蘭西柱　王成玉　曲凌鋒　黃康　張鑫宇

摘? 要：煤礦井下對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測有很高要求，現(xiàn)有用于電機(jī)檢測的主要是有線在線檢測設(shè)備，面對海量數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)重，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蠛芨?此外，煤礦井下環(huán)境惡劣，鋪設(shè)有線通信線路難度大。為此，文章對無線振動邊緣處理裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用雙核主控芯片LPC55S69，可實(shí)現(xiàn)小波變換和無線通信的協(xié)同運(yùn)行，數(shù)據(jù)在該裝置中得以處理篩選后（降低了對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅?，以無線方式經(jīng)網(wǎng)關(guān)上傳至上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測報警，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行健康狀態(tài)檢測。

關(guān)鍵詞：電機(jī);LPC55S69;邊緣處理;健康診斷;小波變換

中圖分類號：TP277? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）17-0055-04

Abstract： There are high requirements for motor running state detection in underground coal mines. The existing equipment for motor detection is mainly wired online detection equipment. Facing the heavy burden of massive data processing， it has high requirements for data transmission; in addition， the underground coal mine environment is bad， and it is difficult to lay wired communication lines. Therefore， the wireless vibration edge processing device is designed in this paper. The dual core main control chip LPC55S69 is used to realize the cooperative operation of wavelet transform and wireless communication. After the data is processed and screened in the device （reducing the requirements for data transmission）， it is uploaded to the upper computer wirelessly pass through the gateway for monitoring and alarm， so as to realize the detection of motor operation health status.

Keywords： electric motor; LPC55S69; edge processing; health diagnosis; wavelet transform

0? 引? 言

煤礦井下電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否健康，直接關(guān)系到井下大型機(jī)械的安全性和可靠性。煤礦井下環(huán)境惡劣，電機(jī)長期在復(fù)雜的環(huán)境下工作，不斷受到煤渣的影響抑或磨損軸承，會造成電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心嚴(yán)重使定子和轉(zhuǎn)子相互摩擦，使電機(jī)產(chǎn)生劇烈的振動并發(fā)出不均勻的摩擦聲，并且使電機(jī)機(jī)殼溫度迅速升高，進(jìn)而造成傳動裝置工作面坍塌等嚴(yán)重問題。通過觀察電機(jī)的振動烈度來確定電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)有的診斷方法通常是使用有線在線監(jiān)測裝置或者是采用人工定期檢測的方式，有大量的數(shù)據(jù)不斷地上傳到上位機(jī)進(jìn)行處理，但是煤礦井下電路復(fù)雜、環(huán)境惡劣，鋪設(shè)有線通信線路成本高、難度大，同時數(shù)據(jù)全部在上位機(jī)進(jìn)行分析處理，使上位機(jī)診斷處理數(shù)據(jù)有很大的負(fù)擔(dān)，存在嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和診斷不及時的問題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，邊緣計(jì)算正逐漸成為工業(yè)控制領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，其為及時可靠地進(jìn)行電機(jī)健康診斷提供了新的技術(shù)手段。邊緣處理裝置采用Cortex- M33內(nèi)核芯片作為主控芯片，MEMS加速度計(jì)采集的振動數(shù)據(jù)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后在MCU主核中進(jìn)行小波變換，基于邊緣計(jì)算的思想，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以初步判斷電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)，可以將數(shù)據(jù)存儲在FRAM中，通過433M無線射頻模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)振動和溫度的檢測，確保煤礦井下電機(jī)的安全運(yùn)行。

1? 邊緣處理裝置總體設(shè)計(jì)

圖1為裝置總體設(shè)計(jì)框圖。檢測裝置的總體框架為：傳感器采集模塊采用ADI公司的MEMS加速度計(jì)ADXL1002，采集的模擬信號以0～5 V電壓的方式發(fā)送給信號調(diào)理模塊，信號調(diào)理模塊中的RC濾波電路對20 Khz的信號進(jìn)行濾波，經(jīng)過調(diào)理后的信號被送入AD轉(zhuǎn)換器AD7768-1中，主控芯片LPC55S69通過SPI總線接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。MCU的雙核同時從總線中讀取數(shù)據(jù)，CORE0對數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解，系統(tǒng)對分解后的小波系數(shù)與預(yù)存儲閾值進(jìn)行比較，判斷電機(jī)是否存在運(yùn)行不正常狀況;同時，CORE1從SPI中讀取的數(shù)據(jù)通過SPI總線寫入FRAM中進(jìn)行預(yù)存，CORE0判斷數(shù)據(jù)是否異常，CORE1從FRAM中讀取數(shù)據(jù)并通過SPI總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到以射頻芯片CMT2300A為核心的E49-400M20S模塊中，再將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到上一級網(wǎng)關(guān)。

