滚动轴承疲劳寿命试验中连续数据采集卡的设计

陈新，胡栋，严立，郑凯，陈玉华

(1.大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116023；2.瓦房店轴承集团有限公司检测试验中心，辽宁 大连 116300)

滚动轴承疲劳寿命试验是评价轴承疲劳寿命与可靠性的有效手段[1]。除结构设计和材料加工外，试验中的电动机转速、轴承载荷及润滑质量都会影响轴承疲劳失效的判断。在高速、重载的运行条件下，随着失效面积的增大，点蚀、疲劳剥落和塑性变形等轴承常见失效形式会在短时间内相互转化[2]。为判断轴承是否出现疲劳失效，试验中常对轴承振动信号进行周期性采样，获得1组振动数据后分析判断时、频域等特征指标，若未出现疲劳失效，则进行下一周期的振动信号采集与分析。这种间断的周期性采样不利于发现寿命试验中早期疲劳失效。采用连续采样获取完整的轴承振动数据，可提高疲劳失效判断的准确性，同时也可增加采样数据在寿命试验结束后的利用价值。

目前市场上的通用型数据采集卡种类繁多[3]，但并非针对轴承疲劳寿命试验而设计，故用其实现轴承振动信号的连续采样有一定难度。下文介绍的连续数据采集卡可完成试验中的大部分工作，使主机有相对充裕的时间用于疲劳失效诊断。

1 硬件设计

采集卡硬件结构框图如图1所示。信号输入/输出单元以C8051F020单片机为核心，主要实现所有数据的连续采集和试验要求的转速、载荷等控制信号的输出；2片双口RAM用来缓存数据；最后一部分由TMS320系列数字信号处理器构成，主要完成振动信号的时、频域数据处理和采集卡与主机之间的数据传输。这种结构安排便于将软件任务中的信号采集、控制输出以及时、频域处理等部分适当分解细化后直接由采集卡执行完成，以节省主机的处理时间，使其在获取完整数据的同时有足够时间诊断轴承疲劳寿命。下面分别说明组成单元的硬件工作原理。

图1 采集卡硬件结构框图

1.1 信号输入/输出

信号输入/输出单元主要由C8051F020单片机构成，这款单片机与MCS-51指令集完全兼容。C8051F020采用流水线结构设计，峰值性能可达25 MIPS。内部资源包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、电压比较器、DAC、电压基准、电源监视器、看门狗定时器、UART等部件，4K的片内扩展RAM和64K Flash程序存储区，22个中断源，64个外部I/O端口。这些特性使这款单片机尤其适合如轴承疲劳寿命试验的多任务且实时性要求高的场合。

C8051F020自带12位、8位ADC通道各8条。输入/输出信号连线图如图2所示，振动(加速度)、电动机转速和载荷信号与单片机的12位ADC通道AIN0相连；温度信号由于变化范围不大，可用8位ADC通道AIN1输入；轴承径向、轴向载荷控制信号由DAC通道送出；电动机转速控制信号连在电动机控制变频器的串口输入端；其余的开关量如设备的启停信号连接到I/O口上。由于C8051F020资源多，试验中所有信号的采集和输出可由单片机完成。

图2 输入/输出信号连线图

轴承在特定的疲劳寿命试验机上以设定的转速和载荷运转，直至出现疲劳剥落。试验过程中通常用振动方法判断轴承失效剥落[4]。单片机提供的12位ADC通道的最高采样频率为100 kHz，可满足大多数工业轴承疲劳寿命试验要求。C8051F020最快可在8 μs内按顺序分别对4路振动信号采样1次。振动信号采集后，单片机将其放入外部缓存区，不作进一步处理。试验中振动信号的采样频率最高、数据量最大，在保证采样频率不变的前提下，单片机要控制电动机转速和轴承径向、轴向载荷在规定范围内变化，还要上传温度、载荷、转速和开关量等主机所需参数。在连续采集卡硬件设计和软件实现时需分别考虑以上任务的划分和数据处理等问题。

1.2 数据缓存

与周期性采样不同，连续采样中间不会停下来。试验目的和信号性质不同，则采样频率也不一样。需要密集采集的是振动数据，为避免出现数据瓶颈，连续采集卡需要1个数据缓存区。通过估算每次传输的振动数据量，即可确定缓存容量。若以16K为1组振动数据的计算长度，4路振动信号共需64K空间，而这期间的温度、转速和载荷等需上传的参数数量远低于振动信号，因此128K空间足以满足全部数据的缓存需求。

数据缓存单元由2片64K×16bit的IDT70V28L高速双口RAM构成，IDT70V28L最大访问速度可达20 ns，支持片内存储单元的独立访问和分块访问。数据缓存单元结构如图3所示，缓存单元左侧连接C8051F020单片机，右侧为数字信号处理器。单片机控制片选R/WL和读写CE1L信号，通过总线将每次采集的振动数据放入缓存区。当64K的最后2个字节放入缓存区后，单片机利用连接在I/O上的数字信号处理器的中断信号发出读取通知，随后将振动数据保存的目的地址指向另一片IDT70V28L。单片机高速采样时完成4路共64K的振动数据采集不超过170 ms，这一时间内需要上传的温度、载荷、速度和开关量等其他参数的总量并不大，单片机可将其放入内部扩展内存中暂存。同时，数字信号处理器利用块操作方式迅速将振动数据取出，在收到数据传输结束的中断信号后，单片机利用速度优势把内部扩展内存中的其他上传数据放入这片暂时空出的IDT70V28L内，在单片机将下一个64K数据准备好之前，数字信号处理器也会将这些数据取出上传。2个处理器重复前面的操作处理过程，缓存单元即可保证连续采样数据顺利传输。另外，试验开始前，主机发给单片机的试验参数也要通过缓存单元传递。由于缓存单元左右两侧的单片机和数字信号处理器利用握手信号线事先联络，双口RAM不会出现竞争现象，连线也较简单。

