劉春林，潘宏俠，史斐娜，潘銘哲

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030051)

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基于DSP和ZigBee的齒輪箱故障診斷系統(tǒng)

劉春林，潘宏俠，史斐娜，潘銘哲

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030051)

以齒輪箱為研究對(duì)象，采用以DSP-TMS320F28335為主控芯片的嵌入式故障診斷中心模塊和以ZigBee-CC2530為主控芯片的無(wú)線通信模塊，開(kāi)發(fā)了一種實(shí)時(shí)在線嵌入式遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)。該遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用基于Matlab模型的設(shè)計(jì)，對(duì)采集的樣本信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理(濾波和和FFT變換)，并對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的信號(hào)提取特征值。利用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，提取閾值和權(quán)值，在Simulink中搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并將該模型嵌入到DSP的嵌入式系統(tǒng)，對(duì)故障進(jìn)行診斷識(shí)別分類(lèi)。DSP嵌入式故障診斷中心模塊和ZigBee無(wú)線通信模塊兩部分是相互獨(dú)立的，通過(guò)串口接口SCI進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。該遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)具有信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障識(shí)別分類(lèi)以及無(wú)線通信等功能。

齒輪箱；嵌入式；DSP；ZigBee；故障診斷；無(wú)線通信

0 引言

齒輪箱是機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵部件，幾乎在任何大型設(shè)備中都起著連接和傳遞動(dòng)力的重要作用。但是齒輪箱本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，容易發(fā)生故障和受到損傷，因此對(duì)齒輪箱進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷對(duì)于機(jī)械設(shè)備具有重要意義。齒輪箱故障診斷技術(shù)正是為了檢測(cè)和預(yù)報(bào)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期運(yùn)行故障，能夠找出機(jī)器故障產(chǎn)生的原因[1]。

本文設(shè)計(jì)了基于DSP和ZigBee的齒輪箱遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用32位浮點(diǎn)芯片TMS320F28335為主控芯片，充分利用了F28335豐富的外設(shè)模塊實(shí)現(xiàn)與ZigBee模塊的無(wú)線通信。主控芯片F(xiàn)28335具有高速處理數(shù)據(jù)能力，32位浮點(diǎn)處理單元，有豐富的外設(shè)資源，包括串行通信接口SCI、串行外設(shè)接口SPI、ADC轉(zhuǎn)換模塊捕捉單元eCAP等外設(shè)模塊[2]。本系統(tǒng)中，通過(guò)串行通信接口將DSP和ZigBee連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸通信。

1 遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)硬件平臺(tái)

1.1 遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)

在該遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)中利用傳感器模塊采集得到振動(dòng)、溫度信號(hào)，形成脈沖信號(hào)通過(guò)脈沖整形電路進(jìn)入eCAP模塊，測(cè)試得到捕捉信號(hào)的頻率后設(shè)定好采樣頻率，然后開(kāi)始進(jìn)行信號(hào)采集[3]。將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中，在嵌入式系統(tǒng)中將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、提取信號(hào)的有效特征值并通過(guò)建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行故障診斷識(shí)別，將所得的診斷結(jié)果同樣存儲(chǔ)到SD卡中并將其通過(guò)串口傳送給ZigBee無(wú)線通信模塊，最后通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)浇K端控制中心?？傮w框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總體框架結(jié)構(gòu)圖

1.2 信號(hào)調(diào)制電路模塊

該遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)主控制芯片F(xiàn)28335中數(shù)據(jù)采集模塊(ADC轉(zhuǎn)換模塊)的輸入電平為0～3 V，模擬傳感器采集到的振動(dòng)、溫度、加速度等信號(hào)電壓一般為0～5 V，所以需要在傳感器模塊與DSP主控模塊之間添加信號(hào)調(diào)制模塊，調(diào)整采集的信號(hào)，使其符合A/D的輸入范圍要求。如圖2所示。

圖2 信號(hào)調(diào)制模塊電路

1.3 脈沖整形電路

脈沖整形電路采用具有2個(gè)獨(dú)立的、高精度電壓比較器的LM393,并搭建雙門(mén)限遲滯回路。雙門(mén)限遲滯回路比較器是一個(gè)具有遲滯回環(huán)傳輸特性的比較器。在反相輸入單門(mén)限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入正反饋網(wǎng)絡(luò)，就組成了具有雙門(mén)限值的反相輸入遲滯比較器。由轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的電壓脈沖信號(hào)或多或少在邊緣都存在毛刺現(xiàn)象，利用脈沖整形電路可解決毛刺現(xiàn)象[4]。如圖3所示。

