馬洋洋，陳 宏

(鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 引言

設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中傳遞出的各種物理量信號(hào)，如振動(dòng)、溫度、轉(zhuǎn)速、油液成分等能夠反映出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)對(duì)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，能夠判斷出設(shè)備是在正常運(yùn)行還是處于故障狀態(tài)。針對(duì)不同類(lèi)型的設(shè)備，需要監(jiān)測(cè)不同的物理量信號(hào)指標(biāo)，機(jī)械設(shè)備包含著許多旋轉(zhuǎn)部件，如電機(jī)、齒輪、軸承等是易發(fā)生故障的部分，對(duì)于這些旋轉(zhuǎn)部件，分析設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)更為直接有效。對(duì)機(jī)械設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障，避免損失進(jìn)一步擴(kuò)大，因此設(shè)計(jì)一套機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。

文獻(xiàn)[1]采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，需要與電腦有線連接，配合電腦軟件LabVIEW完成數(shù)據(jù)采集。在實(shí)際應(yīng)用中布線繁瑣，使用不方便；文獻(xiàn)[2]使用三軸加速度計(jì)采集設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器。LoRa傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要組網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，使用不方便。文獻(xiàn)[3]以高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9481和高速數(shù)據(jù)緩存芯片IDT72V263為核心，設(shè)計(jì)了小型化的高速數(shù)據(jù)采集電路模塊，但該方案只能將采集數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到緩存芯片，緩存芯片集成在電路板上，讀取數(shù)據(jù)還需要添加外部設(shè)備，使用不方便。針對(duì)以上采集設(shè)備存在的不足，本文設(shè)計(jì)了符合機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測(cè)需求的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)整體基于FPGA+STM32架構(gòu)組成，F(xiàn)PGA具有內(nèi)部時(shí)延小、可并行處理數(shù)據(jù)以及可編程特性[4]，可以使采集系統(tǒng)處理高速信號(hào)，能夠滿足采樣時(shí)序控制需求[5]，STM32芯片控制能力強(qiáng)，兩者結(jié)合可以更好地處理采集數(shù)據(jù)。傳感器采用壓電型加速度傳感器，結(jié)合前端的模擬信號(hào)處理電路能夠?qū)鞲衅鞯哪M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后使用NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳到云端。如果網(wǎng)絡(luò)通信故障無(wú)法上傳數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)保存到本地SD卡中。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可安裝在被監(jiān)測(cè)設(shè)備旁邊，通過(guò)采集設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)可以診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝和數(shù)據(jù)傳輸途徑如圖2所示，監(jiān)測(cè)設(shè)備將設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT通信技術(shù)傳輸?shù)礁浇\(yùn)營(yíng)商基站，基站將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫(kù)，然后移動(dòng)端從云端獲取采集數(shù)據(jù)。NB-IoT通信采用SIM7020C模組，NB-IoT是一種低功耗廣域網(wǎng)技術(shù),具有覆蓋范圍廣、海量連接、低功耗的優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸途徑

2 模擬電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器

傳感器采用601A11壓電加速度傳感器,該傳感器輸出為模擬電壓信號(hào)，正常使用時(shí)需要恒流源供電。在無(wú)外部信號(hào)輸入時(shí)，傳感器輸出8～12 V范圍內(nèi)的恒定電壓，當(dāng)有加速度作用于傳感器時(shí)，傳感器輸出在靜態(tài)工作電壓基礎(chǔ)上加載±5 V的動(dòng)態(tài)電壓?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)電壓的讀取獲得加速度數(shù)值。

2.2 電源電路

整個(gè)系統(tǒng)由外部總電源供電，內(nèi)部設(shè)計(jì)有各種電源轉(zhuǎn)換模塊，整體的電源結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)外部供電為24 V、1 A的電源適配器供電。24 V總電源由TPS5430芯片生成±12 V恒壓源，由LM334芯片生成恒流源。±12 V電壓經(jīng)過(guò)LM7805和LM7905生成±5 V電壓。±5 V電壓再分別經(jīng)過(guò)ASM1117-3.3、ASM1117-2.5和ASM1117-1.2芯片生成3.3 V、2.5 V和1.2 V電壓。

圖3 電源結(jié)構(gòu)

