一种用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法及装置与流程

阅读：评论：0

1.本技术属于传感器技术领域，具体而言涉及一种用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法及装置。

背景技术：

2.水轮机属于低速重载设备，传统状态监测多采用振动信号和温度信号。近年来，声音监测技术在工业设备状态监测领域的应用受到越来越多的重视。声音、振动和温度的信号采集对于水轮机组的状态监测提供全面和有效的基础。
3.声音信号的采样频率在20hz到48khz范围内，振动信号的采样频率在0.1khz到1.6khz范围内。传统的声音、振动和温度信号独立采集，并且独立处理。但是为了增加信号的实用性必须保证信号之间的同步性，否则将失去三种信号采集的必要性。
4.但受到水轮机组特殊工况条件(强噪声环境、总体结构复杂、密闭空间、需要检测的设备分布广和部分组件处于水下等)的限制，传统麦克风阵列式声音提取效果不够理想，尤其在强噪声干扰环境下目标声音的有效提取、防水、水轮机内部声源定位等应用场景下几乎无法使用。

技术实现要素：

5.本技术旨在至少一定程上解决已有技术中的上述问题，基于发明人对以下事实和问题的认识和理解，水轮机组声音、振动和温度信号采集装置的特点，一是装置内部具有多个麦克风阵列，二是单个待检测设备需要多个装置；三是多台待检测设备在空间上具有一定的距离。在上述水轮机组的特点下，如何保证一套水轮机组的所有信号具有时间的同步性是十分困难的，并且目前没有针对该场景的声音振动温度信号同步的采集装置和方法。
6.有鉴于此，本公开提出了一种用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法及装置，可以解决相关技术中的相关问题。
7.根据本公开的第一方面，提出用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法，包括：
8.(1)在t时刻，微型处理器经过集成电路内置音频总线接口驱动n路麦克风，采集水轮机组的n路声音数据，并将该n路声音数据存储到存储器的声音数据缓存区中，n＝1,2
…
8；
9.(2)微处理器经过串行外设接口接口驱动加速度计，采集水轮机组的加速度数据，并将该加速度数据存储到存储器的震动数据缓存区中；
10.(3)微处理器通过输入输出接口采集水轮机组的温度计数据，并将温度数据存储到随机存取存储器中；
11.(4)微处理器同时启动麦克风、加速度计和温度计，对声音信号、加速度信号和温度信号进行采集，并分别按照步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)的方法进行存储；
12.(5)存储器根据设定的麦克风采样点间隔，对存储器中声音数据缓存区的声音数
据进行分段存储，并以此为时间同步节点，分别对存储器的震动数据缓存区中的加速度数据和随机存取存储器中的温度数据进行分段存储；
13.(6)当麦克风完成一次间隔的音频采集时，微处理器将该时间内采样到的声音数据、加速度数据和温度数据共同打包成数据包，上传给云服务器，实现声音振动温度信号同步采集。
14.可选地，所述的麦克风采样点间隔为1024个采样点之间为一个间隔。
15.可选地，所述的n路麦克风为单声道采集16位数据，采样率可调，最大支持48k，数据缓存方式为每一路分配独立的5个2048字节循环缓存区,当麦克风采样数据达到1024个点，即当存储器存储满2048字节产生一次中断，将采样数据存储到缓存区，当5个缓存区满时，最早的数据丢弃。
16.可选地，所述的加速度计为数字3轴加速度计，数字3轴加速度计采样位数为10-12位，采样率最大为3200，使用一个4096字节的缓冲区，加速度计使用内置的先进先出存储器暂存采样数据，满16次产生1次中断，微型处理器将数据转存到缓冲区。
17.根据本公开的第二方面，提出用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集装置，包括：
18.n路麦克风，用于采集水轮机组的n路声音数据；
19.加速度计，用于采集水轮机组的加速度数据；
20.温度计，用于采集水轮机组的温度数据；
