基于DSP的滑油在线屑末监测器软件设计

(1.航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京 101111； 2.状态监测特种传感技术航空科技重点实验室，北京 101111；3.中国人民解放军 95855部队，北京 102600)

随着航空技术的不断发展，开始追求高性能低成本的发动机，由于发动机零部件工作环境恶劣，高温高压高载荷的工况条件提高了运转部件不正常磨损引起发动机故障的几率[1]，发动机润滑系统能带走携带故障信息的金属屑末。通过分析滑油中金属屑末的信息可有效检测零部件磨损状态，进而监测航空发动机运行状态，为故障诊断和事故预警提供可靠依据，提高飞机安全性和经济效益。

滑油在线屑末监测器主要由传感器、信号电缆、信号处理单元三部分构成，如图1所示。滑油在线屑末传感器主要由测试线圈、激励线圈共同组成，测试线圈位于两个激励线圈的中央，激励线圈反向串联，交流电驱动激励线圈产生方向相反、大小相同的磁场。测试线圈所处位置内部磁场相互抵消，即接近于零磁场。当金属屑末在油液中流过时，这种平衡被打破，引起磁场变化，测试线圈产生感应电动势。信号电缆将携带屑末信息的感应信号传输到信号处理单元，信号处理单元完成信号的放大解调、特征提取及数据发送。

图1 滑油在线屑末监测器

本文提出一种基于高性能浮点数微处理器TMS320C6713B的金属屑末信号处理软件设计。通过EDMA对A/D采集的传感器原始信号进行数据搬移，采用小波变换对传感器信号进行数字滤波处理，金属屑末检测算法识别传感器信号中金属屑末的大小和类型，经由RS422将传感器原始信号和检测到的屑末信息上传到上位机监测软件。

1 软件结构设计

滑油在线屑末监测器的硬件平台主要由DSP、CPLD、Flash、SDRAM、通信接口及复位电路等组成。使用的程序设计语言为C语言，采用CCS Studio软件平台。采用多通道24位模数转换器(ADC)ADS1274实现双通道同步采样，采样率设置为24 KS/s。采用TI公司的并串转换控制器，选用晶振44.2368 MHz，设置并串转换控制器的波特率寄存器使通信波特率为2.7648 Mbit/s。

滑油在线屑末监测器软件采用模块化设计，软件结构如图2所示。从图中可以看出滑油在线屑末监测器软件主要功能模块有系统初始化、数据采集、信号滤波、屑末检测、数据传输。

图2 滑油在线屑末监测器软件结构图

滑油在线屑末监测器上电后，系统首先进行系统初始化，开启中断，通过EMDA接收A/D转换后的数据，暂存在缓冲区，信号滤波模块获取缓冲区中的数据，依次进行消除信号零偏、静态小波分解、小波阈值调整、小波逆变换；屑末检测模块采用能量函数法识别金属屑末的波形，通过信号的幅值和相位信息判断传感器信号中是否包含真实屑末信号，并计算真实屑末的大小和类型；数据传输模块获取原始信号及金属屑末信息，以定时(100 ms)上传的方式传输给上位机监测软件，软件主流程图如图3所示。

图3 滑油在线屑末监测器软件主流程图

2 软件模块设计

2.1 系统初始化

初始化系统主要是通过CSL提供的API函数来配置系统设备寄存器以满足系统的要求，通过配置相关寄存器来进行各项功能的设置，系统初始化流程如图4所示。系统初始化包括系统配置、初始化向量表、内部锁相环配置以及EDMA配置等，根据系统参数设置控制系统的采样周期和保持周期。

2.2 EDMA处理流程设计

通过CPLD设置A/D工作模式为高分辨率模式，对应帧同步接口协议进行数据采集，转换后的数据通过独立的DOUT引脚以帧同步数据的形式移位输出。

A/D采集到的数据缓存在FIFO中，FIFO状态引脚与C6713B外部中断7连接，当FIFO达到一定状态即外部中断7有中断信号时，同步事件EXTINT7将触发EDMA通过EMIF接口将FIFO中的数据搬移到SDRAM中[2]。这种设计充分利用了C6713B EMIF可以和各种类型存储器进行无缝连接以及EDMA独立于CPU传输数据的特性[3]，EMDA信号传输与处理中断流程图如图5所示。

图5 EMDA处理流程图

利用C6713B EDMA将FIFO中数据搬移至SDRAM并处理，使用hEdmaPing和hEdmaPong双通道EDMA并建立两个数据存储区PingBuffer和PongBuffer。当缓冲区满时发送EXTINT7中断信号启动hEdmaPing将数据搬移到PingBuffer，CPU则在hEdmaPing通道中断服务程序中完成对PingBuffer中数据的FFT运算，同时将通道链接至hEdmaPong，将数据搬移到PongBuffer中，CPU在hEdmaPong通道中断服务程序中完成对PongBuffer中的数据的FFT运算并链接hEdmaPing通道，如此往复，使系统数据搬移和处理连续进行。

