基于LXI技术的网络化旋转机械振动监测系统设计

基于LXI技术的网络化旋转机械振动监测系统设计杜金榜,王跃科,潘仲明,钟小鹏（国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073）摘要：文章针对远程网络化旋转机械振动监测需求，按照LXI技术规范，借鉴IEEE-1451网络智能传感器标准，基于DSP和FPGA等数字化技术，对服务于旋转机械振动监测的网络化ATS总体和LXI采集处理设备进行了方案设计。着重介绍了基于以太网供电技术的LAN端口与自封装电源的一体化设计、数字化测试中的模拟前端经典实现方法以及基于多DSP并行处理的实时处理中心设备STIM单元设计。关键词：网络化振动监测系统;LXI采集处理设备;STIM单元1前言随着测试、计算机、微电子、通信以及网络技术的不断发展，按结构、功能和形态划分，自动测试系统也经历了从基于过程信号连续录波、以磁带记录仪和数字存储示波器为代表的第一代台式GPIB系统，以VXI/PXI系统为代表的第二代紧凑型ATS以及基于LXI技术的第三代网络分布式ATS[1]。基于LXI技术的网络化测控系统是下一代自动测试系统的理想解决方案，可最大限度地降低ATS的组建、开发、维护、替换和升级成本。图1所示为基于LXI的网络化测控系统经典体系结构。远程监控诊断中心可进行专家联合会诊和自学习，进行复杂的数据分析、状态监测与智能诊断，通过以太网络把结果反馈给现场测控设备。现场测控设备完成现场数据采集和初步的特征提取与数据处理，既可以是传统现场总线式产品如GPIB/VXI/PXI系统，也可以是网络仪表、网络传感器和网络PLC等。其中通信控制器主要实现LAN与UART、CAN、RS485、USB、EPP等现场总线通信接口的协议转换。浏览器和监控设备允许通过HTTP查看或调度系统资源信息，优化系统整体运作，可在任何地方访问现场测控设备。交换式以太网是通信控制与数据交换的主通道，迅猛发展的企业局域网络和吉比特以太网技术为高速、低成本、分布式、灵活通信传输控制提供了现实的可能性。监控设备远程监控诊断中心互联网数据库网桥现场测控设备现场测控设备通信控制器现场总线现场测控设备SwitchEthernet浏览器浏览器图1基于LXI的网络化测控系统体系结构2总体设计思路针对大型旋转机械振动信号综合测试中多种类传感器信号程控调理、多路并行同步和高速连续数据采集、海量数据实时压缩处理和同步传输与备份存储等综合性能要求，密切关注国际测试技术领域的发展前沿，基于多DSP并行处理、FPGA、MC3一体化、先进IC等技术，按照LXI网络化测控系统技术规范，借鉴IEEE-1451网络智能传感器标准[2]，从服务于旋转机械振动信号综合测试和实时数据压缩处理的需求出发，按照“通用化、模块化、系列化、标准化”原则，设计了基于LXI及时的远程网络式旋转机械振动监测系统，系统体系结构如图2所示。按功能划分主要包括LXI采集处理设备、LXI海量数据存储设备和LXI实时处理中心设备等。各种LXI设备通过以太网络(Ethernet)或光纤通信网络，基于数据存储－转发机制的网络交换机(Hub)，建立起与本地客户机和远程测控服务中心的通信控制与数据交换。基于现有的基础信息网，经济、快捷地实现测控设备的接入。系统实现的核心和关键是LXI设备的开放性、模块化和标准化设计[3]。3LXI设备设计按照电子仪器开放式体系结构规范和“软硬件一体化”的设计思路，基于高性能DSP和FPGA等数字化技术，融合IEEE-1451网络智能传感器标准(核心是STIM、TEDS和NCAP)和LXI技术规范的开放性LXI采集处理设备原理如图3所示。