2? 邊緣處理裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1? 主控制器

硬件設(shè)計(jì)以LPC55S69JBD100作為控制芯片，內(nèi)置320 KB的SRAM和640 KB的Flash，雙核工作主頻均可達(dá)到150 Mhz，具有全速USB接口，可以用于向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù);配備具有FFT引擎以及具有DSP功能的PowerQuad硬件加速協(xié)處理器，可以提高主核的數(shù)字信號處理速度;具有8個可以靈活配置的串行接口，可以配置為SPI、IIC和UART來進(jìn)行芯片間的串行通信。

LPC55S69作為主控芯片，最小系統(tǒng)包括時鐘晶振電路、上電復(fù)位電路、ISP電路以及調(diào)試接口電路。時鐘晶振電路由16 Mhz晶振以及32.768 Khz的晶振電路組成，分別為MCU提供系統(tǒng)時鐘和實(shí)時RTC;采用上電復(fù)位的方式在系統(tǒng)重新上電時先進(jìn)行復(fù)位;ISP電路用來下載程序，通過連接外接的串口，將ISP跳線連接后重新上電進(jìn)入ISP模式進(jìn)行程序下載;調(diào)試接口選用SWD調(diào)試的方式，通過外接端子與CMSIS-DAP調(diào)試器LPC-LINK2進(jìn)行連接對MCU進(jìn)行在線調(diào)試。

2.2? 無線通信模塊

圖2為無線模塊引腳連接圖。選用CMT2300A無線射頻模塊芯片，通過SPI進(jìn)行通信，借助兩根片選線實(shí)現(xiàn)寄存器與FIFO的配置切換，一根時鐘線用于接收MCU產(chǎn)生的時鐘，一個數(shù)據(jù)線用于數(shù)據(jù)的輸入輸出，再將兩個IO口與MCU進(jìn)行連接，通過是否產(chǎn)生MCU外部中斷來判斷無線接收和發(fā)送是否完成。利用抗干擾能力強(qiáng)、速度較快的Sub-Ghz無線射頻通信技術(shù)，保證了在煤礦井下惡劣環(huán)境中一個工作面內(nèi)多個檢測裝置與網(wǎng)關(guān)之間的可靠數(shù)據(jù)通信。

2.3? 數(shù)據(jù)采集模塊

MEMS加速度計(jì)選用ADXL1002，具有高分辨率和低噪聲的特點(diǎn)，采集到振動信號后，將其轉(zhuǎn)換成0.5～4.5 V的模擬信號，經(jīng)過通頻帶范圍介于10 hz～20 Khz之間的二階無源RC濾波電路后，將模擬信號輸入到24位積分型ADC中，ADC外接5 V基準(zhǔn)電源，實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換后通過SPI串行通信輸入到MCU中;數(shù)字溫度傳感器采集溫度輸入數(shù)字量，經(jīng)過I2C輸入到MCU中，數(shù)據(jù)采集模塊框圖如圖3所示。

