基于DSP的滑油在線屑末監測器軟件設計

(1.航空工業北京長城航空測控技術研究所，北京 101111； 2.狀態監測特種傳感技術航空科技重點實驗室，北京 101111；3.中國人民解放軍 95855部隊，北京 102600)

隨著航空技術的不斷發展，開始追求高性能低成本的發動機，由于發動機零部件工作環境惡劣，高溫高壓高載荷的工況條件提高了運轉部件不正常磨損引起發動機故障的幾率[1]，發動機潤滑系統能帶走攜帶故障信息的金屬屑末。通過分析滑油中金屬屑末的信息可有效檢測零部件磨損狀態，進而監測航空發動機運行狀態，為故障診斷和事故預警提供可靠依據，提高飛機安全性和經濟效益。

滑油在線屑末監測器主要由傳感器、信號電纜、信號處理單元三部分構成，如圖1所示。滑油在線屑末傳感器主要由測試線圈、激勵線圈共同組成，測試線圈位于兩個激勵線圈的中央，激勵線圈反向串聯，交流電驅動激勵線圈產生方向相反、大小相同的磁場。測試線圈所處位置內部磁場相互抵消，即接近于零磁場。當金屬屑末在油液中流過時，這種平衡被打破，引起磁場變化，測試線圈產生感應電動勢。信號電纜將攜帶屑末信息的感應信號傳輸到信號處理單元，信號處理單元完成信號的放大解調、特征提取及數據發送。

圖1 滑油在線屑末監測器

本文提出一種基于高性能浮點數微處理器TMS320C6713B的金屬屑末信號處理軟件設計。通過EDMA對A/D采集的傳感器原始信號進行數據搬移，采用小波變換對傳感器信號進行數字濾波處理，金屬屑末檢測算法識別傳感器信號中金屬屑末的大小和類型，經由RS422將傳感器原始信號和檢測到的屑末信息上傳到上位機監測軟件。

1 軟件結構設計

滑油在線屑末監測器的硬件平臺主要由DSP、CPLD、Flash、SDRAM、通信接口及復位電路等組成。使用的程序設計語言為C語言，采用CCS Studio軟件平臺。采用多通道24位模數轉換器(ADC)ADS1274實現雙通道同步采樣，采樣率設置為24 KS/s。采用TI公司的并串轉換控制器，選用晶振44.2368 MHz，設置并串轉換控制器的波特率寄存器使通信波特率為2.7648 Mbit/s。

滑油在線屑末監測器軟件采用模塊化設計，軟件結構如圖2所示。從圖中可以看出滑油在線屑末監測器軟件主要功能模塊有系統初始化、數據采集、信號濾波、屑末檢測、數據傳輸。

圖2 滑油在線屑末監測器軟件結構圖

滑油在線屑末監測器上電后，系統首先進行系統初始化，開啟中斷，通過EMDA接收A/D轉換后的數據，暫存在緩沖區，信號濾波模塊獲取緩沖區中的數據，依次進行消除信號零偏、靜態小波分解、小波閾值調整、小波逆變換；屑末檢測模塊采用能量函數法識別金屬屑末的波形，通過信號的幅值和相位信息判斷傳感器信號中是否包含真實屑末信號，并計算真實屑末的大小和類型；數據傳輸模塊獲取原始信號及金屬屑末信息，以定時(100 ms)上傳的方式傳輸給上位機監測軟件，軟件主流程圖如圖3所示。

圖3 滑油在線屑末監測器軟件主流程圖

2 軟件模塊設計

2.1 系統初始化

初始化系統主要是通過CSL提供的API函數來配置系統設備寄存器以滿足系統的要求，通過配置相關寄存器來進行各項功能的設置，系統初始化流程如圖4所示。系統初始化包括系統配置、初始化向量表、內部鎖相環配置以及EDMA配置等，根據系統參數設置控制系統的采樣周期和保持周期。

2.2 EDMA處理流程設計

通過CPLD設置A/D工作模式為高分辨率模式，對應幀同步接口協議進行數據采集，轉換后的數據通過獨立的DOUT引腳以幀同步數據的形式移位輸出。

A/D采集到的數據緩存在FIFO中，FIFO狀態引腳與C6713B外部中斷7連接，當FIFO達到一定狀態即外部中斷7有中斷信號時，同步事件EXTINT7將觸發EDMA通過EMIF接口將FIFO中的數據搬移到SDRAM中[2]。這種設計充分利用了C6713B EMIF可以和各種類型存儲器進行無縫連接以及EDMA獨立于CPU傳輸數據的特性[3]，EMDA信號傳輸與處理中斷流程圖如圖5所示。

圖5 EMDA處理流程圖

利用C6713B EDMA將FIFO中數據搬移至SDRAM并處理，使用hEdmaPing和hEdmaPong雙通道EDMA并建立兩個數據存儲區PingBuffer和PongBuffer。當緩沖區滿時發送EXTINT7中斷信號啟動hEdmaPing將數據搬移到PingBuffer，CPU則在hEdmaPing通道中斷服務程序中完成對PingBuffer中數據的FFT運算，同時將通道鏈接至hEdmaPong，將數據搬移到PongBuffer中，CPU在hEdmaPong通道中斷服務程序中完成對PongBuffer中的數據的FFT運算并鏈接hEdmaPing通道，如此往復，使系統數據搬移和處理連續進行。

