基于嵌入式系统的机械设备点检仪研制

西安科技大学硕士学位论文基于嵌入式系统的机械设备点检仪研制姓名：张迎伟申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：郭卫2011论文题目：基于嵌入式系统的机械设备点检仪研制专业：机械制造及其自动化硕士生：张迎伟(签名)指导教师：郭卫(签名)摘要设备点检是一种按照预先制定的技术标准，借助于检测工具，按着计划定时、定点、定流程对设备进行监测和管理的方法，是保证企业安全生产、减少企业损失的有效途径。目前，国内外点检仪均属于通用仪器，可实现对观察量、抄表量以及温度、振动等常规参数的检测，而针对不同的应用领域和特定的工业场合灵活性不够，无法满足个性化的需求。本文采用高性能ARM7处理器和μC/OS-II嵌入式实时操作系统，开发一种可定制、可剪裁、便携式、集数据采集与数据处理为一体的个性化点检设备。该仪器可监测设备振动、温度以及其它参数，可实现故障的实时监测与预报警、在线或离线诊断，可针对不同用户个性需求进行定制等。本文主要完成以下工作：（1）在系统的研究和分析国内外点检仪发展现状的前提下，针对点检设备的个性化需求出发，在深入研究点检管理制度和嵌入式系统开发流程的基础上，完成了点检仪的需求分析与功能设计。（2）在综合比较常用处理器和操作系统的特点及应用的基础上，结合点检仪的功能，选定LPC2148芯片和μC/OS-II操作系统作为系统的主控芯片与软件环境；对常用温度传感器和振动传感器进行综合比较，选定红外传感器和内置集成电路的压电式传感器(ICP传感器)采集温度和振动信号；规划出系统总体框架、硬件结构和软件方案。（3）完成硬件电路的设计，包括液晶接口、电源供电、USB接口、SD卡接口、键盘接口、信息纽扣（iButton）接口电路、传感器接口、报警电路、滤波电路等。（4）阐述了傅里叶变化在信号处理中的应用，开发基于μC/OS-II操作系统的驱动程序，完成功能模块软件程序的设计，包括信息纽扣读取、窗口管理、按键扫描、图形显示、数据存储、故障处理等任务。（5）对点检仪功能模块进行了验证,并进行了性能实验，实验表明：点检仪实现了设计的功能，硬件和软件的设计是可行和合理的。本文提出的点检仪设计方案是可行的，能实现对设备温度、振动等参数的监测，完成设备的日常点检，可满足用户的定制以及工业现场的应用。关键词：嵌入式系统；点检；ARM7；LPC2148；μC/OS-II研究类型：应用研究Subject:DesignofSpotInspectionInstrumentforMechanicalEquipmentBasedonEmbeddedSystemSpecialty:MechanicalManufacture&AutomationName:ZhangYingwei(Signature)Instructor:Prof.GuoWei(Signature)ABSTRACTSpotinspectionofequipment,whichusespre-establishedtechnicalstandards,isamethodtomonitorandmanagetheequipmentsaccordingtotheprogramwithfixedtiming,site,processandthehelpoftestingtools.Itisaneffectivewaytoensuresafeproductionandreducebusinesslosses.Atpresent,domesticandinternationalspotinspectioninstrumentsbelongtothecommonapparatuswhichcanchecktheconventionalparameterssuchasobservationalvolume,measurement,temperatureandvibration.Butitdoesn’thaveenoughflexibilityfordifferentapplicationsandindustries,andcan’tsufficeindividualneeds.Inthispaper,usinghigh-performanceARM7processorandμC/OS-IIRTOS,wedevelopedanindividualandportablespotinspectionequipmentwithintegrationofdataacquisitionanddateprocessingwhichcanbecustom-tailorandcut.Thisinstrumentcanmonitorvibrationandtemperatureofequipmentsandotherenvironmentalparameters,canachievereal-timemonitoring,pre-alarmandonlineorofflinediagnosticsforthemechanicalfailure，canbecustomizedtosufficeindividualneedsofdifferentusers.Thisarticlecompletedthefollowingtasks.Frist,researchingandanalysisingthedevelopmentofdomesticandinternationalstatusofspotinspectioninstrument,itfinishedtheneeds’analysisandthefunctionaldesignbasedontheresearchofspotinspectionmanagementalsystemandprocessofembeddedsystem,whichaimedatindividualneedsofspotinspectionequipment.Second,basedoncomparingfeaturesandapplicationsofcommonlyusedprocessorsandoperatingsystems,consideringtheinstrument’sfunction,thisarticleselectedLPC2148chipasthecontrolchipandμC/OS-IIoperatingsystemassoftwareenvironment.Itadoptedinfraredsensorandintegratedcircuitpiezoelectricsensor(ICPsensors)tochecksignalsoftemperatureandvibration,whileafteracomprehensivecomparisonoftemperaturesensorsandvibrationsensors.Thenitplanedoutthehardwareframeworkandsoftwaresolution.Third,itcompletedthedesignofhardware,includingLCDcircuits,powersupply,USBinterface,SDcardinterface,keyboardinterface,iButtoninterface,sensorinterface,alarmcircuits,filtercircuits,etc.Fourth,thispaperdescribedtheapplicationoffouriertransforminsignalprocessing,designedthedriverprogrambasedonμC/OS-IIoperatingsystem,completedthedesignofsoftwaremodules,includingreadingiButton,managingwindows,scanningkeys,displayinggraphic,storingdatas,handlingfaultsandothertasks.Finally,thisarticleverifiedfunctionalmodulesofspotinspectionandmadeexperimentsonperformanceoftheinstrument.Thereslutsshowedthatspotinspectioninstrumenthadachievedthedesignedfunction,andthedesignsofhardwareandsoftwarewerefeasibleandreasonable.Theproposeddesignofspotinspectioninstrumentisfeasible.Itcanachievethemonitoringsoftemperature,vibrationandotherparameters,completethedailyinspectionofequipmentsandbecustomizedtomeetuserandindustrialapplications.Keywords:EmbeddedSystemSpotinspectionARM7LPC2148μC/OS-IIThesis:Applicationresearch1绪论11绪论1.1选题背景及意义随着工业和科技的不断发展，机械设备的可靠性、可用性和安全性的问题日益突出，促使人们不断重视对机械设备状态的监测，设备的故障预测在生产过程中的重要作用也日益明显。另一方面企业的效益和生产效率直接与设备的故障率息息相关，设备一旦因故障而停机将会对企业造成巨大的经济损失，甚至会造成人员伤亡，而开展针对机械设备的点检与巡检工作是降低设备的故障率、减少企业损失的重要途径与方法。设备在产生故障之前会出现一定的特性，通过检测和分析其状态参数，能及时把握设备的状态，进而消除设备的安全隐患和预防设备故障的发生。这需要将先进的技术手段和有效的管理方法结合起来，在现场执行起来就是设备的点检和定检[1]。点检是指利用人的五官或简单的仪器工具，按照预先设定的方法、标准，定点、定周期的对设备关键部位进行检查，查出设备的隐患和潜在缺陷，掌握故障的初期信息及时采取对策将故障消灭于萌芽状态的一种设备检查方法[2]。所谓“点”，是指需要监测设备的关键部位，通过检查这些“点”，就能及时、准确地获取设备运行状态的信息，它不同于设备巡检。设备巡检的方法是设备操作人员对自己所管辖的设备按照巡检表的规定定期对设备运行状况进行巡回检查[2]，对设备是否在运行、是否出现故障等进行标记与记录。这种方法存在一定的安全隐患，如果设备出现不是很明显的故障，工作人员根本无法及时发现，等设备出现异常时造成的损失是不可避免和无法预计的，因而巡检的方法有待进一步完善。设备点检是比设备巡检要求更高的一种运行监控方法，它要求操作人员通过一系列的点检项目的检查，利用点检方法和对应的判定标准，判断出设备是否存在潜在的故障，找出设备的隐患和潜在缺陷，并与以消除。这就要求操作人员一方面要熟悉每台设备上需要检测的关键点；另一方面必须掌握每个点的检查方法和正常运行情况下设备运行参数的范围；最后操作人员必须掌握异常情况下的应对措施或处理方法。由此可见，设备点检更是一种管理方法。在设备运行阶段，以点检为主要手段建立设备点检管理系统，能够及时的掌握设备的运行状态，及时发现设备故障和提供必要的维修，有效防止设备的“过维护”或“欠维护”，减少设备的故障率[3]，从而减低操作人员的工作强度和为此支付的维护费用。同时，针对不同设备，可以制定集设备检测、故障处理、信息存储、故障预防等为一体的一套科学的点检管理制度，实现不同设备采用对应的检测方法，并可根据设备特点提前制定点检计划、点检周期以及点检路线等。这样就可按照计划有序的开展点检