图3 数据缓存单元结构

1.3 数字信号处理

信号输入/输出已由单片机完成，在数据上传给主机之前，若时域振动信号转换成频域的计算过程可在连续数据采集卡上完成，则主机有更多时间用于疲劳剥落的在线识别。为满足连续采样和实时计算要求，选择TMS320DM642(DM642)数字信号处理器(DSP)来进行此部分运算。DM642是TI公司C6000系列中的定点DSP，具有处理速度快和编程灵活等特点。

数字信号处理单元结构如图4所示。DM642通过可配置的主机接口(HPI)与缓存单元的双口RAM相连，通用输入/输出端口(GPIO)的外部中断引脚与单片机的I/O口相连，另一条连至单片机的外部中断，这2条线是DSP与单片机之间通过双口RAM传递数据的握手信号线；DM642外接扩展SRAM和Flash程序存储器，DM642的外部存储器接口(EMIF)能与多数同步、异步存储器无缝连接；连续采集卡与上位机之间的数据传输通过DM642内嵌的PCI接口实现，DM642使用DMA方式向主机传递数据。主机在试验开始和结束时也通过PCI总线接口下发试验参数和结束指令。

图4 数字信号处理单元结构

在寿命试验中通常需对振动数据进行时-频转换。当缓存区的振动数据达到一定量(如64K)时，DM642使用块传输指令将数据导入内存，在较短时间内完成计算。DM642采用增强的并行机制，工作在720 MHz的时钟频率下，处理速度最高可达5 760 MIPS。信号处理器的结构特性和计算速度可保证振动数据的变换处理、所有数据的上传和试验参数下发都在规定时间内完成。

2 软件实现

采集卡上有2个微处理器芯片同时工作，单片机负责采样和控制，数字信号处理器主要实现振动信号的时-频转换和数据传输。

单片机主程序框图如图5所示。试验开始前，主机通过PCI接口下发采样频率、转速谱、载荷谱和控制精度等相关试验参数，DM642将其传输到双口RAM，随即触发单片机的外部中断。单片机根据接收的参数配置好自身资源后，发信号经DM642通知主机试验开始，随后单片机启动试验设备，设备试运转阶段完成后，进入试验主程序的循环执行阶段。单片机先按顺序分别采集多路振动数据，并将数据存入双口RAM，然后将本次循环内满足执行条件的任务插入任务队列并依次执行。主程序的循环周期由内部定时器按照振动信号的采样频率事先计算出的时间参数来控制，而温度采集、开关量的输入/输出及转速、载荷的调整等任务没有耦合性，无需每个周期都执行1次，排序过程就是在这些任务中挑选需要执行的任务，合理安排1个主循环内需要执行的任务数量，确保振动信号高速采集后仍有足够时间完成需要处理的任务。任务完成后主循环的空闲时间必须调用休眠指令，以保证循环内的振动信号按设定频率连续采样。程序开始处的休眠由试验参数下传时DM642触发的外部中断唤醒，这里的休眠由定时器唤醒后进入下一次循环，重复前面的操作过程。另外，振动采样的循环过程只能被主机发出的试验结束指令中断，接收确认后，单片机发出指令停止设备运行，返回开始的休眠状态，等待主机唤醒后，进行下一次试验。

图5 单片机主程序框图

如上所述，另一个处理器DM642在试验开始时将PCI总线接收到的数据传给单片机，试验开始后DM642也执行自身的循环主程序，DM642主程序框图如图6所示。当满足数据传输条件后，DM642使用块传输指令先将振动数据放入自身内存，然后进行时-频转换计算，若数据块含有4路振动数据，则这样的转换计算要重复4次。DM642通过PCI接口以DMA方式将转换后的振动信号的频域数据和原始的时域数据上传主机，然后DMA再自动上传这段时间内的温度、转速和载荷等其他参数。当主机识别出疲劳剥落时，会通过PCI总线下发试验结束指令，终止这一循环过程。由于DM642运行速度比单片机快很多，也可以在时-频转换计算前再适当完成一些滤波算法的计算。

图6 DM642主程序框图

试验开始后主机根据上传数据进行在线识别运算，只有发现疲劳剥落现象才主动要求试验设备停止运行。DM642利用内部中断捕获到试验结束指令后，立即通知单片机停止试验，单片机确认后停止设备运行，试验结束。

3 结束语

从任务划分和安排的角度介绍了轴承疲劳寿命试验中连续数据采集卡的硬件设计和软件实现情况，对振动信号采样数据精度要求高于12位的试验场合可使用高精度A/D转换芯片与单片机结合的方式降低设计成本。实际应用中，连续数据采集卡性能明显优于通用型数据采集卡，试验中疲劳剥落点尺寸低于国标要求。