21.存储器，用于存储通过音频总线接收到的水轮机组的n路声音数据以及通过串行外设接口接口采集的水轮机组的加速度数据；
22.随机存取存储器，用于存储通过输入输出接口采集的水轮机组温度数据；
23.微处理器，用于设定麦克风采样点间隔，对存储器中声音数据缓存区的声音数据进行分段存储，并以此为时间同步节点，分别对存储器的震动数据缓存区中的加速度数据和随机存取存储器中的温度计数据进行分段存储；当麦克风完成一次间隔的音频采集时，将该时间内采样到的声音数据、加速度数据和温度数据共同打包成数据包，上传给云服务器，实现声音振动温度信号同步采集。
24.可选地，所述存储器中设置有声音缓存区和振动缓存区。
25.根据本公开的实施例，对水轮机组的关键机电设备状态进行监测，对声音、振动、温度信号进行同步采集，兼容传统的振动、温度信号和声音信号的采集，可以为水轮机组状态监测提供更全面、有效和准确的判断依据。
26.本公开提出的一种用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法及装置，其特点和优点是：
27.根据本公开的实施例示出的声音振动温度信号同步采集方法，使用直接存储器(dma)将声音采样数据存储到缓存区，并且为声音数据设置5个缓冲区，该方法避免使用处理器的资源，能够保证声音的实时采集，解决了最新数据的采集问题。当麦克风完成1次1024个样点的音频采集时，该时间内采样到的振动数据从缓冲区内取出同步上报，保证声音数据和振动数据时间轴一致，解决了振动、声音和温度不同采样率(差距在1000倍)的信号在时间上同步的问题。本公开的声音振动温度信号同步采集装置中，将麦克风、加速度计和温度计进行集成设计制造，克服了传统采集方式单一的缺点，具有体积小和安装方便等
优点。
28.本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
29.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是根据本公开的一个实施例示出的用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法的流程图。
31.图2是根据本公开的一个实施例示出的用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集装置的结构框图。
具体实施方式
32.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
33.图1是根据本公开的一个实施例示出的用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法的示意流程图。
34.如图1所示，用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法，包括：
35.在步骤1中，在t时刻，嵌入式微型处理器(mcu)经过集成电路内置音频总线(i2s)接口驱动沿水轮机组定子圆周均布的n(1,2
…
8)路麦克风，采集水轮机组的n路声音数据，并将该n路声音数据存储到存储器(dma)的声音数据缓存区中。
36.在一个实施例中，所述的麦克风采样点间隔为1024个采样点之间为一个间隔。
37.在一个实施例中，所述的n路麦克风为单声道采集16位数据，采样率可调，最大支持48k，数据缓存方式为每一路分配独立的5个2048字节循环缓存区,当麦克风采样数据达到1024个点，即当存储器dma存储满2048字节产生一次中断，将采样数据存储到缓存区，当5个缓存区满时，最早的数据丢弃，以保证5个缓冲区内都是最新数据。
38.在步骤2中，嵌入式微处理器经过串行外设接口(spi)接口驱动沿水轮机组定子圆周均布的数字3轴加速度计，采集水轮机组的3轴加速度数据，并将该加速度数据存储到存储器(dma)的震动数据缓存区中。
39.在一个实施例中，加速度计为数字3轴加速度计，数字3轴加速度计采样位数为10-12位，采样率最大为3200，使用一个4096字节的缓冲区，加速度计使用内置的先进先出存储器(fifo)暂存采样数据，减少mcu工作频率，满16次产生1次中断，微型处理器将数据转存到缓冲区。当麦克风完成1次1024个样点的音频采集时，该时间内采样到的振动数据从缓冲区内取出同步上报，保证声音数据和振动数据时间轴一致。
