基于DSP的滑油在線屑末監(jiān)測器軟件設(shè)計(jì)

(1.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111； 2.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101111；3.中國人民解放軍 95855部隊(duì)，北京 102600)

隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，開始追求高性能低成本的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件工作環(huán)境惡劣，高溫高壓高載荷的工況條件提高了運(yùn)轉(zhuǎn)部件不正常磨損引起發(fā)動(dòng)機(jī)故障的幾率[1]，發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)能帶走攜帶故障信息的金屬屑末。通過分析滑油中金屬屑末的信息可有效檢測零部件磨損狀態(tài)，進(jìn)而監(jiān)測航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，為故障診斷和事故預(yù)警提供可靠依據(jù)，提高飛機(jī)安全性和經(jīng)濟(jì)效益。

滑油在線屑末監(jiān)測器主要由傳感器、信號(hào)電纜、信號(hào)處理單元三部分構(gòu)成，如圖1所示。滑油在線屑末傳感器主要由測試線圈、激勵(lì)線圈共同組成，測試線圈位于兩個(gè)激勵(lì)線圈的中央，激勵(lì)線圈反向串聯(lián)，交流電驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈產(chǎn)生方向相反、大小相同的磁場。測試線圈所處位置內(nèi)部磁場相互抵消，即接近于零磁場。當(dāng)金屬屑末在油液中流過時(shí)，這種平衡被打破，引起磁場變化，測試線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。信號(hào)電纜將攜帶屑末信息的感應(yīng)信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)處理單元，信號(hào)處理單元完成信號(hào)的放大解調(diào)、特征提取及數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖1 滑油在線屑末監(jiān)測器

本文提出一種基于高性能浮點(diǎn)數(shù)微處理器TMS320C6713B的金屬屑末信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)。通過EDMA對(duì)A/D采集的傳感器原始信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移，采用小波變換對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，金屬屑末檢測算法識(shí)別傳感器信號(hào)中金屬屑末的大小和類型，經(jīng)由RS422將傳感器原始信號(hào)和檢測到的屑末信息上傳到上位機(jī)監(jiān)測軟件。

1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑油在線屑末監(jiān)測器的硬件平臺(tái)主要由DSP、CPLD、Flash、SDRAM、通信接口及復(fù)位電路等組成。使用的程序設(shè)計(jì)語言為C語言，采用CCS Studio軟件平臺(tái)。采用多通道24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)ADS1274實(shí)現(xiàn)雙通道同步采樣，采樣率設(shè)置為24 KS/s。采用TI公司的并串轉(zhuǎn)換控制器，選用晶振44.2368 MHz，設(shè)置并串轉(zhuǎn)換控制器的波特率寄存器使通信波特率為2.7648 Mbit/s。

滑油在線屑末監(jiān)測器軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可以看出滑油在線屑末監(jiān)測器軟件主要功能模塊有系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)濾波、屑末檢測、數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 滑油在線屑末監(jiān)測器軟件結(jié)構(gòu)圖

滑油在線屑末監(jiān)測器上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，開啟中斷，通過EMDA接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，暫存在緩沖區(qū)，信號(hào)濾波模塊獲取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，依次進(jìn)行消除信號(hào)零偏、靜態(tài)小波分解、小波閾值調(diào)整、小波逆變換；屑末檢測模塊采用能量函數(shù)法識(shí)別金屬屑末的波形，通過信號(hào)的幅值和相位信息判斷傳感器信號(hào)中是否包含真實(shí)屑末信號(hào)，并計(jì)算真實(shí)屑末的大小和類型；數(shù)據(jù)傳輸模塊獲取原始信號(hào)及金屬屑末信息，以定時(shí)(100 ms)上傳的方式傳輸給上位機(jī)監(jiān)測軟件，軟件主流程圖如圖3所示。

圖3 滑油在線屑末監(jiān)測器軟件主流程圖

2 軟件模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)初始化

初始化系統(tǒng)主要是通過CSL提供的API函數(shù)來配置系統(tǒng)設(shè)備寄存器以滿足系統(tǒng)的要求，通過配置相關(guān)寄存器來進(jìn)行各項(xiàng)功能的設(shè)置，系統(tǒng)初始化流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)配置、初始化向量表、內(nèi)部鎖相環(huán)配置以及EDMA配置等，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置控制系統(tǒng)的采樣周期和保持周期。

2.2 EDMA處理流程設(shè)計(jì)

通過CPLD設(shè)置A/D工作模式為高分辨率模式，對(duì)應(yīng)幀同步接口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過獨(dú)立的DOUT引腳以幀同步數(shù)據(jù)的形式移位輸出。