恒流源為傳感器提供工作電源，根據(jù)LM334具體配置計(jì)算得恒流源電流為2.7 mA，符合傳感器工作電流要求?！?2 V電壓源為模數(shù)轉(zhuǎn)換器和部分集成運(yùn)算放大器提供工作電源?！? V電壓源為模數(shù)轉(zhuǎn)換器、集成運(yùn)算放大器和濾波芯片提供工作電源。FPGA芯片正常工作需要3.3 V、2.5 V、和1.8 V電源供電，STM32單片機(jī)正常工作需要3.3 V電源供電。

2.3 隔直濾波電路

傳感器輸出電壓信號(hào)為加載在偏置電壓上的交流電壓信號(hào)，在后續(xù)處理中只需要其中的交流電壓信號(hào)，因此需要過(guò)濾掉其中的直流電壓信號(hào)，濾波器選擇一階高通有源濾波器。

2.4 抗混疊濾波電路

由采樣定理可知，采樣頻率要大于采集信號(hào)中最高頻率的2倍。如果不滿足采樣定理，采集的信號(hào)就會(huì)發(fā)生信號(hào)混疊。為保證采集信號(hào)的準(zhǔn)確性，需要將大于1/2采樣頻率模擬信號(hào)成分過(guò)濾掉。濾波芯片采用低通濾波芯片LTC1563，LTC1563可用外部電阻配置濾波芯片的截止頻率，根據(jù)電路具體配置計(jì)算截止頻率約為213 kHz。

2.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用具有16位輸出精度的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7610。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用±5 V電壓輸入，16位并行數(shù)字輸出模式。圖4為AD7610并行讀取數(shù)據(jù)的時(shí)序圖。從CNVST引腳電平下降沿開(kāi)始，數(shù)據(jù)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)t10時(shí)間后新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，并行數(shù)據(jù)輸出接口輸出新數(shù)據(jù)。

圖4 并行數(shù)據(jù)讀取時(shí)序

3 FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 FPGA整體結(jié)構(gòu)

FPGA采用EP4CE10F17C8芯片。FPGA具有低延遲、可并行化的特性，可實(shí)現(xiàn)FPGA緩存數(shù)據(jù)和對(duì)時(shí)域指標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算。

FPGA的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，F(xiàn)PGA芯片實(shí)現(xiàn)的主要功能有數(shù)據(jù)緩存、時(shí)域指標(biāo)計(jì)算和為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供采樣時(shí)鐘。由單片機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)控制PLL分頻所輸出的采樣時(shí)鐘，采樣時(shí)鐘為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，控制采樣頻率。時(shí)域特征實(shí)時(shí)計(jì)算模塊對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將監(jiān)測(cè)指標(biāo)發(fā)送給單片機(jī)，如果計(jì)算值超過(guò)設(shè)定閾值將發(fā)送命令到數(shù)據(jù)緩存模塊。收到命令后，F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)緩存模塊將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的16 bit并行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)，等待單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。

圖5 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)緩存模塊

數(shù)據(jù)緩存模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)連接到FPGA芯片，使用FIFO緩存器將采集數(shù)據(jù)臨時(shí)保存。收到采集信號(hào)時(shí)通過(guò)寫(xiě)控制模塊將采集數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO緩存器，緩存2 048個(gè)采樣點(diǎn)，采集完成輸出存滿信號(hào)，等待讀取。收到讀取信號(hào)時(shí)，通過(guò)FIFO讀控制模塊將FIFO中數(shù)據(jù)讀出，并通過(guò)SPI接口傳給單片機(jī)，SPI傳輸協(xié)議有主機(jī)和從機(jī)之分，這里將FPGA配置成從機(jī)，便于單片機(jī)采集控制。

圖6 數(shù)據(jù)緩存模塊結(jié)構(gòu)

3.3 時(shí)域特征實(shí)時(shí)計(jì)算模塊

實(shí)時(shí)處理模塊是通過(guò)對(duì)采集信號(hào)的時(shí)域特征計(jì)算，對(duì)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行初步診斷，具體計(jì)算的指標(biāo)為信號(hào)的峭度指標(biāo)、裕度指標(biāo)和脈沖指標(biāo)，在設(shè)備故障初期這些指標(biāo)往往有增大的趨勢(shì)。具體計(jì)算見(jiàn)式(1)～式(3)：

(1)

(2)

(3)

時(shí)域特征實(shí)時(shí)計(jì)算模塊的結(jié)構(gòu)如圖7所示，F(xiàn)PGA接收到模數(shù)轉(zhuǎn)換器緩存的數(shù)據(jù)，將2 048個(gè)采樣點(diǎn)保存到RAM模塊中。然后進(jìn)入根據(jù)峭度指標(biāo)、裕度指標(biāo)和脈沖指標(biāo)公式設(shè)計(jì)的數(shù)字計(jì)算電路，將計(jì)算結(jié)果與設(shè)置的閾值指標(biāo)相比較，若大于設(shè)置閾值指標(biāo)則發(fā)出控制信號(hào)到數(shù)據(jù)緩存模塊。