40.在步骤3中，嵌入式微处理器通过沿水轮机组定子圆周均布的通用型之输入输出
接口(gpio)采集水轮机组的单总线数字温度计数据，并将温度数据存储到随机存取存储器(ram)中；
41.在步骤4中，微处理器同时启动麦克风、加速度计和温度计，对声音信号、加速度信号和温度信号进行采集，并分别将声音数据、振动数据和温度数据存储到相应存储器中。
42.在步骤5中，存储器根据设定的麦克风采样点间隔，对存储器中声音数据缓存区的声音数据进行分段存储，并以此为时间同步节点，分别对存储器的震动数据缓存区中的加速度数据和随机存取存储器中的温度数据进行分段存储；
43.在步骤6中，当麦克风完成一次间隔的音频采集时，微处理器将该时间内采样到的声音数据、加速度数据和温度数据共同打包成数据包，上传给云服务器，实现声音振动温度信号同步采集。
44.与上述用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法相对应地，本公开的一个实施例提出了用于执行上述方法的用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集装置，包括：
45.n路麦克风，用于采集水轮机组的n路声音数据，n路麦克风沿水轮机组定子圆周均布；
46.数字3轴加速度计，用于采集水轮机组的3轴加速度数据，数字3轴加速度计沿水轮机组定子圆周均布；
47.单总线数字温度计，用于采集水轮机组的单总线数字温度数据，单总线数字温度计沿水轮机组定子圆周均布；
48.存储器，用于存储通过音频总线接收到的水轮机组的n路声音数据以及通过串行外设接口(spi)接口采集的水轮机组的3轴加速度数据；
49.随机存取存储器，用于存储通过输入输出接口(gpio)采集的水轮机组温度数据；
50.微处理器，用于设定麦克风采样点间隔，对存储器中声音数据缓存区的声音数据进行分段存储，并以此为时间同步节点，分别对存储器的震动数据缓存区中的加速度数据和随机存取存储器中的温度计数据进行分段存储；当麦克风完成一次间隔的音频采集时，将该时间内采样到的声音数据、加速度数据和温度数据共同打包成数据包，上传给云服务器，实现声音振动温度信号同步采集。
51.在一个实施例中，同步采集装置的存储器中设置有声音缓存区和振动缓存区。
52.根据本公开的一个实施例，n路数字麦克风连接到嵌入式mcu内置的i2s接口，数字3轴加速度计连接到嵌入式mcu内置的spi接口，数字温度计连接到嵌入式mcu的gpio接口。嵌入式mcu使用stm32h743zit6，主频为480mhz，支持4路双通道i2s接口，多个spi接口，支持多通道dma。
53.本公开的实施例提出的声音振动温度信号同步采集装置，在实际应用中，可以在水轮机组的各部件上布置多个，例如在发电机定子圆周均布10个采集装置，每个采集装置同步采集声音信号、振动信号和温度信号。设定多个采集装置中的一个采集装置为主采集装置，主采集装置为其它采集装置的can通讯口提供同一个时钟，保证多个采集装置是完全时钟同步。每一个采集装置将各自的数据进行打包，并上传私有云服务器。多个采集装置通过多级交换机汇聚到私有云服务器上，服务器与水电站的后台系统使用同一个原子钟授时，每一台采集装置都具有一个毫秒级的时钟芯片(rtc)，通过定时与原子钟校对的方式保
证系统整体的时延在毫秒级。
54.本公开的实施例提出的声音振动温度信号同步采集装置，其工作过程是：依据网络统一时间，云服务器对各声音振动温度信号同步采集装置发布网络指令，并收集各采集装置的数据包；根据主采集装置的统一时间，主采集装置对其它采集装置发布网络时间指令；依据各采集装置内部的中断指令，各采集装置对内部声音振动温度信号同步采集，打包上传给服务器。
55.本公开的实施例提出的用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法和装置，能够在水轮机组运行的复杂工况条件下同步有效地提取信号，能够真实反映水轮机组的运行特征信息，为水轮机组状态监测提供更全面、有效和准确的判断依据。
56.以上所述是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本公开的保护范围。

