基于DSP+MCU的列車滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

O 引言
滾動(dòng)軸承是列車轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)件的支撐，也是鐵路車輛上最容易危及行車安全的易損件。由于工作面接觸應(yīng)力的長(zhǎng)期反復(fù)作用，極易引起軸承疲勞、裂紋、壓痕等故障，導(dǎo)致軸承斷裂，造成重大事故。軸承工作狀態(tài)是否正常，對(duì)于列車的安全有著重大的影響。因此，開展列車滾動(dòng)軸承故障診斷的研究對(duì)避免重大事故、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有相當(dāng)大的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 硬件系統(tǒng)
振動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)，需要對(duì)較復(fù)雜的信號(hào)進(jìn)行處理。考慮到單片機(jī)的控制功能強(qiáng)，其總線位數(shù)少，運(yùn)行速度相對(duì)較慢；而DSP(Digital Signal Processor)的運(yùn)算能力強(qiáng)，總線寬度寬，控制功能相對(duì)較弱。為了提高系統(tǒng)的信號(hào)處理速度，便于對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件的進(jìn)一步開發(fā)，結(jié)合單片機(jī)的控制能力，設(shè)計(jì)了DSP+MCU的方案，如圖1所示。該系統(tǒng)是一個(gè)基于定點(diǎn)DSP芯片TMS320C32的滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)，主要適用于對(duì)滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和故障診斷，并通過軸承溫度信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)屬于高頻信號(hào)，因此應(yīng)用加速度傳感器進(jìn)行信號(hào)的拾取。但由于加速度傳感器所測(cè)得的信號(hào)較弱，必須經(jīng)過電荷放大器、抗混濾波等系列電路處理后才能進(jìn)入高速A／D轉(zhuǎn)換電路，保證了數(shù)據(jù)分析所需的數(shù)據(jù)量，能實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的幅值域、時(shí)域和頻域分析。處理后的振動(dòng)信號(hào)和經(jīng)單片機(jī)采集到的溫度數(shù)據(jù)均送到DSP處理器進(jìn)行處理分析，作出故障預(yù)報(bào)和診斷。對(duì)已形成的或正在形成的故障進(jìn)行分析處理，判斷出故障產(chǎn)生的部位及原因，并及時(shí)采取有效的措施。單片機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行顯示和DSP子系統(tǒng)的控制功能，包括DSP的命令解釋、數(shù)據(jù)傳輸控制、數(shù)據(jù)的輸入／輸出等控制功能，使DSP可以執(zhí)行高速、實(shí)時(shí)的DSP算法。存貯器包括程序儲(chǔ)存器和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，用于儲(chǔ)存用戶程序(EPROM)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(RAM)。
1．2 軟件系統(tǒng)
軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，使系統(tǒng)的維護(hù)、改進(jìn)和功能擴(kuò)展十分方便，還可進(jìn)一步推廣到其他振動(dòng)信號(hào)的采集和分析。
1．2．1 系統(tǒng)軟件主程序
軸承故障診斷系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，因此軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響數(shù)據(jù)處理的能力。系統(tǒng)軟件由主程序、串行口中斷服務(wù)、INT0中斷服務(wù)程序和數(shù)據(jù)處理程序組成。主程序完成AD574A芯片初始化、8751H的初始化、TMS320C32復(fù)位、包括從FLASH存儲(chǔ)器中讀取已經(jīng)存入的振動(dòng)信號(hào)的各種信息。完成初始化過程后，TMS320C32等待從875lH主處理器發(fā)出的各種命令，根據(jù)不同命令調(diào)用相應(yīng)的處理子程序，系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。中斷服務(wù)程序每隔10 ms中斷一次，并置各種定時(shí)到達(dá)標(biāo)志以便主程序判斷使用。串行中斷服務(wù)程序主要完成振動(dòng)信號(hào)的輸入、輸出等功能。INT0中斷服務(wù)程序主要用于接收從8751H發(fā)出的各種命令，并設(shè)置相應(yīng)的命令標(biāo)志以便于TMS320C32在主程序中識(shí)別并調(diào)用相應(yīng)的子程序。