基于TMS320F28335的通用故障诊断平台

朱兵，潘宏侠

（中北大学 机械工程与自动化学院，太原 030051）

0 引言

目前，用于机械与电气设备状态监测、故障分析的系统大致可分为2类：在线式分析系统和以便携式数据采集器为前端的计算机辅助系统。传统的在线式系统因为嵌入式芯片的限制，前端只能实现数据采集和数据回传功能，状态监测和诊断靠后台的PC 实现，系统成本较高。而便携式系统一般采用人工对前端进行巡检，故障发现率不高，对突发性故障更是无法处理[1]。随着嵌入式芯片处理能力的快速发展，可以将检测和分析功能移至前端，本文设计了通用故障检测平台，实现故障诊断的实时化，减少故障诊断仪器重复开发的浪费，降低成本。

1 系统总体结构

通用故障诊断平台是一个能脱离PC 独立稳定运行的数据采集、远程监控、故障诊断系统。考虑到系统的通用性，须为算法提供较宽的采样频率以适用于各种不同的前端传感器信号输入；考虑系统实时性，须为算法提供较快的浮点数据处理能力，特别是密集型数据处理能力，比如FFT变换；考虑到故障诊断一次处理的数据量比较大，必须提供较大的数据存储能力；同时，为便于与其他仪器的数据交换，还要提供串行接口和CAN工业总线接口。综合上述要求，设计了如图1所示的通用故障诊断平台。

整个系统由信号调理电路、A/D转换电路、数字信号处理部分、通讯接口电路和电源模块组成。

信号调理电路将多路传感器输入的0～5V电气信号调理成适合后续电路处理的信号。通过模拟开关对多路信号进行切换，程控放大器和低通滤波器可以对各个通道设置不同的放大倍数和通带频率。A/D转换电路将信号调理电路送过来的模拟信号转换成适合DSP处理的数字信号；然后由DSP进行数据预处理、FFT变换、提取特征值，诊断故障。当有异常情况出现时，仪器将异常数据及诊断结果通过串行接口传送到PC上位机，从而减少不必要的数据存储和传输。为了减少DSP 作软件滤波带来的系统开销，模数转换器宜选取内置硬件滤波器的ADC芯片。当仪器确定上位机接收到故障数据时，仪器内部存储的故障数据就可以被覆盖了。同时对于变化缓慢的信号，如温度、低频振动可以通过CAN 总线实时传到状态监控与诊断终端进行在线监测、智能化故障诊断，同时还可以打印有关数据、分析图形,使用数据库对测点信息及数据进行有效地管理。

2 系统硬件组成

图1 系统框图

数字信号处理器的选取是本设计的关键，它的运算速度直接影响系统的实时性的实现[8]。本系统中包括的故障诊断算法部分包括大量的密集型数据处理要求，考虑DSP芯片作为本系统的处理器。选用TI公司的TMS 320F28335[2]。

随着半导体的集成度越来越高，以往需要很多电路才能实现的功能现在可由单芯片来实现。系统的信号调理和A/D采样部分，考虑采用单芯片的解决方案，将信号调理和A/D采样用单个芯片实现，这样可以降低电路的复杂性、提高系统的可靠性和稳定性。本系统选择美国TI公司的内置模拟开关、增益放大、A/D采样和低通滤波功能的高性能模数转换器ADS 1256来实现这一部分功能。

根据选取的TMS320F28335和ADS125 6，并配置必要的外围电路，设计出本系统的硬件框图，如图2所示。

2.1 信号调理与A/D采样

图2 系统硬件框图

ADS1256是美国TI公司推出的一种多路输入、低噪声、24位△Σ型的高性能模数转换器，其内部总体结构如图3所示[3]。

图3 ADS1256内部结构图

本系统设计中ADS1256通过SPI接口与DSP相连，此部分的连线图如图4所示。其中，参考电压+2．5V，8路模拟信号输入电压0～5V，软件配置Buffer缓冲、PAG增益倍数和低通滤波器滤波系数控制数据采样率和采样精度。需要特别注意的是，硬件上应将ADS1256模拟地和数字地在芯片附近连在一起，以免ADS1256采样精度过低甚至工作不正常。软件方面配合ADS1256时序，初始化好DSP的SPI接口，注意控制指令到数据指令之间有一定的延时时间。

2.2 大容量存储器扩展

TMS320F28335芯片只集成了256k FLA SH，38K的SRAM，不能满足系统实时性和大容量数据存储的需要，需要在外部存储器接口XINTF上扩展存储器空间。系统采用IS SI公司的256k×16bit SARAM芯片IS61LV6 416，映射到地址空间0x100000-0x140 000；本系统还扩展1M×16bit FLASH (SST39VF 1601F)，地址空间0x200000-0x300000。

图4 ADS1256接线图

2.3 CAN总线、RS232通讯和基于I2C总线的时钟芯片

TMS320F28335集成了增强型CAN总线控制器， 称 为 eCAN[2]， 支 持 CAN2．0A 和 CAN2．0B协议, 配合总线收发器SN65HVD 30可提供高达1MB/s数据传输率。eCAN模块主要由CAN协议内核和消息控制器构成。CAN协议内核主要完成消息解码向接收缓冲发送解码后的消息，同时根据CAN协议向总线上发送消息，消息控制器决定接收到消息的取舍。注意对CANMC、CANBTC、CANGIM、MIM、TSC、IOCONT1[3]、IOCONT2[3]这些位采用EALLOW保护，对这些位设置时要特别注意[4]。