技术特征：

1.一种用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法，其特征在于，包括：在t时刻，微型处理器经过集成电路内置音频总线接口驱动n路麦克风，采集水轮机组的n路声音数据，并将该n路声音数据存储到存储器的声音数据缓存区中，n＝1,2
…
8；微处理器经过串行外设接口接口驱动加速度计，采集水轮机组的加速度数据，并将该加速度数据存储到存储器的震动数据缓存区中；微处理器通过输入输出接口采集水轮机组的温度计数据，并将温度数据存储到随机存取存储器中；微处理器同时启动麦克风、加速度计和温度计，对声音信号、加速度信号和温度信号进行采集，并分别上述方法进行存储；存储器根据设定的麦克风采样点间隔，对存储器中声音数据缓存区的声音数据进行分段存储，并以此为时间同步节点，分别对存储器的震动数据缓存区中的加速度数据和随机存取存储器中的温度数据进行分段存储；当麦克风完成一次间隔的音频采集时，微处理器将该时间内采样到的声音数据、加速度数据和温度数据共同打包成数据包，上传给云服务器，实现声音振动温度信号同步采集。2.根据权利要求1所述的声音振动温度信号同步采集方法，其特征在于其中所述的麦克风采样点间隔为1024个采样点之间为一个间隔。3.根据权利要求1所述的声音振动温度信号同步采集方法，其特征在于其中所述的n路麦克风为单声道采集16位数据，采样率可调，最大支持48k，数据缓存方式为每一路分配独立的5个2048字节循环缓存区,当麦克风采样数据达到1024个点，即当存储器dma存储满2048字节产生一次中断，将采样数据存储到缓存区，当5个缓存区满时，最早的数据丢弃。4.根据权利要求1所述的声音振动温度信号同步采集方法，其特征在于其中所述的加速度计为数字3轴加速度计，数字3轴加速度计采样位数为10-12位，采样率最大为3200，使用一个4096字节的缓冲区，加速度计使用内置的先进先出存储器暂存采样数据，满16次产生1次中断，微型处理器将数据转存到缓冲区。5.一种用于执行如权利要求1所述方法的用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集装置，其特征在于，包括：n路麦克风，用于采集水轮机组的n路声音数据；加速度计，用于采集水轮机组的加速度数据；温度计，用于采集水轮机组的温度数据；存储器，用于存储通过音频总线接收到的水轮机组的n路声音数据以及通过串行外设接口接口采集的水轮机组的加速度数据；随机存取存储器，用于存储通过输入输出接口采集的水轮机组温度数据；微处理器，用于设定麦克风采样点间隔，对存储器中声音数据缓存区的声音数据进行分段存储，并以此为时间同步节点，分别对存储器的震动数据缓存区中的加速度数据和随机存取存储器中的温度计数据进行分段存储；当麦克风完成一次间隔的音频采集时，将该时间内采样到的声音数据、加速度数据和温度数据共同打包成数据包，上传给云服务器，实现声音振动温度信号同步采集。6.根据权利要求5所述的用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集装置，其特征在于，所述存储器中设置有声音缓存区和振动缓存区。

技术总结

本申请属于传感器技术领域，涉及一种用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法及装置。本方法对水轮机组的关键机电设备状态进行监测，对声音、振动、温度信号进行同步采集，设定麦克风采样点间隔，对存储器中声音数据缓存区的声音数据进行分段存储，并以此为时间同步节点，分别对存储器的震动数据缓存区中的加速度数据和随机存取存储器中的温度计数据进行分段存储；当麦克风完成一次间隔的音频采集时，将该时间内采样到的声音数据、加速度数据和温度数据共同打包成数据包，上传给云服务器，实现声音振动温度信号同步采集。本方法中，兼容传统的振动、温度信号和声音信号的采集，可以为水轮机组状态监测提供更全面、有效和准确的判断依据。确的判断依据。确的判断依据。