤波器，并以最大操
作数来实现。由于系统中使用的DSP是一种浮点处理器，所以无需考虑计算过程中出现的
溢出问题，因此，ANSI标准就能为滤波器设计提供某些自由度和灵活性。
    为了更好地进行滤波器设计，下面给出所有滤波器实现的详细信息，这些信息将涉及到
滤波器框图、系数和频率响应。例如，在14阶巴特沃斯倍频带通滤波器中，如图6-12所
示，首先假定采样频率为65.536Hz，这样就能得到如表6-3中给出的系数，中心频率或截
止频率等数据，参看(最高倍频)如图6-13所示的频率响应曲线。在频率响应曲线中，
尽管是最高倍频和10的因子刻度的频响关系，但对剩下倍频和1／2因子刻度，同样也是适
用和有效的。

另外一种是6阶巴特沃斯1／3倍频带通滤波器，它的框图如图6-14所示，从图中看出，它是由三个二阶滤波器级连构成。在实际电路设计时，应该使用比倍频滤波器更低的阶数组成滤波器，其目的是计算的需要，这样配置可使用并行计算，从而达到提高计算速度的目的。

与图6-14相应的滤波器系数和频率响应见表6-4和如图6-15、图6-16所示。表6-4中的系数是在不同中心频率(12.5kHz、16kHz和20kHz)得到的，而图6-15和图6-16所示的频响曲线是分别在不同刻度和不同中心频率的条件下绘制的三种滤波器曲线。这里特别要注意的是图中曲线是说明最高倍频的变化规律，但对于剩下倍频和2-n刻度同样也是适合和有效的。

最后一种滤波器是8阶椭圆带通滤波器，如图6-17所示，而对应该图的滤波器系数见表6-5。在电路设计时，首先要注意的是使用第二次高倍频进行滤波器设计。但在实际使用过程中，对于使用最高倍频的滤波器和2-n因子刻度同样也是适合和有效的。其方法和1／3倍频带通滤波器相同。与图6-17对应的频率响应曲线如图6-18所示，这是一种具有3dB(截止频率为15kHz)的8阶椭圆低通滤波器的频响曲线。

(4) 用户接口

在分析仪中，用户接口是很重要的，它能为分析仪和用户提供一个友好的界面。因此，在实际操作时用户接口特别有用，也是衡量分析仪性能的一个重要内容。在实时操作时，为了能够得到一个信号功率频谱的明确展示图，屏幕显示的更新速度必须快速运行，这就要求潜伏时间尽可能达到最低值。试验结果表明，这个指标是完全能满足分析仪的要求。

2.3 软件配置

在分析仪中，主要软件是由两个DSP提供，并由它和PC进行控制和实时处理。为了高效地利用DSP计算能力，在程序设计时，两个DSP应设置为同步工作状态，但仪器中两个通道对每一个DSP来说，仅只有一个通道是有效的。另外PC通过位于DSP插件板上专用双向存储器能为DSP提供有用信息(如DSP实时计算的工作频率(20kHz)和每个滤波器输出信号功率的速率(4ms))，并为PC处理器和DSP中的DSP A提供可寻址的无缝通道。此时DSP A能与插件板上的ADC进行访问，并从两通道中读出输入采样供DSP B用，而DSP B执行情况同样也由DSP A控制。DSP A和DSP B运行的程序流程图分别如图6-19和图6-20所示。

由于两个DSP的工作量总是饱满的，所以分析仪中附加信号前置处理由PC处理器来完成。

2.4 试验结果

利用前面分析的开发平台(见图6-l0)线路进行试验，由于两个处理器(DSP)在相同插件上均是有效的，所以每一个DSP均要配置一个通道，这样就允许对两个不同信号进行同步(仿真)分析。现将试验结果归纳如下：

(1) DSP计算负载随采样间隔(覆盖所有倍频的计算，512次采样)变化规律如图6-21所示，这是一种根据使用指令周期百分比的计算负载，从图中看出，特别在某些瞬间，DSP的计算负载已经达到它的处理限止。

