基于LXI總線的多通道振動信號測試系統設計

高 媛,金天賀,胡志臣

(1.軍委裝備發展部裝備項目管理中心，北京 100032;2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

0 引言

振動信號采集儀是各類裝備振動測試中必不可少的儀器設備，可測試隨機振動、正弦振動和沖擊振動的特性，在裝備的模型吹風試驗、飛機、高鐵及部件振動試驗測試中有著廣泛的應用。振動信號采集儀與前端傳感器、后端計算機處理單元一起組成自動測試系統[1-2]。

振動信號測試系統包括信號采集與實時分析軟硬件、數據管理與信號處理軟件，其中采集單元可以實現對設備的正弦振動、沖擊振動、隨機振動數據采集，數據分析軟件能夠對采集信號進行時域、頻域分析，如特征值提取、譜分析、階次分析、模態分析等[3-5]。在裝備研制過程中，為檢驗其是否達到結構設計標準、設備運轉是否正常，需要對整機及其部件進行一系列振動測試[6]。無論是整機還是部件試驗，單次試驗成本都非常昂貴，針對振動信號的采集，需要振動信號采集單元具有大動態范圍采集能力，能夠同步、精確的記錄各測試點的振動情況，并通過信號分析的方法準確評估試驗結果，提升裝備研制保障能力[7- 8]。同時，由于大型裝備多通道的振動測試需求，最高需要測試上千通道的振動信號，因此，研制一種可集成式多通道振動信號測試系統具有十分重要的意義。

基于LXI總線的多通道振動信號測試系統具有使用靈活、測試通道數自由組合、大動態范圍數據采集的優點，且具備數據分析及故障診斷功能，使用該測試系統可以提高裝備研制及應用的綜合保障能力[9-10]。

1 多通道信號采集系統設計

為滿足裝備多通道振動測試的需要，設計了多種振動信號采集模塊，包括1通道、3通道、6通道和12通道4種模塊，可根據測試需要自由組合測試通道數，單模塊可以作為一臺獨立的LXI總線虛擬儀器使用，也可以應用于分布式網絡或集成到機箱內使用。機箱具有5個插槽，一個機箱可同時配置多個信號采集模塊，且具備北斗同步功能，可以獲取標準時間，實現遠程分布式測試系統之間的同步。

振動信號采集系統采用LXI總線架構，設備之間通過LAN口進行通訊，支持精密時鐘同步協議(PTP)功能，支持直流供電或PoE供電。可配置擴展接口，實現多臺采集設備互聯。多臺振動采集模塊可以先集成到一臺5槽機箱中(以12通道采集卡為例，單機箱最多可集成60個通道)，然后通過機箱的LAN口連接至主控計算機，如圖1所示。

圖1 系統架構圖

如果單機箱系統的通道數量不能滿足測試應用需求，還可以采用多機箱采集模式，由一臺主控計算機控制。設置其中一臺機箱為PTP主時鐘功能，其余機箱為PTP從時鐘功能，主時鐘機箱可以先通過北斗同步獲取標準時間，然后再通過PTP實現分布式同步，其連接方式如圖2所示。

圖2 多機箱分布式采集系統

某型高速列車軸箱軸承振動信號采集通道數多，單節列車具有8個軸箱，整車16節列車，整車需要測試通道數較多，為方便振動測試的需要，整車配備多臺機箱，每臺機箱配置40個測試通道，主控計算機通過LAN進行通訊采集機箱的振動信號，大幅提高了采集效率。

2 基于LXI總線的測試設備硬件設計

2.1 便攜式機箱硬件設計

便攜式機箱的核心是一臺PTP交換機，符合IEEE 802.3af規范(PoE)，內部連接PTP主時鐘單元、機箱配置管理單元，外部連接至多5臺模塊化振動信號采集儀，并提供一個千兆以太網通信接口和一個附加支持PoE供電的LAN口。一旦振動采集模塊安裝在機箱中，即組合成一個便攜式設備，支持至多60通道的振動信號同步采集。機箱提供單個千兆LAN通信接口，可以將多個機箱聯網在一起，從而提供上百通道的測試系統。便攜式機箱的硬件設計如圖3所示，包括供電系統、PTP主時鐘單元、PTP交換機單元、機箱配置管理單元等部分。

