汪祖民，孫慧琳

(大連大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連　116622)

0　引言

對電力設(shè)備的運行狀態(tài)進行有效檢測進而進行機械設(shè)備故障診斷[1-2]，在故障初期發(fā)現(xiàn)、解決問題。熱電廠輸煤系統(tǒng)設(shè)備繁多且分布離散，所處環(huán)境惡劣，高粉塵、高電磁干擾，對于輸煤系統(tǒng)設(shè)備檢測大多是根據(jù)其機械振動情況來判斷設(shè)備運行狀況的好壞。

文中介紹了一種低功耗、高可靠性的振動信號采集與處理系統(tǒng)，采用內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器[3-4]，實現(xiàn)對設(shè)備振動信號的采集，采集信號處理后，一方面通過Zigbee無線傳輸[5-7]將數(shù)據(jù)傳到PC機上，一方面通過顯示終端LCD屏顯示當(dāng)前檢測設(shè)備的振動加速度值。系統(tǒng)設(shè)計體積較小，方便攜帶；功耗低，可以直接用電池供電。在檢測過程中可以對設(shè)備進行隨機監(jiān)測，有效提高了設(shè)備故障診斷的準確性和效率，從而提高了設(shè)備正常穩(wěn)定工作的安全性；減少了巡檢人員的勞動強度，使管理更科學(xué)化、人性化。

1　硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要由5個部分組成，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、按鍵選擇、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠帧?shù)據(jù)采集部采用內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器SD14N14采集設(shè)備運行時的振動信息；數(shù)據(jù)處理部分是系統(tǒng)核心部分，ATmega128單片機為系統(tǒng)主處理器；數(shù)據(jù)顯示部分選用LCD12864顯示屏作為顯示終端；選用觸發(fā)按鍵作為人機交互終端；數(shù)據(jù)傳輸采用Zigbee模塊實現(xiàn)無線實時傳輸。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

1．1信號采集電路設(shè)計

選用內(nèi)裝IC式壓電加速度傳感器SD14N14作為系統(tǒng)信號采集的終端節(jié)點，內(nèi)裝IC壓電式傳感器抗干擾能力強，采集信號靈敏度高；BNC型傳感器接口，一根電源線同時也是信號線，一根地線(外殼接地)，接口簡單且能有效抑制干擾。由傳感器輸出電壓信號經(jīng)NE5532一級跟隨后，交流耦合去除直流干擾信號，后經(jīng)電阻R10、R11分壓抬升2.5 V，以滿足AD轉(zhuǎn)換只采樣正電壓要求，再經(jīng)一級跟隨后接到TLC2543(A/DC)轉(zhuǎn)換，單片機讀取表示當(dāng)前機械振動的數(shù)據(jù)信息，其中耦合電容C0的選擇與采集振動頻率范圍有直接關(guān)系。信號采集電路見圖2。

1．2數(shù)據(jù)顯示電路設(shè)計

為提高系統(tǒng)的工作性能，使其在檢測過程中能夠?qū)崟r看到檢測數(shù)據(jù)的變化，在設(shè)計時加入了顯示模塊，選用內(nèi)置ST7920控制器LCD12864ZB作為系統(tǒng)顯示端口，顯示振動加速度值，以及由振動加速度值積分得到的速度值、位移值，顯示部分電路設(shè)計如圖3所示。

圖2　信號采集電路

PD5、PD6、PD7分別是串行時鐘線、串行數(shù)據(jù)線、片選線，PC5用來控制液晶屏背光的亮滅，當(dāng)30 s內(nèi)沒有任何按鍵操作，則背光自動關(guān)閉，達到降低功耗的目的。

1．3振動加速度數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計

由于系統(tǒng)在使用過程中要實現(xiàn)可以隨機移動對設(shè)備進行檢測而又不影響PC監(jiān)測主機對檢測數(shù)據(jù)的接收，有線傳輸由于布線的原因不能夠滿足設(shè)計要求。同時，近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[8]發(fā)展迅速，運用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可對數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定傳輸。因此，綜合實際考慮，系統(tǒng)選用Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)[9]傳輸振動加速度采集的數(shù)據(jù)。文中選用無線傳輸模塊CC2530，它集成了業(yè)界增強8051 CPU，有2路UATR和1路SPI通信模式，定時計數(shù)等功能，適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802．15．4的RF收發(fā)協(xié)議，極高的收發(fā)頻率有效的抑制干擾。