(2) 声学分析仪的虚拟平面图如图6-22所示，图中两个通道呈现出相同信号的功率频谱，其中一个是以单位倍频模式计算，另一个是以1／3倍频模式计算。另外，图中的单位、刻度(线性或对数)和测量时间(最小时间为4ms)是由用户选择。

(3) 分析仪在没有输入信号和不同工作模式下的频响曲线如图6-23和图6-24所示，其中图6-23为单位倍频模式下的频率响应，而图6-24为1／3倍频模式下的频响。从图中看出，噪声性能随频率增加而变差，这是由于滤波器是对数型的结构，那么它的带宽也随频率增加而变宽。

(4) 本节推荐的声学分析仪主要性能如与其他分析仪比较结果归纳见表6-6。

3 故障诊断分析仪

在旋转机器(如电机运行)的监视和在线诊断的应用领域中，振动分析是很重要的。事实上，每台机器的不足均能产生一种独特的振动，为此，必须测出这种振动的频谱，并与参考频谱进行比较，从而完成故障检测和诊断的目的。

在振动信号分析中，可使用两种方法：时域分析和频域分析。在时域分析中，它虽能提供较清晰的振动物理本性，但对多声频振动信号分析却无能为力。相反，在频域分析中，它能对信号振动的振幅和相位频谱进行识别。因此，这种频域分析法在振动分析中是很有用的，目前均采用这种分析法。在频域分析法中还涉及到多种形式，如高频冲击脉冲法、部分强制法、包络频谱法等。这些方法各有特点，可视实际应用分别选用。

目前，在频域中最常见的振动分析仪是动态信号分析仪(Dynamic Signal Analyzer，DSA)，它能够估算出频谱是如何随时间变化，因此，它能支持限时事件的描述。在市场上，振动分析仪有很多型号，如手提式、台式、计算机控制系统等。要在众多型号中选择一种最合适的振动信号分析仪，必须考虑精确速度，显示分辨率、价格和可靠性。但是在任何情况下，对于一个连续工作的在线监视系统必须具有正确诊断和早期报警的功能，因此，它常需满足下列条件：

a．为了保证快速故障检测，必须具备实时分析功能；

b．测量值(采样频率、点数和窗口函数)的优化选择，以便在故障认别时得到高的灵敏度和选择性；

c．在动态分析仪(DSA)中集成专用诊断软件，以便识别相关振动和严重的故障。

对于一般的诊断仪器是不可能同时满足上述这些条件，这是因为受到下列因素制约：

a．频谱可视化是很费时间的，因此，对于大部DSA来说，频谱估算不能实时完成；

b．不能自动地配置相位。另外，利用一个软件控制器改变DSA装备是不能有效地通过精确时间；

c．当在线故障隔离时，则DSA和诊断软件的数据交换必须能有效执行，但在实际运行中，专用软件并不有用。

本文推荐一种新型故障诊断仪，它是一种智能化、FFT分析仪。该仪器基于模块诊断技术和模式匹配程序，使得它能根据信号频谱自动地修改自身的工作参数，以满足仪器最佳的检测和诊断性能。在实际诊断和检测中，它利用无故障的实际器件模块和有故障器件模块进行比较，从而完成故障的检测和隔离。另外，诊断仪使用双DSP并行结构，这样就能允许仪器实时分析带宽50kHz的信号。

综上分析可知，本仪器不仅能克服普通诊断仪器的不足和满足诊断仪器的几个要求，而且还具有诊断故障速度快、诊断成功率高、错误报警率低、诊断性能好、实时性强等优点。

3.1 诊断仪的识别原理

故障诊断仪是基于模块的诊断，因此，在诊断过程中，必须要能识别无故障模块和有故障模块。在频域振动分析中，这些模块是由振动信号频谱中的合适参数组成。

在正常工作(无故障)时，振动频谱可由位于轴旋转频率Fw的一个声频和许多谐波(其振幅小于1/3Fw)来说明。同样在有故障时，振动频谱也可用上述方法来描述，仅是声频振幅高些，详细频谱分布如图6-25所示。从图中看出，如果有一个像齿轴形状的声频存在，则后面至少会有三个主要的附加声频；其中一个是在低速轴的速度上运行，另一个是在高速轴的速度上运行。第三个是在齿网络频率上运行。因此，在无故障信号频谱中出现许多其他声频，这是由于电机插入(接通瞬间)时结构振动的原因。