圖3 脈沖整形電路

1.4 SD存儲(chǔ)模塊

該故障診斷系統(tǒng)使用了F28335串行外設(shè)SPI總線外擴(kuò)了SD卡，用該SD卡存儲(chǔ)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)以及故障診斷的結(jié)果，將數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間保存。SD卡上電后，可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)SD卡在SPI模式下工作[5]。SD卡電路圖如圖4所示。

圖4 SD卡電路

1.5 串口通信模塊

TMS320F28335上有2路SCI接口：SCIA和SCIB，分別利用RS232和RS485協(xié)議收發(fā)器驅(qū)動(dòng)和外部接口，提供RS232和RS485通信。本文采用接口A提供RS232協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。將其與無(wú)線傳輸模塊通過(guò)串口連接，從而將診斷結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，必須設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸格式才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效傳輸。

1.6 ZigBee無(wú)線傳輸模塊

ZigBee射頻電路模塊采用的CC2530是一款可兼容8051內(nèi)核，還支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線射頻單片機(jī)，可以適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器。CC2530提供了串口接口與微處理器連接，可以實(shí)現(xiàn)與其他單片機(jī)串口接口無(wú)縫連接。

該系統(tǒng)利用了2塊CC2530進(jìn)行無(wú)線通信傳輸，第一塊作為節(jié)點(diǎn)，利用自身串口與DSP TMS320F28335模塊串口無(wú)縫連接接收DSP模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)，第二塊作為協(xié)調(diào)器，利用天線接收射頻信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器，經(jīng)過(guò)正交變換，頻率變換到2 MHz中頻帶上，形成正交和同相分量。該2路模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)制電路進(jìn)行電壓調(diào)制處理后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。采用直接通過(guò)正交變換將信號(hào)頻率變換到預(yù)定頻率帶上的方式發(fā)送數(shù)據(jù)?；鶐盘?hào)的正交分量和同相分量被ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過(guò)低通濾波器濾波以后，將頻率變換到預(yù)先設(shè)定的信道上，信號(hào)利用差分傳送方式進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[6-7]。

2 遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用程序

本系統(tǒng)通過(guò)F28335的16路ADC模塊分別采集各待測(cè)部位的溫度信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波和FFT變換等預(yù)處理，并對(duì)其提取特征值，利用建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行故障識(shí)別和診斷。

數(shù)據(jù)處理完成后啟動(dòng)F28335板的異步串口通信程序，將故障診斷結(jié)果通過(guò)RS232串口通信傳輸給第一塊ZigBee模塊，然后通過(guò)無(wú)線通信模塊傳輸?shù)诙KZigBee模塊中，最后通過(guò)串口RS232異步通信傳輸?shù)浇K端控制中心，最終實(shí)現(xiàn)將故障診斷結(jié)果無(wú)線傳輸?shù)捷^遠(yuǎn)距離的終端控制中心。故障診斷系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示。

圖5 故障診斷系統(tǒng)的程序流程圖

2.1 FIR數(shù)字濾波器

原始信號(hào)一般都夾雜了噪聲，因此需要對(duì)信號(hào)消除噪聲。在TI公司提供的FIR濾波技術(shù)文件的基礎(chǔ)上，將窗函數(shù)法應(yīng)用到濾波器設(shè)計(jì)中，將濾波器的類(lèi)型、窗函數(shù)、采樣頻率和上下截止頻率作為函數(shù)形參，使得DSP在運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)環(huán)境不同修改參數(shù)值滿足不同工作需求。圖6為齒輪箱齒輪在正常工況下原始信號(hào)和通過(guò)濾波器濾波的結(jié)果。

(a)原始信號(hào)時(shí)域圖

(b)濾波后的時(shí)域圖圖6 正常信號(hào)濾波前后時(shí)域圖

圖6中，原始信號(hào)時(shí)域圖中最高幅值為1.34，而原始信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后時(shí)域圖中幅值最高達(dá)到0.945，峰峰值明顯降低，而且齒輪箱運(yùn)行過(guò)程夾雜的噪聲信號(hào)一般位于信號(hào)的高頻帶，由此可以推斷出該硬件平臺(tái)中的FIR濾波器模塊可以對(duì)采集的齒輪箱振動(dòng)信號(hào)達(dá)到濾波效果，并且可以通過(guò)改變?yōu)V波器系數(shù)來(lái)改變?yōu)V波器的階數(shù)，進(jìn)而對(duì)信號(hào)達(dá)到預(yù)想的濾波效果。