A/D采集到的數(shù)據(jù)緩存在FIFO中，F(xiàn)IFO狀態(tài)引腳與C6713B外部中斷7連接，當(dāng)FIFO達(dá)到一定狀態(tài)即外部中斷7有中斷信號(hào)時(shí)，同步事件EXTINT7將觸發(fā)EDMA通過EMIF接口將FIFO中的數(shù)據(jù)搬移到SDRAM中[2]。這種設(shè)計(jì)充分利用了C6713B EMIF可以和各種類型存儲(chǔ)器進(jìn)行無縫連接以及EDMA獨(dú)立于CPU傳輸數(shù)據(jù)的特性[3]，EMDA信號(hào)傳輸與處理中斷流程圖如圖5所示。

圖5 EMDA處理流程圖

利用C6713B EDMA將FIFO中數(shù)據(jù)搬移至SDRAM并處理，使用hEdmaPing和hEdmaPong雙通道EDMA并建立兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)PingBuffer和PongBuffer。當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)發(fā)送EXTINT7中斷信號(hào)啟動(dòng)hEdmaPing將數(shù)據(jù)搬移到PingBuffer，CPU則在hEdmaPing通道中斷服務(wù)程序中完成對(duì)PingBuffer中數(shù)據(jù)的FFT運(yùn)算，同時(shí)將通道鏈接至hEdmaPong，將數(shù)據(jù)搬移到PongBuffer中，CPU在hEdmaPong通道中斷服務(wù)程序中完成對(duì)PongBuffer中的數(shù)據(jù)的FFT運(yùn)算并鏈接hEdmaPing通道，如此往復(fù)，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)搬移和處理連續(xù)進(jìn)行。

2.3 濾波算法設(shè)計(jì)

本軟件數(shù)字信號(hào)濾波算法采用小波變換算法，小波變換具有對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)局部化分析的突出優(yōu)點(diǎn)，有良好的時(shí)域定位功能，對(duì)突變信號(hào)具有很強(qiáng)的識(shí)別能力。數(shù)據(jù)處理過程中，首先對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括去除直流分量和奇異數(shù)據(jù)[4-5]，之后根據(jù)設(shè)置的小波濾波層數(shù)進(jìn)行小波分解。本算法采用的分解層數(shù)為5層，小波系數(shù)的前3層置零，采用迭代噪聲方差估計(jì)方法對(duì)分解得到的每層小波系數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算，得到噪聲估計(jì)方差v-est，根據(jù)噪聲估計(jì)方差計(jì)算非置零層的小波閾值并進(jìn)行小波系數(shù)調(diào)整，之后進(jìn)行信號(hào)頻域到時(shí)域的逆變換，恢復(fù)有效信號(hào)。經(jīng)以上算法處理后，信號(hào)有效剔除了高頻噪聲信號(hào)，并保留有效數(shù)據(jù)。在濾波算法中為避免因波形不完全帶來的漏檢，相鄰兩組數(shù)據(jù)(每組數(shù)據(jù)長度為1024個(gè))有256個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊處理。

2.4 顆粒檢測設(shè)計(jì)

屑末檢測通過非線性能量算子進(jìn)行初步檢測，提取信號(hào)波動(dòng)的波段，之后根據(jù)金屬屑末幅值和相位的特點(diǎn)篩選符合屑末特征的波段。非線性能量算子能同時(shí)利用信號(hào)的瞬時(shí)頻率和幅度信息，其輸出正比于輸入信號(hào)的幅度和頻率的乘積，對(duì)于離散時(shí)間序列信號(hào)X(n)，計(jì)算公式為：

φ(X(n))=X(n)X(n)-X(n-1)X(n+1)

(1)

式中，X(n)為濾波后的第n個(gè)數(shù)據(jù)；φ(X(n))為能量算子計(jì)算后第n個(gè)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過非線性能量算子處理后，屑末位置的信號(hào)輸出較大，此時(shí)設(shè)置閾值TNEO就可以初步篩選出屑末的位置，其中TNEO根據(jù)式(2)計(jì)算得到：

(2)

式中，TNEO為金屬屑末篩選閾值；C為常數(shù)，此處取2。

通過相位可以判別金屬屑末的類型，對(duì)鐵磁性金屬屑末敏感的通道檢測的屑末是類余弦信號(hào)，對(duì)非鐵磁性金屬屑末敏感的通道檢測的是類正弦信號(hào)[6]。金屬屑末的幅值閾值與最小檢出金屬屑末的尺寸相關(guān)，一般將幅值閾值設(shè)置為最小檢出屑末電壓值的90%。金屬屑末的波形是軸對(duì)稱波形，所以信號(hào)的峰值和谷值大小相等，考慮到噪聲信號(hào)的影響，設(shè)置峰值/谷值在[-0.6,1.6]之間，具體實(shí)現(xiàn)部分程序如下。

if (indmax>indmin&&x1[indmax]>x2[indmax]) //檢測到鐵信號(hào)