圖7 時(shí)域特征實(shí)時(shí)計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)

4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用的是Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6芯片，該芯片基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有低功耗、控制能力強(qiáng)和豐富的外設(shè)資源等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。

4.1 SPI接口連接

單片機(jī)和FPGA芯片通過(guò)SPI接口通信，其連接如圖8所示。SPI通信有主機(jī)和從機(jī)之分，將FPGA設(shè)置為從機(jī)，將STM32設(shè)置為主機(jī)讀取數(shù)據(jù)。CS為片選信號(hào)，通信前主機(jī)需要將此引腳拉低，當(dāng)CS拉低時(shí)說(shuō)明從機(jī)被選中。SCK為SPI通信的時(shí)鐘信號(hào)，為信號(hào)傳輸提供時(shí)鐘參考。MISO為數(shù)據(jù)傳輸引腳，對(duì)于主機(jī)是信號(hào)輸入引腳，對(duì)于從機(jī)為信號(hào)輸出引腳。MOSI也是數(shù)據(jù)傳輸引腳，對(duì)于主機(jī)是信號(hào)輸出引腳，對(duì)于從機(jī)為信號(hào)輸入引腳。

圖8 SPI接口連接

4.2 單片機(jī)程序流程

單片機(jī)的內(nèi)部程序流程如圖9所示，單片機(jī)上電，開(kāi)始初始化配置各接口的模式和參數(shù)。通過(guò)FPGA芯片發(fā)送的信號(hào)判斷數(shù)據(jù)是否緩存完成，若有緩存完成標(biāo)志則讀取數(shù)據(jù)，若無(wú)緩存完成標(biāo)志，判斷是否達(dá)到定時(shí)采集時(shí)間，若達(dá)到定時(shí)時(shí)間則向FPGA發(fā)送采集信號(hào)，若未達(dá)到定時(shí)時(shí)間則進(jìn)行下一次循環(huán)。獲得FPGA緩存的數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由16 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成加速度數(shù)據(jù)。接下來(lái)判斷NB-IoT的通信是否正常，若通信正常則將數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT模塊發(fā)送到云端，若通信發(fā)生故障，則將數(shù)據(jù)保存到SD卡。

圖9 單片機(jī)程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

5.1 數(shù)字系統(tǒng)驗(yàn)證

使用Modelsim軟件對(duì)FPGA的時(shí)域處理模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，取0～65 535范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)模擬A/D轉(zhuǎn)換后的16 bit數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入，驗(yàn)證結(jié)果如圖10所示。data為輸入數(shù)據(jù)，峭度指標(biāo)kurtosis、脈沖指標(biāo)impulse和裕度指標(biāo)margin為輸出信號(hào)，數(shù)據(jù)輸出正常說(shuō)明該數(shù)字系統(tǒng)工作正常。

圖10 Modelsim仿真結(jié)果

5.2 SPI數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

測(cè)試FPGA與STM32F103的通信是否正常，使用SignalTap II在線邏輯分析儀對(duì)FPGA的SPI接口波形進(jìn)行采樣，采樣波形如圖11所示。由圖11可知，輸入信號(hào)引腳的波形與數(shù)據(jù)接收寄存器rdata數(shù)據(jù)一致，輸出信號(hào)引腳的波形與數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器tdata數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明FPGA和單片機(jī)的SPI接口通信正常。

圖11 SignalTap II采樣波形

5.3 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

用單片機(jī)控制NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，以O(shè)NENET為云端接收平臺(tái)。上傳的數(shù)據(jù)有采集的加速度數(shù)據(jù)acc和監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)信息state，如圖12所示。

圖12 上傳數(shù)據(jù)類(lèi)型

每個(gè)數(shù)據(jù)可以展開(kāi)顯示具體數(shù)值，圖13為采集的加速度數(shù)據(jù)。可以查看歷史發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)以Excel文件格式導(dǎo)出，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖13 上傳的加速度數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)采集的機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，當(dāng)時(shí)域特征指標(biāo)超出閾值時(shí)，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?。即?shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，又減少了數(shù)據(jù)上傳量。而且該系統(tǒng)具有安裝方便、適用范圍廣、可擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。