圖3　振動加速度數(shù)據(jù)顯示和無線傳輸電路

TXD、RXD分別與Atmega128引腳的PD2、PD3相連接，由于Atmega128是5 V電壓工作，CC2530是3.3 V電壓工作，兩者電壓不匹配，采用R17、R18分壓用于匹配兩者之間通信電平。在PC機處設(shè)有接收終端，與PC機通過串口線進行數(shù)據(jù)傳輸。

1．4按鍵設(shè)計與信號處理

系統(tǒng)在工作過程中有時需要手動完成一些設(shè)置，比如控制采集頻率，是否進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋瑸榇嗽O(shè)計了功能按鍵，按鍵一端接單片機外部中斷引腳，一端接地，電路簡單。信號處理主要分為硬件和軟件上的處理，在硬件上主要有電源的升壓、穩(wěn)壓、濾波，PCB板抗干擾設(shè)計等；軟件上主要是對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，電壓值轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的振動加速度值。

2　軟件設(shè)計

基于Atmega128單片機的軟件開發(fā)采用AVR Studio，基于CC2530系列無線傳感模塊集成開發(fā)采用IAR for 8051。其軟件流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件主流程圖

在整個系統(tǒng)中，主要是通過Atmega128來控制A/DC轉(zhuǎn)換和通過CC2530來傳輸處理后數(shù)據(jù)。TLC2543轉(zhuǎn)換精度為12位，與單片機通過SPI方式通訊，讀取A/D轉(zhuǎn)換速率為20 000次/s．為保證最高的轉(zhuǎn)換精度，設(shè)置轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出位數(shù)為2個字節(jié)，即16位，數(shù)據(jù)的高四位為空。CC2530無線傳輸主要是傳輸處理后數(shù)據(jù)到節(jié)點再由節(jié)點傳輸?shù)浇邮战K端，接收終端也可向發(fā)送終端發(fā)送命令，監(jiān)控發(fā)送終端節(jié)點運行狀況。自動模式下發(fā)送終端每隔1 s自動向接收終端發(fā)送一次存在于Atmega128緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)；手動模式下，巡檢人員根據(jù)要檢測設(shè)備情況手動選擇要發(fā)送的檢測設(shè)備數(shù)據(jù)。

3　實驗結(jié)果

振動加速度數(shù)據(jù)的采集在JZK-20型激振平臺上經(jīng)行測試。激振平臺由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生標準正弦信號源，經(jīng)YE5872型功率放大器放大后傳送給激振器，激勵激振器產(chǎn)生豎直方向的簡諧振動。SD14N14傳感器固定在激振器接口上采集激振器振動加速度信號。圖5為1g加速度下不同頻率試驗對比。

(a)9.7 Hz

(b)100.6 Hz

(c)1 007 Hz

(d)9 987 Hz

通過調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器的頻率和幅值和功率放大器的放大倍數(shù)來控制激振器振動的頻率和幅度，圖5是截取部分無線傳輸?shù)絇C機上的實驗數(shù)據(jù)，通過Matlab仿真出振動加速度傳感器采集處理后的振動數(shù)據(jù)與驅(qū)動激振器的標準函數(shù)信號對比圖。由圖5中曲線對比分析可知，在相同振幅1g的情況下，振動頻率由9.7 Hz到10 kHz振動加速度傳感器均可采集到振動的峰值，且與理論值相吻合，滿足檢測準確度要求。圖5曲線中，虛線表示理論值，實線表示測量值。

4　結(jié)束語

文中介紹了一種機械設(shè)備故障預(yù)警中的振動信號采集與處理系統(tǒng)。通過反復(fù)的實驗數(shù)據(jù)對比分析可知，該系統(tǒng)可以有效準確地采集、傳輸振動加速度信號，滿足熱電廠輸煤系統(tǒng)機械設(shè)備故障診斷的要求。Zigbee無線傳輸?shù)膽?yīng)用促進數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。同時，該系統(tǒng)不僅應(yīng)用在熱電廠輸煤系統(tǒng)中，在碼頭等地也有很廣闊的應(yīng)用前景。

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孫慧琳(1988—)，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)技術(shù)研究。

E-mail：sunhuilin_work@163．com