在实际运行过程中，每一种机器故障却能产生一个特有变化的频谱(相对无故障频谱)，而不同的故障所产生的频谱是有区别的，为此，下面简单说明最常见的几种故障。

(1) 不平衡

不平衡故障是指机器轴线偏离平衡产生的：它能在Fw上产生一种剧烈的径向振动，其振幅是由分析方向的刚度决定。这种故障频谱的影响是值得重视的，这是因为它能在轴旋转频率Fw上增加声频的振幅。

(2) 失调

失调故障是指机器调整时未能调准而形成的。这种故障的主要影响是在频率为2Fw上产生径向振动，其振幅为75％Fw，严重时，其振幅可达150％Fw。另外，这种故障还能在水平轴方向产生强烈振动。

(3) 松动

该故障是指机器中某些帽盖或支撑物产生松动而形成的，它在频谱图上能用振幅大的谐波来描述。在振动频谱中，图中所有的子谐波能决定分析点和分析方向。其他的松动故障可能将涉及到整个机器的支撑物，在这种情况下，松动故障的影响仅是增加在Fw上的声频振幅。

(4) 方位

方位故障是由机器中某些轴承方位偏离而形成的，它能在某些频率(如OBPF和IBPF)上产生一个振幅较大的声频，从而出现一个冲击振动。这种故障的影响主要决定方位速度和运行速度的几何参数。在实际运行过程中，方位故障出现在多种频率上，这些频率将涉及到运行速度。内层球传输频率(IBPF)、外层球传输频率(OBPF)、球的旋转频率和球的训练频率。

根据机器振动特性的分析，它能够识别出数值模块和逻辑模块的参数，特别对于频谱中的许多声频来说，能把其中的5次谐波(5Fw)、2次谐波(2Fw)和基波(Fw)间的振幅比率及所有声频振幅的和归纳为数值模块参数，而把其他的特征频率(0.5FW、1.5FW、2.5FW、OBPF、IBPF)归纳为逻辑模块参数。

当然，无故障模块和有故障模块的值必须根据实际测量数据进行估算，这种要求能从一个实际无故障频谱(见图6-26(a))和一个定性的理论故障频谱(见图6-25)之间差别看出，但对一个实际故障出现的诊断系统来说，要估算出这两个模块的值，确实是一个麻烦问题，这是因为大部分的故障(如内层和外层球滚道上的故障，失调故障和松动故障)是不可逆的或不可能在电机规定的正常工作时间内产生。

为了克服这个问题，诊断分析仪中使用一种特有处理过程，它是根据故障仿真来完成的。也就是说仅对波形发生器产生的无故障信号进行合适处理，并利用功能强的频率编辑技术函数，对声频进行简单的加法或修改，从而得到一个有故障的频谱，如图6-26(b)所示。在实际操作时，只要利用试验序列(无故障和有故障的子序列组成)就能在数字示波器上诊断出故障的响应时间和故障类型。

3.2 硬件结构

故障诊断仪的硬件结构图如图6-27所示，这是一种小型电动机故障诊断系统的设计框图，它是基于DSP的快速傅里叶变换(FFT)分析仪。从图中看出，它主要由传感器、信号调理器、测量和诊断系统组成。

(1) 传感器

诊断仪中的传感器由一个加速度传感器组成，它是该仪器中的重要器件，它的质量直接影响诊断仪的性能，为此，必须选择性能好的传感器。根据这个原则，本仪器中的传感器选择KistlerTM8710A50M1，它的主要性能如下：