2.4? 電源模塊

裝置中各芯片模塊采用的供電電壓分為3.3 V和5 V兩種，裝置采用無線方式，應(yīng)用于煤礦井下環(huán)境下，選用7.2 V防爆鋰電池對裝置進(jìn)行供電。采用電池供電，在設(shè)計(jì)時需要對各芯片模塊功耗進(jìn)行充分的考慮。電源模塊采用兩級降壓的方式，分別為7.2 V轉(zhuǎn)5 V以及5 V轉(zhuǎn)3.3 V。第一級降壓選用LP38692MP-5.0/NOPB線性穩(wěn)壓器作為7.2 V轉(zhuǎn)5 V的芯片，轉(zhuǎn)換輸出5 V為采集模塊中的AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字溫度傳感器和MEMS加速度計(jì)提供供電電壓，同時也為二級降壓芯片提供輸入電壓。第二級降壓選用TLV1117LV33DCYR線性穩(wěn)壓器，輸入電壓為5 V，輸出電壓為3.3 V，靜態(tài)電流低，輸出電流為800 mA，可以滿足裝置中3.3 V供電模塊的要求，LDO線性穩(wěn)壓器為主控芯片LPC55S69最小系統(tǒng)部分、存儲模塊、433M射頻無線通信模塊和調(diào)試串口模塊供電。同時，7.2 V輸入電壓要為輸出5 V的LDO芯片LP38692供電，因?yàn)檠b置用于振動采集的基準(zhǔn)電壓源采用5 V的ADR4550BRZ，基準(zhǔn)電壓源的輸入電壓必須大于輸出電壓，基準(zhǔn)電壓源的輸入電壓須大于5.25 V，所以選用7.2 V電池輸出為基準(zhǔn)電壓源供電。

3? 邊緣處理裝置軟件設(shè)計(jì)

常用的集成開發(fā)環(huán)境為KEIL或IAR，為了實(shí)現(xiàn)在裝置軟件設(shè)計(jì)過程中可以同時對芯片的兩個核進(jìn)行在線調(diào)試，選擇NXP官方的MCUxpresso IDE 11.3.1集成開發(fā)環(huán)境用C語言進(jìn)行開發(fā)。

3.1? 主程序軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化階段，將各個模塊按照需求進(jìn)行初始化，完成初始化后通過CORE0將CORE1啟動，CORE1以20 Khz的速度采集振動信號，振動數(shù)據(jù)通過SPI總線進(jìn)行傳輸，CORE0和CORE1同時從SPI總線上讀振動數(shù)據(jù)。CORE0對數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，同時CORE1將數(shù)據(jù)存入FRAM，并通過數(shù)字溫度傳感器采集一組溫度數(shù)據(jù)存入FRAM中。CORE0對數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析后將小波系數(shù)與預(yù)設(shè)的報警閾值進(jìn)行對比，超過設(shè)定值時，發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志位置1，通過MailBox通信機(jī)制將發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志位發(fā)送給CORE1，CORE1存儲完數(shù)據(jù)后進(jìn)入等待標(biāo)志位。如果接收到的標(biāo)志位為0，則結(jié)束本次數(shù)據(jù)采集，并在固定延時后，進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)采集;如果接收到的標(biāo)志位為1，將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送，發(fā)送完成后無線模塊觸發(fā)IO中斷，發(fā)送完成，并根據(jù)處理結(jié)果將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給上層網(wǎng)關(guān)。CORE1判定無線模塊通過IO口返回的中斷標(biāo)志，無線模塊硬件判斷發(fā)送數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，發(fā)送完成后觸發(fā)主控制器IO中斷表示發(fā)送數(shù)據(jù)完成，CORE1接收到中斷后，根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果確定采樣周期后重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

3.2? 無線軟件設(shè)計(jì)

裝置啟動時無線模塊進(jìn)入IDLE模式，完成初始化參數(shù)配置后，在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，無線模塊進(jìn)入SLEEP模式;有數(shù)據(jù)等待發(fā)送時，無線模塊進(jìn)入IDLE模式，完成FIFO配置后，直接切換進(jìn)入TX模式，芯片開始發(fā)送prefix，等待數(shù)據(jù)開始填入FIFO，芯片停止發(fā)送prefix，以數(shù)據(jù)寫入FIFO的速率和設(shè)定好的數(shù)據(jù)包字節(jié)大小發(fā)射數(shù)據(jù)，發(fā)射結(jié)束后，無線模塊產(chǎn)生發(fā)送完成中斷，GPIO2引腳產(chǎn)生上升沿，觸發(fā)MCU外部中斷，結(jié)束發(fā)送，無線模塊切換至SLEEP模式。無線發(fā)送流程圖如圖5所示。