基于网络智能传感器接口模块(STIM)技术规范，传统传感器输出信号经高性能模拟前光纤(n公里)网线(100米)交换机/集线器客户机LXI海量存储设备LXI实时处理中心光纤收发器光纤收发器光纤Ethernet网络EthernetLXI采集处理设备LXI采集处理设备交换机/集线器数据库数据库远程测控服务中心图2基于LXI的网络化旋转机械远程振动监测系统体系结构FLASHSDRAMFPGA主控DSP监控调试LXI总线接口电源触发总线LAN接口EthernetLXITriggering信号变换ADC/测频信号调理AFE传统传感器IEEE1451逻辑TEDSSTIMNCAP图3LXI采集处理设备原理框图端调理(AFE)和信号变换模块(ADC模数变换与CNT脉冲量测频计数)实现自动量程切换、自动采样以及自辨识、自诊断和自校准的同时，检测信息以标准格式－变送器电子数据表(TEDS)输出，实现通过网络发布和共享检测信息的能力。以DSP和FPGA为核心的网络匹配处理器（NCAP）模块同时实现数据存储、记忆与判断决策（控制）、实时处理及LXI总线接口等功能。开放性、模块化结构设计便于继承已有的“系统就绪化”成果，例如用基于CF卡或固态电子盘的海量数据存储模块替换STIM单元，即可实现用于高速旋转机械现场海量测试数据备份存储的LXI海量数据存储设备(“网络盘”)。用于全系统协同管理和数字信号综合处理的实时处理中心设备STIM单元则可采用基于DSP-SLC的多DSP并行处理系统实现。文章着重对基于以太网供电(PoE)技术的LAN端口与自封装电源的一体化设计、模拟信号前端(AFE)调理模块经典设计方法和基于多DSP并行处理的实时处理中心设备STIM单元设计进行介绍。3.1基于PoE技术的LAN端口与自封装电源的一体化设计基于IEEE-802.3af规范，采用通过以太网在传输数据的同时输送DC电源的方法，安全、可靠地将PoE技术引入LXI分布式测控网络。各LXI设备通过即插即用的标准RJ-45插口实现独立供电和Ethernet接入：每个LXI设备均可由其自己的48VDC电源供电，最大允许功耗为15.4W。以太网供电交换机(PoE-Hub)可对每个LXI设备的用电进行单独管理，大大简化了系统布线，节省了大量成本和空间，且利于电源集中使用和管理。如图4所示，以太网供电交换机就是在传统交换机(Hub)的基础上增加48VDC电源系统和供电设备(PSE)控制器，PSE控制器负责将电源注入以太网线，并实施功率的规划与管理。其中在信号线对之间传输电力时，48V电源通过向网络隔离耦合变压器的中间抽头供电以共模电压方式施加在双绞线上，对于差分数据信号没有影响，并且由于耦合变压器的隔离，也不会对数据收发器产生影响。LXI设备端通常用受电设备(PD)接口控制器接收电源和实现自动极性转换。在传输数据所用的CAT-5电缆对(1/2与3/6)之上同时传输直流电，这样就确保交换机端口同时允许千兆以太网(GigabitEthernet)和以太网供电(PoE)共存，可提供10/100/1000Mbps三种速度的连接。另外设计AC电源适配器接口，方便LXI设备MAC(网络交换层)PHY(网络物理层)主处理器网络隔离变压器RJ-45EthernetCAT-5线缆RJ-45PHY(网络物理层)主处理器PD接口控制器DC/DC转换器PSE控制器网络隔离变压器48VDC电源以太网供电交换机(PoE-Hub)LXI设备接口模块（电源&LAN）AC电源适配器口图4PoE系统与LAN接口模块原理结构框图的独立调试：可通过跳线器手动选择或继电器程控选择PoE或AC适配器供电方式。3.2模拟前端调理模块(AFE)经典设计方法(1)数据采集AFE设计:基于“开放性、数字化、集成化、可程控”的设计思想和模拟开关(MUX)、程控增益放大(PGA)、数控电位器(DCP)、数模转换器(DAC)、现场可编程门阵列(FPGA)等先进IC技术的高性能数据采集AFE经典实现如图5所示，主要包括预选滤波与模拟选择、程控放大、程控衰减、抗混叠滤波、直流电平偏置、自校准等功能单元[5]。经典AFE模块可作为一个独立的单元通过I2C总线接受NCAP或FPGA的程控选择，在将大动态范围（±10V）电压信号智能调理到ADC最佳输入范围的同时，实现通道功能自检和自动校准。