2.2 FFT功率譜

齒輪箱振動(dòng)信號(hào)中包含各部件的振動(dòng)頻率，當(dāng)齒輪發(fā)生故障時(shí)，時(shí)域信號(hào)指標(biāo)只能表現(xiàn)出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，不能判別故障發(fā)生的故障和程度，只有通過(guò)FFT變換得到信號(hào)頻譜，才能通過(guò)齒輪的嚙合頻率幅值及其諧波和轉(zhuǎn)頻幅值變化來(lái)判定故障發(fā)生的類(lèi)型和部位。本系統(tǒng)的功率譜采用了FFT算法庫(kù)。外部輸入信號(hào)為齒輪箱的正常狀態(tài)工況下濾波后的信號(hào)，圖7為正常信號(hào)的頻譜圖。

圖7 正常信號(hào)的頻譜圖

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由3層構(gòu)成：輸入層、隱含層和輸出層，需要利用大量訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷調(diào)整權(quán)值減少輸出誤差，逐漸逼近要求。

利用Matlab中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練，建立一個(gè)可訓(xùn)練的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[8-9]。如圖8所示。

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

在創(chuàng)建好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中預(yù)先設(shè)置好輸入數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)，并設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)、性能函數(shù)的最小梯度、最大驗(yàn)證失敗次數(shù)、最長(zhǎng)訓(xùn)練時(shí)間、兩次顯示之間的訓(xùn)練次數(shù)、訓(xùn)練參數(shù)步長(zhǎng)、訓(xùn)練目標(biāo)和學(xué)習(xí)速率。開(kāi)始訓(xùn)練后，通過(guò)View/EditWeights窗口得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值，并將其作為建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的相關(guān)參數(shù)，通過(guò)Export命令將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入Matlab工作空間中。如圖9所示。

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)圖9創(chuàng)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在Simulink中搭建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。如圖10所示。

圖10 Simulink中創(chuàng)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

在該模型中添加Target Reference模塊，并配置其相關(guān)參數(shù)，利用Incremental Build自動(dòng)生成可嵌入DSP系統(tǒng)中的程序代碼，建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能對(duì)故障識(shí)別分類(lèi)，從而達(dá)到故障診斷的目的。

3 遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)在齒輪箱的應(yīng)用

在齒輪箱傳動(dòng)裝置中，分別對(duì)正常、保持架故障、齒面磨損斷裂、外圈凹痕、滾動(dòng)體磨損以及外圈裂紋共6種工況進(jìn)行故障診斷。

通過(guò)上述對(duì)各模塊以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果可看出，該遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線故障診斷以及診斷結(jié)果傳輸?shù)幕竟δ堋Ｔ撓到y(tǒng)時(shí)鐘工作在150 MHz，設(shè)置的數(shù)據(jù)采集通道為16路，采樣頻率為4 000 Hz，每路采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為1 024點(diǎn)。當(dāng)采樣信號(hào)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)定值1 024時(shí)，系統(tǒng)就對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理(濾波和FFT變換)，提取信號(hào)特征值以及通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷識(shí)別，采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是通過(guò)SPI將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中[10]。DSP故障診斷系統(tǒng)和ZigBee模塊總體實(shí)物圖如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)總體實(shí)物圖

選取的特征值為：方差、脈沖指標(biāo)、峭度指標(biāo)、波形指標(biāo)、裕度指標(biāo)、偏態(tài)指標(biāo)、功率譜方差、相關(guān)因子以及功率譜重心指標(biāo)；齒輪箱故障診斷系統(tǒng)診斷識(shí)別分類(lèi)結(jié)果輸出分別為：正常(100000)、保持架故障(010000)、齒面磨損斷裂(001000)、外圈凹痕(000100)、滾動(dòng)體磨損(000010)以及外圈裂紋(000001)。圖12為齒輪箱正常運(yùn)行時(shí)的波形。

圖12 正常信號(hào)

圖13是嵌入式DSP故障診斷系統(tǒng)對(duì)齒輪箱正常運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)波形提取的相關(guān)特征值以及診斷識(shí)別的輸出結(jié)果，其中sigfeature窗口為提取的相關(guān)特征值，sbresult窗口是系統(tǒng)故障診斷識(shí)別的輸出結(jié)果，由sbresult窗口能夠觀察到輸出最大值為sbresult[0]，對(duì)應(yīng)的理想正常狀態(tài)輸出100000。而圖14串口調(diào)試助手顯示接收的數(shù)據(jù)跟sbresult窗口中顯示的結(jié)果一致。