3.3? 邊緣計(jì)算

振動數(shù)據(jù)被采集到MCU中后，經(jīng)過小波變換后，獲得不同頻率分層的小波系數(shù)，將小波系數(shù)與正常振動下的系數(shù)進(jìn)行對比，根據(jù)與小波系數(shù)比對結(jié)果，對采樣間隔進(jìn)行設(shè)置。正常情況下，采樣間隔保持在5 min。當(dāng)檢測到的小波系數(shù)接近正常振動下的臨界值時，將其作為第二個閾值，超過這個范圍，采樣間隔縮小到1 min;如果振動持續(xù)增大，超過安全閾值，采樣間隔縮小到10 s。

小波變換實(shí)現(xiàn)在邊緣層對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)判（判斷處理后的數(shù)據(jù)），大大縮減了傳輸數(shù)據(jù)量，提高了數(shù)據(jù)有效性和傳輸效率，在降低功耗的同時減輕了云端運(yùn)算的負(fù)載。使用DB3小波對信號進(jìn)行分解，提取出振動信號的細(xì)節(jié)系數(shù)[c1-cn]和尺度系數(shù)[l1-ln]，對細(xì)節(jié)系數(shù)求標(biāo)準(zhǔn)差σ，通過對比細(xì)節(jié)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差來判斷是否超過閾值。

根據(jù)式? 求出振動信號的標(biāo)準(zhǔn)差，將之與在電機(jī)正常運(yùn)行狀況下獲取的振動信號進(jìn)行DB3小波分解后得到的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)進(jìn)行比對，以確定電機(jī)是否出現(xiàn)異常以及故障的嚴(yán)重程度。

4? 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

PCB布線時，信號線線寬選擇10 mil，由于電機(jī)振動檢測對安置在電極上的檢測裝置重量有一定要求，不能達(dá)到電機(jī)重量的1/50，其對邊緣處理裝置的電路板也有要求，PCB設(shè)計(jì)時安全間距選擇10 mil，在振動信號進(jìn)行傳輸時將走線間距設(shè)置為20 mil，從而滿足3 W的原則，降低信號線間的串?dāng)_，保證模擬輸入信號的精確度。電源線線寬設(shè)置為30～50 mil，避免出現(xiàn)大電路導(dǎo)致燒壞電路。電路板的地通過背面敷銅的方式連接，將模擬地和數(shù)字地分開，通過一個0歐姆的電阻連接。

完成PCB設(shè)計(jì)后，對PCB進(jìn)行焊接，需要分模塊焊接，按照電源模塊、主控模塊、串口模塊、存儲模塊、采集模塊和無線通信模塊的順序進(jìn)行焊接。焊接每個模塊時，都需要通過萬用表測量輸入電壓是否正常，是否存在對地短路以及是否存在引腳虛焊的情況，防止由于操作不當(dāng)而導(dǎo)致芯片燒毀。硬件焊接測試沒有問題后，通過軟件對芯片進(jìn)行功能性測試，保證芯片功能沒有異常。各個模塊均完成焊接和測試工作后，對裝置的總體功能進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

裝置接入電位器模擬振動信號，經(jīng)過小波變換和閾值判斷后，如果超出閾值，以無線方式將原始信號發(fā)送至連接上位機(jī)的無線測試模塊，上位機(jī)將對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。邊緣處理裝置樣機(jī)如圖6所示。

5? 結(jié)? 論

本文研究了一種應(yīng)用于煤礦井下的電機(jī)健康診斷無線振動溫度邊緣傳感器，所設(shè)計(jì)與開發(fā)的邊緣傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)在電機(jī)長期運(yùn)行情況下對電機(jī)的健康狀況進(jìn)行及時的反饋，利用主控芯片LPC55S69對外部AD轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行小波變換處理，與FRAM中存儲的參數(shù)進(jìn)行對比，出現(xiàn)異常后將原始數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去，基于邊緣計(jì)算的思想，對數(shù)據(jù)進(jìn)行前期預(yù)處理，大大減少了傳輸數(shù)據(jù)量，滿足傳感器設(shè)計(jì)要求，對提高煤礦井下電機(jī)運(yùn)行安全具有重要意義。

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作者簡介：蘭西柱（1966—），男，漢族，安徽亳州人，副教授，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)監(jiān)控與通信、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用;王成玉（1997—），男，漢族，山東日照人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì);曲凌鋒（1997—），男，漢族，遼寧撫順人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì);黃康（1994—），男，漢族，四川內(nèi)江人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì);張鑫宇（1997—），男，漢族，山西大同人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)。