直流准确度可达到0.01％FS，前端可编程增益范围大（1/100～1000），且集成度高、程控接口简单、通用性好、可移植性强，在ATS和网络智能传感器等领域有广泛的应用价值。(2)测频/计数AFE设计:测频/计数AFE主要实现大动态范围（如带宽:1Hz~50MHz,幅值±50V）的旋转机械轴系转速信号等脉冲量到标准TTL电平矩形波的智能调理[6]。传统设计是如图6(a)所示的基于电阻电容衰减网络与宽带放大器的程控调理电路。直流隔离和滤波电路滤除高频干扰与直流成分。程控电阻电容衰减网络由耐压值较高的继电器与阻抗匹配的电阻电容组成，主要实现大带宽和幅值范围模拟信号的程控衰减。继电器的吸合是基于MPU对半波整流和峰值检测电路输出的近直流信号进行采集与综合判别。基于场效应管和稳压管的限压保护与阻抗隔离电路防止过大信号击穿后面的器件，保证前端衰减网络的输出阻抗不会影响运算放大器的正常工作。以高性能运算放大器为核心，设计K倍宽带放大和通道凋零电路。半波整流电路滤除宽带放大器输出的以零电平为中心的交流信号的负半周部分，再经过低阈值电压的施密特触发器即可产生了TTL电平的矩形波。电路(a)的优点是能够自动识别测频输入信号的幅度大小、并根据信号输入幅度自动调整（MPU程控）衰减网络的衰减倍数（继周期信号(a)基于R&C衰减网络与宽带放大器的大动态范围测频/计数程控模拟前端调理电路经典设计隔直滤波阻抗匹配程控R&C衰减网络限压保护阻抗隔离宽带放大器×KADCMPU峰值检测TTL信号触发整形半波整流隔直滤波阻抗匹配限压保护缓冲整形高速比较分压限流周期信号TTL信号隔直滤波阻抗匹配限压保护缓冲整形高速比较分压限流(b)基于高速过零比较器的大动态范围测频/计数模拟前端调理电路经典设计CNTx图6测频/计数AFE经典设计ADCxGNDCALINx预选滤波MUXPGAx直流偏置DCPxZEROx输入选择增益控制衰减控制FPGA之AFE控制CALZEROxDACSPIFPGA参考源输出采样控制桥源电路图5数据采集AFE经典设计电器网络），具有较强的智能性。缺点是系统过于复杂，当信号带宽较大时电阻电容网络难以匹配。可采用基于限压保护与高速过零比较器的大动态范围计数器模拟前端调理电路，如图6(b)所示，可自动将大动态范围的周期性正弦波、三角波和锯齿波信号调理成标准TTL电平的矩形波信号输出。3.3基于多DSP并行处理的实时处理中心设备STIM单元设计并行DSP处理系统的设计是一门综合性很强的应用领域，涉及到算法研究、VLSI设计理论、系统结构、网络拓扑等多个方面。多DSP并行处理系统设计的核心是实现多个处理单元(DSP)之间的通信控制及数据交换，即如何建立起多DSP之间的SLC[7]。多DSP－SLC从网络拓扑结构上可以划分为点对点的连接、菊花链连接、串行连接等方式，通常有以下五种结构形式：基于串行连接(SCI、I2C、SPI及SPORT等)的并行处理系统、基于IDMA或HPI的并行处理系统、基于LinkPort的并行处理系统、基于Share-inBus的并行处理系统以及基于“数据缓冲池”(DPRAM、双向FIFO对及网络交换机等)存储-转发机制的并行处理系统，多DSP并行处理系统网络拓扑结构如图7所示。4结束语总之，LXI系统可以实现五大目标：①非常长的产品和系统支持周期，应用软件不再依赖于特定的硬件；②小巧的系统体积，不包含多余的显示、输入和其它辅助部件；③测试功能清晰明确，仪器界面一致，升级快捷方便；④仪器系统的寿命与服务对象的寿命保持一致；⑤测量硬件与测量技术没有直接联系。展望未来，随着微电子和测试技术发展，计算机与仪器技术的进一步融合，仪器的易操作性、易升级性、测量功能、数据处理和分析能力，都将达到前所未有的高度。基于LXI技术的开放式、网络化测控系统，由于具有传统ATS所不具备的优势，将缓解未来日益复杂的综合测试和维护成本的压力，代表着ATS的未来。参考文献[1]季晓亮，谭业双.测试总线的发展及性能比较[J].电测与仪表.2006.4.[2]孙震，