圖13 正常狀態(tài)診斷結(jié)果

圖14 串口調(diào)試助手接收的數(shù)據(jù)

同理，分析保持架的振動(dòng)信號(hào)。圖15是齒輪箱中保持架故障時(shí)信號(hào)波形。

圖15 保持架故障信號(hào)時(shí)域圖

圖16是嵌入式DSP故障診斷系統(tǒng)對(duì)齒輪箱保持架故障的信號(hào)波形提取的9個(gè)相關(guān)特征值以及故障診斷識(shí)別的輸出結(jié)果，其中sigfeature窗口顯示的是提取相關(guān)特征值，sbresult窗口是系統(tǒng)診斷識(shí)別的輸出結(jié)果，根據(jù)sbresult窗口能夠觀察到輸出最大值為sbresult[1]，對(duì)應(yīng)的理想保持架故障010000。而圖17串口調(diào)試助手顯示接收的數(shù)據(jù)跟sbresult窗口中顯示的結(jié)果一致。因此系統(tǒng)通過(guò)ZigBee模塊將DSP故障診斷系統(tǒng)的診斷識(shí)別結(jié)果發(fā)送到終端控制中心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)線傳輸故障診斷的結(jié)果。

同理，對(duì)齒面磨損斷裂、外圈凹痕、滾動(dòng)體磨損以及外圈裂紋等不同信號(hào)分別用該故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行采集、信號(hào)處理和遠(yuǎn)程傳輸。通過(guò)上述應(yīng)用檢測(cè)，該齒輪箱故障診斷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、故障診斷和遠(yuǎn)程通信傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖16 保持架故障診斷結(jié)果

圖17 串口調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文以嵌入式DSP作為故障診斷中心和ZigBee模塊作為無(wú)線通信傳輸，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)齒輪箱在線監(jiān)測(cè)并將診斷結(jié)果無(wú)線傳輸給遠(yuǎn)距離的終端控制中心。

(1)使用DSP-TMS320F28335為數(shù)據(jù)處理核心以及ZigBee-CC2530為數(shù)據(jù)傳輸中心，搭建了硬件系統(tǒng)平臺(tái)，將信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理(濾波和FFT變換)、提取特征值、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷、遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸集為一體在硬件平臺(tái)上實(shí)時(shí)執(zhí)行，增強(qiáng)故障診斷的實(shí)時(shí)性。

(2)通過(guò)Matlab中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到權(quán)值和閾值，解析Matlab生成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在Simulink中搭建模型，使用測(cè)試樣本進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)得創(chuàng)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可靠有效，將自動(dòng)生成的嵌入式代碼加載到DSP目標(biāo)板上。

(3)將該故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用到齒輪箱中，證明了設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的可行有效性。

[1] 高陽(yáng),潘宏俠,吳升.基于DSP和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器,2011(1):67-70.

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Fault Diagnosis System of Gearbox Based on DSP and ZigBee

LIU Chun-lin，PAN Hong-xia，SHI Fei-na，PAN Ming-zhe

(North University of China,School of Mechanical and Power Engineering,Taiyuan 030051,China)

Seen the gear box as the research object,based on DSP-TMS320F28335 as main control chip embedded fault diagnosis center module and ZigBee-CC2530 as main control chip wireless communication module,an online real-time embedded remote fault diagnosis system was developed.The neural network model of the remote fault diagnosis system was based on Matlab model design,and the collected samples of the signal was preprocessed(filter and FFT transform),and the characteristic value was extracted from the pre-processed signal.Taking advantage of the Matlab neural network toolbox to train network,extract threshold and weight,neural network model was built in Simulink and it was embedded in DSP embedded system to classify and recognise fault diagnosis.The DSP embedded fault diagnosis center module and the ZigBee wireless communication modules are independent each other,they send data through a serial port interface SCI.The remote fault diagnosis system has the functions of signal acquisition,data storage,fault identification,fault classification,and wireless communications.

gearbox,embedded,DSP;ZigBee;fault diagnosis;wireless communication

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50875247)；山西省回國(guó)留學(xué)人員基金資助項(xiàng)目(2008065)

2014-06-18 收修改稿日期：2015-03-07

TH17

A

1002-1841(2015)06-0114-04

劉春林(1989—)，碩士研究生，研究方向：機(jī)械故障診斷，嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)。E-mail:liuchunlin1989@sina.com 潘宏俠(1950一)，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)和工業(yè)過(guò)程檢測(cè)、診斷與控制、振動(dòng)與噪聲控制、系統(tǒng)辨識(shí)與智能系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化、信息融合與處理。