TMS320F28335内部集成有3个串行通讯口(SCI)，支持16 级接收、发送FIFO，支持自动通讯速率检测。如果只使用串口的基本功能,设置1个启动位、8 个数据位、1个停止位，不使用FIFO，则它的操作同51系列芯片相同。通过该串口对采集通道、采集频率、放大倍数等参数进行设置。

时钟芯片选择DS1302。DS1302是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能[5]。DS1302与CPU 的连接仅需要3条线[3]，即 SCLK(7)、I/ O(6)、RST(5)，RST 高电平时，SCLK位于上升沿处，I/ O 数据写入或读出。TMS320F28335内部集成I2C总线接口，使用时注意I2C 总线接口为开漏级输出，必须连接10kΩ上拉电阻到3．3V电平上。

2.4 电源部分

系统的主输入电源为+6V。但TMS320 F28335内核需要+1．9V，大于200mA的电源供应；I/O外设及其外围电路需要+3．3V，大于300mA的电源供应；而且+1．9V核电源要求先于+3．3V I/O电源上电。本系统选取TI公司TPS62400提供+1．9V和+3．3V电压。ADS1258及其外围电路供电分为+5V数字电压，+5V模拟电压和+2．5V基准电压。其中,+5V数字电压要求瞬间输入电流大于100mA，噪声不敏感但对其它部分的干扰较大；+5V模拟电压要求输入电流大于10mA，对噪声比较敏感；+2．5V基准电压要求输出电流大于1mA，对噪声及其敏感。电源部分选取TI公司的低静态电流LDO芯片REG104EA-5为提供+5V数字电压，REG104EA-5输出电流最大可达1A，可以满足要求；选取ADI公司的低噪声、大电流串行参考芯片REF195EA提供+5V模拟电压，REF195EA初始精度±2mV，输出电流最大30mA，噪声密度3uVpp，可以满足系统要求；选取TI公司的低噪声、高精度串行参考芯片REF5025提供+2．5V参考电压。系统扩展的存储器、通讯电路及其外围电路供电为+3．3V，无特殊要求。电源部分通过TPS62400产生的+3．3V为存储器扩展部分提供电源。

3 系统软件设计

考虑到诊断平台的通用性和用户故障诊断算法的多样性，系统软件设计给出架构流程。在此框架下，用户可配置自己的故障诊断算法，实现不同领域多通道数据的采集、存储、分析、监控、故障诊断和通讯。软件架构如图5所示。

系统上电执行初始化程序，将DSP系统由汇编编译环境带到C语言运行环境下，并对DSP的中断系统进行设置；然后对定时器、串口和CAN总线进行初始化；初始化完成后通过串口向上位机发送“参数设置”提示信息，等待上位机设置参数；如果超过10s上位机无动作或者上位机不设置参数，设置参数为默认参数；然后设置ADS1256参数；完成参数设置后，进入到系统的10s循环中；在此循环中，完成ADS1256数据采集；然后插入用户的故障诊断算法；根据故障诊断结果向上位机发送诊断结果和故障数据。软件框架下默认情况为执行用户故障诊断算法并通过CAN工业总线发送诊断结果，用户也可编写不同的控制程序，实现数据的采集、存储、分析、监控等功能。

图5 软件架构流程图

4 故障诊断实例

本文设计的通用故障诊断平台对该电机轴承运行情况进行监控，采用压电式加速度传感器测量振动加速度，主要监测轴承的振动加速度有效值和最大值。在图6为轴承故障信号X轴向加速度时域图像。编写程序在通用故障诊断平台内进行频谱分析，可以得到故障信号的频谱图像如图7所示，其中包含故障特征频率251．7Hz,与滚动体故障特征频率253．8Hz非常接近，可以判断此次故障为滚动体故障。这个诊断实例证明了本文设计的通用故障诊断平台的实用性。

表1 电机滚动轴承参数

图6 某电机轴承x向时域曲线

图7 某电机轴承x向功率谱曲线

5 结束语

本系统以减少故障诊断仪器的重复开发为目标，充分考虑故障诊断仪器的通用性和用户算法的多样性，设计了基于TMS320F28335的通用故障诊断平台，并给出了系统软件架构。在此框架下，用户配置自己的故障诊断算法，可实现不同领域多通道数据的采集、存储、分析、监控、故障诊断和通讯。诊断实例证明该系统切实可行，可以满足故障诊断的要求。

[1] 姚冉中,潘宏侠．基于TMS320F2812的设备状态监测与分析仪的实现[J]．仪表技术与传感器，2007(2):8-10．

[2] TI公 司 ．TMS320F28335 数 据 手 册 [Z]．美 国 :TI公司,2007．

[3] TI公司．ADS1256数据手册[Z]．美国:TI公司,2006．

[4] 李战明,丁磊,瞿华．基于ARM的多功能温度监测系统的设计[J]．仪表技术与传感器,2005 (12): 25-26．

[5] ON Semiconductor公 司 ．DS1302 数 据 手 册 [Z]．美国:ON Semiconductor公司,1998．

[6] 科恩L．时频分析理论与应用[M]．白居宪译． 西安:西安交通大学出版社,1998．

[7] 丁康,江利旗．解调分析在机械设备故障诊断中应用的三个局限性研究[J]．汕头大学学报,2000,15(l):l-12．

[8] 明辉，刘连生，曲培树．基于虚拟仪器的自动测试系统研究[J]．电子测试,2008,3(l):41-46．