2.3 滤波算法设计

本软件数字信号滤波算法采用小波变换算法，小波变换具有对非平稳信号局部化分析的突出优点，有良好的时域定位功能，对突变信号具有很强的识别能力。数据处理过程中，首先对采集到的信号进行预处理，包括去除直流分量和奇异数据[4-5]，之后根据设置的小波滤波层数进行小波分解。本算法采用的分解层数为5层，小波系数的前3层置零，采用迭代噪声方差估计方法对分解得到的每层小波系数进行迭代计算，得到噪声估计方差v-est，根据噪声估计方差计算非置零层的小波阈值并进行小波系数调整，之后进行信号频域到时域的逆变换，恢复有效信号。经以上算法处理后，信号有效剔除了高频噪声信号，并保留有效数据。在滤波算法中为避免因波形不完全带来的漏检，相邻两组数据(每组数据长度为1024个)有256个数据进行重叠处理。

2.4 颗粒检测设计

屑末检测通过非线性能量算子进行初步检测，提取信号波动的波段，之后根据金属屑末幅值和相位的特点筛选符合屑末特征的波段。非线性能量算子能同时利用信号的瞬时频率和幅度信息，其输出正比于输入信号的幅度和频率的乘积，对于离散时间序列信号X(n)，计算公式为：

φ(X(n))=X(n)X(n)-X(n-1)X(n+1)

(1)

式中，X(n)为滤波后的第n个数据；φ(X(n))为能量算子计算后第n个数据。

经过非线性能量算子处理后，屑末位置的信号输出较大，此时设置阈值TNEO就可以初步筛选出屑末的位置，其中TNEO根据式(2)计算得到：

(2)

式中，TNEO为金属屑末筛选阈值；C为常数，此处取2。

通过相位可以判别金属屑末的类型，对铁磁性金属屑末敏感的通道检测的屑末是类余弦信号，对非铁磁性金属屑末敏感的通道检测的是类正弦信号[6]。金属屑末的幅值阈值与最小检出金属屑末的尺寸相关，一般将幅值阈值设置为最小检出屑末电压值的90%。金属屑末的波形是轴对称波形，所以信号的峰值和谷值大小相等，考虑到噪声信号的影响，设置峰值/谷值在[-0.6,1.6]之间，具体实现部分程序如下。

if (indmax>indmin&&x1[indmax]>x2[indmax]) //检测到铁信号

{

val_pp=valmax-valmin;//门限为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;

}

}

}

}

通过标定传感器输出与标准金属屑末之间的对应关系，根据式(3)计算金属屑末的大小。

ra=K×Vpp(ra)b+C

(3)

式中,K、C、b为与系统相关的常数；ra为金属屑末的大小；Vpp(ra)为监测器检测的金属屑末对应的信号峰峰值。

2.5 通信设计

采用TI公司推出的并串转换控制器与DSP的外部EMIF总线直接连接，输出两路相互独立的异步收发器[7]。系统时钟为300 MHz，EMIF总线时钟为100 MHz，接收中断请求信号为INT6，通过高3位地址线进行地址译码；发送中断请求信号为INT15。

通信接口程序主要完成串口波特率的配置及更改，金属屑末信息的发送，即把金属屑末的大小、类型、原始数据等按照通信协议上传。原始数据为24位A/D转换的数据，数据量达到2 MB以上，根据采样率对实时性要求较高。为了降低间隔100 ms RS422总线上传数据占用过多的系统资源，不使用串口发送中断而采用定时器中断上传。

DSP内部有两个32-bit的定时计数器(timer0和timer1)，CLKSRC bit是选择时钟源，为“1”选择的是CPU内部时钟源。每100 ms触发timer0中断服务，启动数据打包功能，将原始数据、BIT信息、屑末信息、CRC校验、和校验放入BUFFER0中，同时拷贝到BUFFER1中等待发送；每4.5 μs触发timer1中断服务，启动单个字符发送。

3 试验验证

试验验证系统由传感器、连接电缆、信号处理单元、NI PXI-8431/8及上位机监测软件组成。按照图1连接以上部件，将196 μm铁磁性金属屑末的原始信号进行滤波处理的结果如图6所示。通过图中可以看出无金属屑末的信号段波形平坦，滤波后的金属屑末峰峰值为0.102 V，信号幅值接近原始信号，滤波算法起到了很好的平滑效果。

图6 滤波算法处理结果

将固定有标准金属屑末(铁磁性金属屑末的尺寸为130 μm、178 μm、305 μm、505 μm；非铁磁性金属屑末尺寸为706μm)的塑封棒沿油液流动的方向穿过传感器，上位机监测软件获取到的金属屑末信息如图7所示。

图7 上位机监测结果

图7监测结果显示检测到的金属屑末的大小为铁磁性金属屑末131 μm、185 μm、329 μm、539 μm；非铁磁性金属屑末为731 μm、738 μm。上位机监测软件界面中实时显示传感器两路输出信号。

4 结束语

滑油在线屑末监测器软件以TMS320C6713B为主处理器，对传感器输出的携带金属屑末的微弱信号进行采集分析，并输出给上位机监测软件。本软件的核心为数字信号滤波和金属屑末识别算法的设计，通过串口实现大数据量的原始数据传输。其中信号滤波采用小波阈值降噪，最大程度地保留了低频的金属屑末信号，去除了高频的噪声信号。根据金属屑末的波形特征进行检波算法的设计，有效剔除虚假屑末信号。试验验证结果表明本软件能够实现金属屑末的实时监测和原始数据上传，降噪效果良好，满足金属屑末检测精度要求。