    输出阻扰    100Ω；
    截止频率    6kHz；
灵敏度    100mv／g；
    测量范围    5g；
质量装入    51g。

在实际安装时，加速表(加速传感器)一定要直接贴靠在被监视电机上，其目的是要保证获得一个最佳耦合。

(2) 信号调理器

由于传感器输出信号通常是微弱(除了大信号输出和数字量或频率量输出的传感器外)的模拟信号，它不可能直接馈入DSP处理，所以要由一级信号调理器处理。它主要把传感器输出信号进行处理(放大、转换等)，使之满足后级处理和测量的需要。

根据信号调理器在系统中的作用，并兼雇其他因素(如价格、市场货源)，特选择增益可调的信号调理器，其型号为5118B1，它是由Kitlcr提供的。

为了简化电路设计和提高系统的性能，也可以选择性价比高的大信号输出或数字量输出的信号调理器，如MAX1457、MAX1462、MAX1458等。其中MAX1457是一种高集成度的模拟信号处理器，其片内不仅具有信号转换的ADC和DAC，而且还包含可编程增益放大器(PGA)、失调校准和补偿电路。该芯片特别适用压阻式传感器信号的调理，同时也适用加速度，应变检测和其他电阻传感器信号的调理。只要外加少量元件，进行简单的设置和调节，便可对加速传感器的失调(Offset)、满量程输出(FSO)、失调温度系数(Offset TC)、满量程输出温度系数(FSOTC)和满量程输出非线性校准和补偿，使信号调理器输出信号的精度达到O.1％。而MAX1458是一种数字控制的传感器信号调理器，也是一种集成度高的模拟传感信号处理器。在实际应用时，它无需外围元件，就能对压阻传感器校准和补偿。在实时操作时，它是利用片内DAC，调节输入信号的失调和满刻度以校正和补偿一阶温度误差。因此，这种调理器能够消除量化误差。MAX1462是信号调理器中的新型器件，它具有数据转换和处理功能。芯片内16位ADC的输出是在规定温度范围内进行数字化校准，它是由芯片内的DSP和E2PROM提供的。调理后的输出为12位数字和比率(与电源电压成比例)模拟电压输出，而独立的运算放大器能为模拟输出放大和滤波。

MAX1462主要特性：

    工作电压低(2.4～3.6V)；    -
    噪声低(310μA)；
    前端分辨率高，在差动输入时小于400nV；
    芯片内具有DSP和E2PROM，能对传感器误差提供校准；
    16位信号通道能对传感器失调、灵敏度和有关温度系数进行补偿；
    12位并行数字输出；
    模拟输出；
    对传感器灵敏度和失调具有宽范围补偿功能；
    单点自动补偿算法；
芯片内具有温度传感器和独立的运算放大器。

(3) 测量和诊断系统

测量和诊断系统是一种性能较好的智能化FFT分析仪，它主要由DPC／C40和PC组成。其中PC是主插件板。它具有PC总线兼容功能，主要处理系统级需求和测量结果。而 DPC／C40是由两个并行结构的DSP和一个单板结构的数据采集系统(由B-B公司的模拟与模块ADM(Analog Daughter Module，ADM))组成。在DPC／C40模块中，ADM是由两个δ-∑ADC和两个DAC组成，它和主DSP通信是由一个非标准串行接口(AME-LIA)完成。这4个转换器(2个ADC和2个DAC)的主要性能见表6-7。

根据表6-7中ADC的主要性能，在电路设计时，ADC可选择AD7705、AD7715、 MAX1400、MAX1401、MAX1402、MAX1403等。其中MAX1402是一种低功耗、多通道、串行输出的ADC，它是利用∑-△调制器和数字十进滤波器来达到16位转换精度，这真正16位精度是在数据速率高达480SPS时实现的。它的主要性能特点如下：

    分辨率为18位，∑-△ADC；
    精度为16位(数据速率为480SPS且无丢失码时的精度)；
    静态电流250μA(正常)，2μA(掉电)；
    芯片内具有传感器激励用的匹配电流源(200μA)；
    3个真差动输入或5个准差动输入；
    2个附加的真差动校正通道／辅助输入通道；
    增益和失调均能实现可编程控制；
    模拟电源(+5V)和数字电源(+3V或+5V)采用独立供电；
    具有3线串行接口，并与SPI／OSPI兼容；
    通道自动扫描和数据连续输出模式；
    真差动参考输入；
28引脚SSOP封装结构。

