研华高速采集卡在船舶状态监测中的具体应用.doc

Application Story 项目介绍:从某种意义上讲，船舶的辐射噪声的强弱对其自身的安全有着极其重要的影响，因此船舶辐射噪声的测量一直倍受关注。由于发电机旋转时的声音和振动信号的采集与发动机非定常失速过程的记录要求进行多通道、大容量数据的实时测量、采集和存储、高速多通道的FFT分析和可视化的数据显示，数据的采集速率至少要8～10MS/s，因此对于一套能实施可行的可用于对发电机状态监测系统而言，除了需要具有高速处理能力的计算机系统外，更为重要的是需要具有板载高速存储、同步锁存、高速且多路同步数据采集、同时具有较高的信号抗混叠特性的DAQ硬件板卡。目前具有高达10MS/s以上高速且同步数据采集板卡并不多见，只有少数几家公司才拥有此项关键技术。在过去的几年内，由于受工业控制计算机（IPC）的运算速度，可靠性以及A/D采集卡的采集速率的限制以及采集设备本身的抗信号混叠特性的制约，使得船舶辐射噪声测量是一件极其复杂的工作。即使能从欧美等先进的国家能进口到高速采集卡，但由于其配套的应用软件极其昂贵，同时高速采集卡也是价格不菲，往往使使用单位和船舶噪声监测设备的研发单位望尘莫及。随着我国工业控制技术的飞速发展，我国的IPC研发能力以及高速采集卡的研制设计能力也得到了长足的发展。Advantech(研华)是目前工业控制领域中eAutomation的引领者，其PCI－1714专为高速数据采集与处理应用场合而设计，由于数据采集速度高，可达30MS/s，同时具有较高的信号抗混叠特性，可满足现代船舶辐射噪声测量的要求，正好满足此项要求。 : 案例名称：研华PCI-1714及其在船舶状态检测中的具体应用 行业分类:智能交通 地点(如：台湾) 系统需求 整个系统硬件采用研华ACP-4001工业工作站、30MS/s的PCI－1714高速数据采集卡，以及5MS/s的模拟数据输出卡PCI－1721。 系统描述 图1 系统的工作原理 发动机在正常时，其振动的声音及其自身的振动频谱是有规律的，但是一旦发动机出现异 常时，其频谱便会出现变异和失真。因此，可以通过监测发动机转动时的声音及其自身振 动信号来判别发动机的健康状态。在发电机状态监测中，发动机转动时自身发出的声音的 监测是一个关键，其次，为整个电机机身的振动监测。在旋转机械声音处理方面，采用滤 波器的输出用A/D转换器以每秒8～9MS/s采样，处理器每连续存储10240或20480个取 样数据为一帧信息。 图2 流程图 PCI－1714应用的几项关键技术 振动和噪声测试技术的实时性很强，要求其数据的存储和传输必须通畅迅速。为了达到性能上的要求，在使用PCI－1714时应该特别注意以下几方面： 1． FIFO的运用 为了实时处理振动信号，避免数据覆盖，软件设置FIFO作为数据缓冲区，大小设置为振动信息帧长度的4倍左右。在PCI－1714板卡中由于每路均内嵌32K FIFO高速同步缓存，足以满足声音、振动对存储的需要。将采集到的数据存入FIFO，只有当其中的数据达到一个语音帧的长度后，才将数据由FIFO取出，送入编码数据缓冲区。同样地，经过解码的数据也是存入发送FIFO，在中断到来时，从发送FIFO中取得数据，送到发送寄存器中输出。程序中利用PCI－1714的结构特性，将FIFO设置为循环缓冲区(Circ-Buf)，这样在指针到达缓冲区的底部时，系统会自动修改指针指向缓冲区的头部，而不需人为地修改。 2． 数据精度的处理 PCI－1714每路均有独立的S/H（采样保持）以及12bit的A/D，可以满足系统对发电机状态监测的精度要求。但为确保运算精度和防止数据溢出，在实现过程中主要采用了两种方法：一是对某些精度要求较高的运算，将计算的中间变量采用32位来表示；二是对于幅度范围变化比较大的变量或数组，如激励增益、自适应码本的自相关数组等，采用标量浮点或块浮点表示，用一个字存储使该数或数组规格化所需的左移位数(EXP)，其余字存储规格化后的尾数，不仅能够提高运算速度，还可以确保数据的精度。 3. 数据传输 在高速数据采集过程中，数据的位传输数率一直是制约高速数据采集实现的一个关键因素，PCI－1714采用Bus Master DMA把A/D转换数据直接写入系统内存，有效解决了这一问题。为了防止PCI总线延时(latency)造成数据丢失，采用了板上提供的32k采样点的FIFO作为缓存，保证了信息帧的完整性和可读性。 软件实施 整个系统采用了Windows2000 操作系统平台，Visual C＋＋ 为程序开发平台，在本系统中，数字信号处理是这个程序设计的关键，包含有大量的数据计算、频谱分析和三维图形显示。Visual C＋＋具有极强