{

val_pp=valmax-valmin;//門限為0.025

{

if(val_pp>=FELIM && valmax /valmin >-1.6 && valmax/valmin<-0.6)//波形限制

{

if(val_pp>=FELIM)

{

flag=1;

Feflag=1;

Fe_num++;

Fe_max_pre=indmax;

Fe_min_pre=indmin;

}

}

}

}

通過標(biāo)定傳感器輸出與標(biāo)準(zhǔn)金屬屑末之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)式(3)計(jì)算金屬屑末的大小。

ra=K×Vpp(ra)b+C

(3)

式中,K、C、b為與系統(tǒng)相關(guān)的常數(shù)；ra為金屬屑末的大小；Vpp(ra)為監(jiān)測器檢測的金屬屑末對(duì)應(yīng)的信號(hào)峰峰值。

2.5 通信設(shè)計(jì)

采用TI公司推出的并串轉(zhuǎn)換控制器與DSP的外部EMIF總線直接連接，輸出兩路相互獨(dú)立的異步收發(fā)器[7]。系統(tǒng)時(shí)鐘為300 MHz，EMIF總線時(shí)鐘為100 MHz，接收中斷請(qǐng)求信號(hào)為INT6，通過高3位地址線進(jìn)行地址譯碼；發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)為INT15。

通信接口程序主要完成串口波特率的配置及更改，金屬屑末信息的發(fā)送，即把金屬屑末的大小、類型、原始數(shù)據(jù)等按照通信協(xié)議上傳。原始數(shù)據(jù)為24位A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量達(dá)到2 MB以上，根據(jù)采樣率對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高。為了降低間隔100 ms RS422總線上傳數(shù)據(jù)占用過多的系統(tǒng)資源，不使用串口發(fā)送中斷而采用定時(shí)器中斷上傳。

DSP內(nèi)部有兩個(gè)32-bit的定時(shí)計(jì)數(shù)器(timer0和timer1)，CLKSRC bit是選擇時(shí)鐘源，為“1”選擇的是CPU內(nèi)部時(shí)鐘源。每100 ms觸發(fā)timer0中斷服務(wù)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)打包功能，將原始數(shù)據(jù)、BIT信息、屑末信息、CRC校驗(yàn)、和校驗(yàn)放入BUFFER0中，同時(shí)拷貝到BUFFER1中等待發(fā)送；每4.5 μs觸發(fā)timer1中斷服務(wù)，啟動(dòng)單個(gè)字符發(fā)送。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)由傳感器、連接電纜、信號(hào)處理單元、NI PXI-8431/8及上位機(jī)監(jiān)測軟件組成。按照?qǐng)D1連接以上部件，將196 μm鐵磁性金屬屑末的原始信號(hào)進(jìn)行濾波處理的結(jié)果如圖6所示。通過圖中可以看出無金屬屑末的信號(hào)段波形平坦，濾波后的金屬屑末峰峰值為0.102 V，信號(hào)幅值接近原始信號(hào)，濾波算法起到了很好的平滑效果。

圖6 濾波算法處理結(jié)果

將固定有標(biāo)準(zhǔn)金屬屑末(鐵磁性金屬屑末的尺寸為130 μm、178 μm、305 μm、505 μm；非鐵磁性金屬屑末尺寸為706μm)的塑封棒沿油液流動(dòng)的方向穿過傳感器，上位機(jī)監(jiān)測軟件獲取到的金屬屑末信息如圖7所示。

圖7 上位機(jī)監(jiān)測結(jié)果

圖7監(jiān)測結(jié)果顯示檢測到的金屬屑末的大小為鐵磁性金屬屑末131 μm、185 μm、329 μm、539 μm；非鐵磁性金屬屑末為731 μm、738 μm。上位機(jī)監(jiān)測軟件界面中實(shí)時(shí)顯示傳感器兩路輸出信號(hào)。

4 結(jié)束語

滑油在線屑末監(jiān)測器軟件以TMS320C6713B為主處理器，對(duì)傳感器輸出的攜帶金屬屑末的微弱信號(hào)進(jìn)行采集分析，并輸出給上位機(jī)監(jiān)測軟件。本軟件的核心為數(shù)字信號(hào)濾波和金屬屑末識(shí)別算法的設(shè)計(jì)，通過串口實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的原始數(shù)據(jù)傳輸。其中信號(hào)濾波采用小波閾值降噪，最大程度地保留了低頻的金屬屑末信號(hào)，去除了高頻的噪聲信號(hào)。根據(jù)金屬屑末的波形特征進(jìn)行檢波算法的設(shè)計(jì)，有效剔除虛假屑末信號(hào)。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明本軟件能夠?qū)崿F(xiàn)金屬屑末的實(shí)時(shí)監(jiān)測和原始數(shù)據(jù)上傳，降噪效果良好，滿足金屬屑末檢測精度要求。