圖3 便攜式機箱硬件組成圖

2.1.1 供電系統

機箱支持外部AC、DC，內部電池供電等多種供電方式，如圖4所示。外部輸入AC電源電壓為220 V±10%、頻率為50 Hz±5%，外部輸入DC電源為10～32 V(配外部電源適配器)，通過內部電源轉換單元統一輸出14.8 V的直流電源，能夠提供約120 W的輸出功率(機箱最大功率90 W)。電池模塊為可充電式鋰電池，采用可插拔式結構，輸出電壓為14.8 V，總容量91 Wh，支持機箱滿載條件下連續工作1小時。此外，機箱還提供1個12 V直流輸出，輸出電流1 A，可以為多種附件供電。

圖4 機箱供電系統功能框圖

2.1.2 PTP主時鐘單元

PTP主時鐘支持北斗時間同步，可實現多機箱測試系統分布式同步采集，方便對采樣數據進行絕對時間標記，如圖5所示。

圖5 PTP主時鐘單元功能框圖

PTP主時鐘以支持IEEE 1588-2008的處理器為核心，基于嵌入式實時系統運行PTP協議棧，執行最佳主時鐘算法。通過北斗模組接收標準時間，通過內部高穩晶振進行時鐘保持，硬件時間戳精度可優于10 ns。PTP主時鐘單元提供1個PPS秒脈沖輸出，方便驗證系統的同步性能。通過配置端口或LAN口，可對PTP主時鐘進行配置。

2.1.3 PTP交換機單元

PTP交換機單元是機箱的核心部件，用于連接機箱內、外各個LAN功能單元，其硬件設計如圖6所示。以太網交換單元以高性能交換芯片為核心，實現基本的以太網數據包交換；PTP處理單元主要實現PTP時間標記、報文修改等功能；以太網PHY分為100 Mbps、1 000 Mbps兩類，其中，100 Mbps的PHY與PoE電源處理單元融合，對外輸出多個符合IEEE 802.3af規范的千兆LAN口，供外部儀器連接；1 000 Mbps的PHY直接通過RJ-45連接器輸出，不具備PoE功能，主要實現機箱對外LAN口、PTP主時鐘授時的高速通信。

圖6 PTP交換機單元功能框圖

2.1.4 機箱配置管理單元

機箱作為一個獨立的網絡設備，具有自身的IP地址，通過配置管理單元實現遠程訪問與配置管理。機箱配置管理單元以低功耗ARM處理器為核心，運行嵌入式Linux操作系統，主要負責對機箱供電電源、內部溫度、冷卻風扇進行監測與控制，對PTP主時鐘、交換機和各個LAN儀器槽位進行控制管理，以及負責機箱自身的網絡配置。機箱的關鍵狀態可通過機箱面板上的狀態指示單元顯示，所有狀態均可通過上位機軟件獲取。機箱具有完備的安全保護機制，如電源管理、冷卻管理。

2.2 振動信號采集模塊硬件設計

共研制4款振動信號采集模塊，它們具有不同的通道密度和信號帶寬(1通道204.8 kHz、3通道102.4 kHz、6通道51.2 kHz、12通道25.6 kHz)，可以覆蓋不同應用場合下裝備振動測試的需要。

振動信號采集模塊主要由主控單元、信號調理單元、電源/信號隔離單元、以及狀態指示單元等幾部分組成。不同規格的采集模塊僅前端信號調理通道數量不同，其主控單元的硬件架構一致。振動信號采集模塊的硬件設計如圖7所示。

圖7 振動信號采集模塊硬件

2.2.1 主控單元

主控單元以ARM處理器為核心，運行嵌入式Linux操作系統，對外實現LAN通信，對內實現各單元電路的管理。FPGA可編程邏輯電路實現多種時序邏輯，如各通道ADC同步采集、雙緩存數據存儲邏輯等。DSP處理單元對ADC采樣數據進行實時處理，包括大小量程數據選擇、采集數據歸一化處理、校準補償、數字信號濾波、頻譜分析等。