DSP是DPC／C40模块中的关键芯片，根据诊断仪的要求可选择TI公司的TMS320C40，它是一种性能较好的32位浮点DSP并能在40MHz频率上很好运行，其主要性能特点如下：

指令周期：33ns(60MHz主频时)；
芯片内具有3条32位总线供程序数据和DMA使用，芯片内还有2个存储器(1K×32位)；
    芯片外具有两套独立运行的总线(32位)寻址空间为2×2G；
    指令高速度缓冲器(Cache)：128×32位；
    非标准浮点格式：32位(定点)／40位(浮点)；
    乘法器：32位浮点输入，40位结果或32位定点输入，32位结果；
    ALU可工作在40位浮点或32位定点格式；
    单周期乘法累加并行指令；
    零开销的单指令或块指令循环；
    外部中断：4个；
    1024FFT：1.3ms：
    浮点倒数：264ns；
    浮点平方倒数：363ns；
    6个通信口，每个通信口速度为20MB／s；
    多个DMA，能控制6个DMA通道；
325PGA封装结构形式。

3.3 软件分析

故障诊断仪具有监视和诊断两大功能，为了能满足在线监视和快速诊断的性能，特配置专用软件。该软件主要由三个子程序组成。这三个子程序分别为信号处理、故障检测和故障诊断。在实时运行过程中，这三个子程序均由两个DSP完成，这样就能获得最佳的响应时间。

(1) 信号处理子程序

信号处理软件是由两个DSP以并行方式执行的，能完成频域振动信号的分析、信号频谱特征的估算和试验中的实际电机模型选择。

在线频谱估算软件是一种智能FFT分析仪测量过程的优化处理，它是根据对无故障振动频谱和有故障振动频谱的认识进行估算。经测量后，可得到无故障振动频谱曲线，如图6-28所示。图中的声频频率高达8kHz，此时，相应该频率的采样频率必须选择为16kHz，这样才能避免图形失真。根据有关文献理论分析可知，试验电机上出现故障所产生的频率，通常不大于1kHz，因此，为了提高频率分辨率，必须对采样信号进行滤波(选用截止频率为1.1kHz的30阶FIR滤波器)和抽选(抽选因数为4)处理。在实际运算进程中，可采用专用算法，它是以单步完成两种操作，从而有效地降低计算量。另外，给得到的采样序列(2048点)开窗口和FFT估算，并对振幅频谱进行分析，从而检测出信号声频。对这些信号声频中的每一种声频，均要利用内插法估算出振幅和频率。

DSP是主／从结构形式(仅有主DSP才能直接访问插件板资源)，它利用6个串行口和主PC进行通信，而主DSP和主PC间的数据传送是由一个公共的存储器(4K×32位)来完成。

最后，实际电机模型的估算是根据数值和逻辑参数进行的，从而为选择电机实际模型提供科学根据。经信号处理软件后，得到信号处理过程每一步的最大精确时间(见表6-8)，尽管这些时间并不能使每次采样诊断激活，但是与在工频工作的监视时间是一致的。

(2) 故障检测子程序

在这个子程序中，当任何时间里完成信号处理后，需要把测量频谱中的所选特性与参考无故障特性进行比较，从而检测到所出现的故障。对于电机在不同工作条件和多变的测量手段下，为了能识别参考振动频谱模型参数，建议使用统计法，从而就能得到无故障条件下的声频测量值，它们的分布状态如图6-29所示。这是每个声频振幅的平均值和变化关系图，从图中看出，频率变化均是在测量平均值附近±0.5Hz内。

另外，这个子程序还能对实际数值参数及无故障数值参数差的加权平方和进行连续估算，并与一个合适门限值比较，从而完成对逻辑参数的校验。为了避免错误报警，仅是在超过门限值时，才点亮一个故障灯。