2.3 濾波算法設計

本軟件數字信號濾波算法采用小波變換算法，小波變換具有對非平穩信號局部化分析的突出優點，有良好的時域定位功能，對突變信號具有很強的識別能力。數據處理過程中，首先對采集到的信號進行預處理，包括去除直流分量和奇異數據[4-5]，之后根據設置的小波濾波層數進行小波分解。本算法采用的分解層數為5層，小波系數的前3層置零，采用迭代噪聲方差估計方法對分解得到的每層小波系數進行迭代計算，得到噪聲估計方差v-est，根據噪聲估計方差計算非置零層的小波閾值并進行小波系數調整，之后進行信號頻域到時域的逆變換，恢復有效信號。經以上算法處理后，信號有效剔除了高頻噪聲信號，并保留有效數據。在濾波算法中為避免因波形不完全帶來的漏檢，相鄰兩組數據(每組數據長度為1024個)有256個數據進行重疊處理。

2.4 顆粒檢測設計

屑末檢測通過非線性能量算子進行初步檢測，提取信號波動的波段，之后根據金屬屑末幅值和相位的特點篩選符合屑末特征的波段。非線性能量算子能同時利用信號的瞬時頻率和幅度信息，其輸出正比于輸入信號的幅度和頻率的乘積，對于離散時間序列信號X(n)，計算公式為：

φ(X(n))=X(n)X(n)-X(n-1)X(n+1)

(1)

式中，X(n)為濾波后的第n個數據；φ(X(n))為能量算子計算后第n個數據。

經過非線性能量算子處理后，屑末位置的信號輸出較大，此時設置閾值TNEO就可以初步篩選出屑末的位置，其中TNEO根據式(2)計算得到：

(2)

式中，TNEO為金屬屑末篩選閾值；C為常數，此處取2。

通過相位可以判別金屬屑末的類型，對鐵磁性金屬屑末敏感的通道檢測的屑末是類余弦信號，對非鐵磁性金屬屑末敏感的通道檢測的是類正弦信號[6]。金屬屑末的幅值閾值與最小檢出金屬屑末的尺寸相關，一般將幅值閾值設置為最小檢出屑末電壓值的90%。金屬屑末的波形是軸對稱波形，所以信號的峰值和谷值大小相等，考慮到噪聲信號的影響，設置峰值/谷值在[-0.6,1.6]之間，具體實現部分程序如下。

if (indmax>indmin&&x1[indmax]>x2[indmax]) //檢測到鐵信號

{

val_pp=valmax-valmin;//門限為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;

}

}

}

}

通過標定傳感器輸出與標準金屬屑末之間的對應關系，根據式(3)計算金屬屑末的大小。

ra=K×Vpp(ra)b+C

(3)

式中,K、C、b為與系統相關的常數；ra為金屬屑末的大小；Vpp(ra)為監測器檢測的金屬屑末對應的信號峰峰值。

2.5 通信設計

采用TI公司推出的并串轉換控制器與DSP的外部EMIF總線直接連接，輸出兩路相互獨立的異步收發器[7]。系統時鐘為300 MHz，EMIF總線時鐘為100 MHz，接收中斷請求信號為INT6，通過高3位地址線進行地址譯碼；發送中斷請求信號為INT15。

通信接口程序主要完成串口波特率的配置及更改，金屬屑末信息的發送，即把金屬屑末的大小、類型、原始數據等按照通信協議上傳。原始數據為24位A/D轉換的數據，數據量達到2 MB以上，根據采樣率對實時性要求較高。為了降低間隔100 ms RS422總線上傳數據占用過多的系統資源，不使用串口發送中斷而采用定時器中斷上傳。

DSP內部有兩個32-bit的定時計數器(timer0和timer1)，CLKSRC bit是選擇時鐘源，為“1”選擇的是CPU內部時鐘源。每100 ms觸發timer0中斷服務，啟動數據打包功能，將原始數據、BIT信息、屑末信息、CRC校驗、和校驗放入BUFFER0中，同時拷貝到BUFFER1中等待發送；每4.5 μs觸發timer1中斷服務，啟動單個字符發送。

3 試驗驗證

試驗驗證系統由傳感器、連接電纜、信號處理單元、NI PXI-8431/8及上位機監測軟件組成。按照圖1連接以上部件，將196 μm鐵磁性金屬屑末的原始信號進行濾波處理的結果如圖6所示。通過圖中可以看出無金屬屑末的信號段波形平坦，濾波后的金屬屑末峰峰值為0.102 V，信號幅值接近原始信號，濾波算法起到了很好的平滑效果。

圖6 濾波算法處理結果

將固定有標準金屬屑末(鐵磁性金屬屑末的尺寸為130 μm、178 μm、305 μm、505 μm；非鐵磁性金屬屑末尺寸為706μm)的塑封棒沿油液流動的方向穿過傳感器，上位機監測軟件獲取到的金屬屑末信息如圖7所示。

圖7 上位機監測結果

圖7監測結果顯示檢測到的金屬屑末的大小為鐵磁性金屬屑末131 μm、185 μm、329 μm、539 μm；非鐵磁性金屬屑末為731 μm、738 μm。上位機監測軟件界面中實時顯示傳感器兩路輸出信號。

4 結束語

滑油在線屑末監測器軟件以TMS320C6713B為主處理器，對傳感器輸出的攜帶金屬屑末的微弱信號進行采集分析，并輸出給上位機監測軟件。本軟件的核心為數字信號濾波和金屬屑末識別算法的設計，通過串口實現大數據量的原始數據傳輸。其中信號濾波采用小波閾值降噪，最大程度地保留了低頻的金屬屑末信號，去除了高頻的噪聲信號。根據金屬屑末的波形特征進行檢波算法的設計，有效剔除虛假屑末信號。試驗驗證結果表明本軟件能夠實現金屬屑末的實時監測和原始數據上傳，降噪效果良好，滿足金屬屑末檢測精度要求。