理論上24位ADC動態范圍為144 dB，但實際單一量程因噪聲影響往往只能實現110 dB左右，本系統采用雙量程整合方式來實現140 dB動態范圍。設計采用2×24-bit A/D方式實現140 dB高動態范圍的信號采集，同一通道分為±316 mV、±10 V兩個量程(±316 mV小量程信號經30 dB放大至±10 V)，每個量程通道具有相同的電路結構，包括差分放大電路、模擬低通濾波器和24-bit A/D轉換電路，2路信號同時采集，如圖8所示。大小量程數據選擇單元獲取同一時刻的2個24-bit數據，計算信號的幅度，根據信號大小選擇對應量程的數據，并將數據存儲，從而實現大小量程的自動切換。

圖8 雙AD采集硬件設計

DSP處理器主要實現實時信號處理，包括：實時校準、數字低通濾波、實時振動信號運算等。

LXI總線接口主要實現LXI各類基礎服務、PTP同步服務、硬件觸發等。考慮到儀器低功耗的特點，LXI接口單元以i.MX6系列ARM處理器為核心，運行嵌入式Linux操作系統，對外實現LAN通信，對內實現各單元電路的管理。

2.2.2 信號調理單元

信號調理電路主要由IEPE激勵電路、TEDS適配電路、輔助量程衰減電路、差分放大電路、低通濾波電路、ADC轉換電路，以及通道自檢、通道保護、過載檢測等電路等組成，如圖9所示。

圖9 信號調理電路圖

振動信號采集模塊具有多類型信號連接方式，可采集電壓、IEPE、TEDS類型的信號，輸入信號適配示意圖如圖10所示。

假設圖10中開關均為常開狀態，可通過切換開關K1～K4來適配不同的輸入信號類型，如表1所示。

圖10 輸入信號適配示意圖

表1 輸入類型vs開關狀態

振動信號采集模塊為每個測量通道提供4 mA的恒流源輸出，為外部IEPE振動傳感器提供電流激勵。IEPE振動加速度信號檢測使用2線制連接方式，激勵電流輸出連接至信號正端，負端可對地連接一個50 Ω的電阻構成偽差分輸入，振動信號通過交流耦合后送調理采集單元，耦合電容和1 MΩ電阻構成高通濾波電路。IEPE振動傳感器接線如圖11所示。

圖11 IEPE振動傳感器接線圖

恒流源采用精密電壓基準和差分運放結合方式，并在輸出端增加保護電路。

采集模塊還支持IEEE 1451.4智能TEDS傳感器適配，通過TEDS可獲取傳感器的靈敏度、序列號、制造商、校準日期等關鍵參數，可校正傳感器的頻率響應，提高采集精度。

具有TEDS功能的振動傳感器通常是模擬信號和數字信號復合傳輸，儀器外部接口連接方式和IEPE一致，可通過儀器內部電子開關進行振動采集電路和1-wire數字讀取電路的切換。TEDS智能傳感器的接線如圖12所示。

圖12 TEDS智能傳感器接線圖

儀器具有過壓保護功能，如果輸入信號幅度顯著超出量程，輸入將進入保護模式并保持0.5 s，直至信號幅度回落至量程區間。在過壓保護模式下，輸入被部分切斷，同時輸入阻抗顯著提高(信號將大幅度衰減，但仍可以采集到)。

在不同的量程下，過壓保護限值電壓不同：在±10 V基本量程時，設定過載保護電壓為±12 V；在±31.6 V擴展量程時，設定過載保護電壓為±50 V。過壓保護原理如圖13所示。

圖13 過壓保護原理框圖

過壓保護電路先對輸入信號進行1:5無源衰減，如果檢測到衰減后的信號幅度超出設置的限值，則自動斷開過載限流保護開關，輸入串接的10 MΩ分壓電阻，實現輸入通道的保護。當輸入瞬間過壓時，信號線上的鉗位二極管對后級電路進行保護。