主DSP执行这个故障检测过程时花费的时间大约为0.01ms，而在无故障条件下，计算振动频谱所花费的时间为0.2ms，从而可以看出该仪器检测的速度是很快的。

(3) 故障诊断子程序

为了提高故障诊断的正确性和诊断率，该子程序需要在一个完整故障时间间隔的频谱参数上进行推理，并对它进行访问。因此，在故障检测得到信号处理结果后，才能启动故障隔离过程。

一种基于规则的诊断过程能直接在主DSP上实现(而不是在PC上)，其目的是为了获得好的时间性能。例如，在球定向外层滚道里存在一个缺陷，它能在外层球的传输频率(OBPF)上产生一个声频，在这种情况下，停止诊断过程(像专家系统中的守护程序文件)仅在确定因数为l时给出相应故障。表6-9归纳了识别各种故障的情况，它是利用守护程序在某些特征频率上运行的。

如果这些条件中没有一个被验证，则诊断过程要采用合适规则，强制增加其他故障可能发生的确定因数，特别是对于每一个故障，它所增加的确定因数是随实际模型和故障模型之间的距离而变化。在程序运行过程中，调节确定因数，以便得到最佳的诊断性能。

这个过程的输出是一张可能出现的故障表，而每个故障都具有它的确定因数。如果它的确定因数大于一个合适的门限值时，则可能出现一个故障。这个诊断表也可通过公共存储器，由主DSP传递给PC。在诊断过程中，主DSP执行这个故障诊断子程序花费时间大约为0.02ms。

6.3.4 系统诊断性能试验估算

对于一台设计好的故障诊断仪器，它的性能估算将涉及到诊断能力和响应时间，通常利用运行中的实际信号和仿真信号来完成数值试验。

仪器的失败报警率是衡量诊断功能的重要指标，它是由电机正常工作在不同工作条件下的诊断进程来估算的，通常规定在20次试验(每次至少为30min)里不能出现失败报警。

在试验时，仪器是在仿真信号序列(由无故障振动信号和有故障振动信号组成)上进行。对于每一个故障，可使用不同的故障信号来进行，而这些信号按规定改变声频的频率和振幅，以便反映信号频谱的正常变化，也可使用不同序列来实现。这些序列是由改变故障瞬间构成，其目的是能反映故障瞬时的随机性。

(1) 诊断性能

为了能够正确评价诊断仪的性能，对于每个故障，必须进行200次试验，试验的详细结果见表6-10。故障检测进程的性能通常可由正确检测(CD)和遗漏检测(MD)百分比来表示。在诊断过程中，本仪器能够识别某些故障类型，而每种分类的百分比由下列组成。

a．正确位置

正确位置(Correct Location，CL)是说明在诊断性能表中具有实际故障，通常具有高的确定因数。

b．准正确位置

准正确位置(Quasicorrect Location，QL)也说明诊断表中具有实际故障，但没有高的确定因数。

c．不正确位置

不正确位置(Incorrect Location，IL)说明诊断表中没有实际故障。

d．遗漏位置

遗漏位置(Missed Locatian，ML)说明诊断表中是空的。

(2) 响应时间

就响应时间而论，本仪器对故障检测和诊断的速度是快的，也就是说响应时间是短的。为此，必须估算出故障检测和诊断及故障瞬时的延迟，从而测量出响应时间。

响应时间测量过程如下：为了测量响应时间，需要备有一个任意信号发生器，它能提供一个具有两种振幅(0～2V)的附加信号(标记信号)，并由一个特殊采样进行同步。只要对序列中故障信号的起始标记同步就能精确地识别故障瞬间。特别当检测到一个故障和诊断过程结束时，就能产生一个3V的电压脉冲，此时，在数字示波器(型号为Tektronix TDS52CD，主要性能：带宽为500MHz，4输入单端通道)上能够显示出这两个信号，从而测出故障检测和故障诊断的响应时间，如图6-30所示。从图中看出，故障检测时间(平均延迟)为300ns，而故障诊断时间为470ms。当然，响应时间并不是恒定不变，这是因为它们决定许多因数，例如，故障类型(振动变化的振幅)、故障瞬间和信号处理过程之间的关系等。