儀器對多處關鍵電路進行過載檢測，包括：信號過載、IEPE過載、幅度/頻率超限、共模電壓過載等。儀器過載檢測單元功能框圖如圖14所示。

圖14 過載檢測功能框圖

3 軟件設計

振動測試系統軟件總體架構如圖15所示。

圖15 軟件總體架構圖

軟件主要實現以下功能：

1)振動信號采集模塊、便攜式機箱均符合LXI總線規范，通過LAN口通信，支持B/S、C/S訪問方式；

2)振動信號采集模塊、便攜式機箱均提供基于C語言、LabVIEW的驅動軟件，方便用戶采用多種工具開發第三方應用，實現系統集成；

3)平臺應用軟件提供各類振動信號的時頻域分析功能；

4)平臺應用軟件具有對采集原始數據文件、分析報告輸出的功能。

硬件設備端軟件主要基于ARM處理器的嵌入式Linux系統、DSP處理器的編程環境進行開發。上位機軟件基于Windows系統，采用C++語言開發，面向對象編程、全插件架構，系統穩定可靠且擴展性強。

DSP主要負責對ADC采樣數據進行實時處理，硬件原理如圖16所示。

圖16 DSP實時信號處理硬件原理

在數據采集過程中，首先由ARM嵌入式處理器完成對FPGA模塊、DSP模塊的參數設置，啟動采集；然后FPGA模塊輸出指定采樣時序控制ADC1和ADC2進行同時采集，并對獲取到的兩路AD轉換數據進行大小量程數據選擇，并將數據歸一化成32-bit數據，將處理后的數據先后存儲到存儲器中，再向DSP發起中斷請求；DSP接收FPGA中斷，查詢存儲器狀態，依次讀取數據，并進行校準補償、數字信號濾波、正余弦編碼信號處理等信號處理，并將處理后的數據存儲到存儲器中，向處理器發起中斷請求；處理器接收到DSP中斷后，查詢存儲器狀態，依次讀取數據，并將數據發送至上位機。

平臺應用軟件主要包括：硬件管理、信號處理、顯控操作、文件操作、第三方應用接口等幾個部分。其中，信號處理是軟件的核心，包括基本數據處理、高級信號分析和應用測量分析軟件，基本數據處理軟件可以實現基本的時域、頻域信號分析；高級信號處理軟件可以實現模態分析、階次分析和沖擊響應譜分析；應用測量分析軟件針對實際工程應用中的各類隨機振動、周期(正弦)振動和沖擊振動信號進行處理，包括隨機、諧波、滾扭和沖擊等振動信號分析模塊，可實現對隨機振動、正弦振動、沖擊振動等各類振動信號的數據處理，并可通過專家數據庫實現故障診斷。

4 實驗結果與分析

針對某型高速列車在運用過程中遇到的軸箱軸承故障問題，采用所設計的基于LXI總線多通道振動信號測試系統對其軸箱軸承的振動信號進行了采集與分析。單列車的軸承分布如圖17中左圖所示，由于所測試的軸箱軸承數量龐大，故在此以某節車的4號軸承為例，振動加速度傳感器布置如圖17中右圖所示。

圖17 某列車軸箱軸承振動信號采集分布圖

當列車分別以200 km/h和250 km/h速度運行時，對其軸箱軸承進行振動信號采集，然后利用所設計的數據分析軟件，基于倒譜分析和希爾伯特包絡解調算法對測試得到的4號軸箱軸承振動加速度數據進行分析處理，得到的部分結果如圖18所示。在車速為200 km/h時，不論是軸承上方還是側面，4號軸箱軸承在頻率為166.5 Hz、333 Hz、499.5 Hz和832.5 Hz時均出現明顯的振動幅值，且其振動頻率成倍增加；當列車運行速度為250 km/h時，出現了同樣的振動現象，僅振動頻率發生了變化，這一現象表明4號軸承出現了明顯的故障或損傷。經過對4號軸承的實際觀察，發現其外圈出現明顯的壓痕，這與實測得到的軸承出現故障結果一致。

圖18 某列車4號軸箱軸承振動信號頻譜圖

通過對某型高速列車軸箱軸承的振動信號進行采集，并利用所設計的數據分析軟件對測試數據進行處理，得到某軸箱軸承出現故障的結論，驗證了所設計的基于LXI總線多通道振動信號測試系統的合理性和有效性。

5 結束語

針對大型復雜裝備研制和應用過程中振動信號的采集與分析需求，研制了一種可集成式多通道振動信號采集與分析系統，可同時對上百通道的振動信號進行采集，并具備信號分析與故障診斷能力，提高了裝備在研制與應用過程中的綜合保障性能。