一種電機(jī)振動(dòng)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

湯寅波，夏 冰

（馬鋼股份有限公司制造管理部 安徽馬鞍山 243100）

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)核心是振動(dòng)監(jiān)測(cè)，這些振動(dòng)特性是設(shè)備故障分析的主要依據(jù)。 機(jī)械裝備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)能有效避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，提升工業(yè)生產(chǎn)效率。 為了提高設(shè)備振動(dòng)的測(cè)量效率，嵌入式MEMS 傳感器為需要實(shí)時(shí)測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)的設(shè)備提供了一種更具成本效益的方法。

采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)合MEMS 傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)械振動(dòng)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足［2］。 本文以軋機(jī)振動(dòng)為切入點(diǎn)，針對(duì)流程工業(yè)領(lǐng)域中機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于振動(dòng)數(shù)據(jù)采集及無線傳輸?shù)碾姍C(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 振動(dòng)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無線振動(dòng)傳感器由處理器模塊、傳感模塊、無線通信模塊以及電源模塊四個(gè)部分組成。 處理器模塊是無線振動(dòng)傳感器的核心，具有邏輯控制，數(shù)據(jù)處理等功能，傳感模塊感知振動(dòng)數(shù)據(jù)，各模塊之間通過SPI、UART 等標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

測(cè)振傳感器的選擇需要根據(jù)應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)，并參考傳感器集成難度、功耗、采集速率、信號(hào)轉(zhuǎn)換分辨率和成本等參數(shù)。 該設(shè)計(jì)方案選取了三軸加速度計(jì)ADXL357 作為振動(dòng)傳感模塊，加速度計(jì)測(cè)量范圍±40 g，不僅性能出色，功耗也極低，為物聯(lián)網(wǎng)用途提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，滿足了對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景。

電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采樣頻率較高，數(shù)據(jù)量大，并且涉及到了浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算，需要滿足對(duì)信號(hào)快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。 因此選擇以Cortex－M3 為內(nèi)核的32 位單片機(jī)STM32F103CBT6 作為處理器芯片。 處理器模塊的硬件電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)框圖

處理器單元負(fù)責(zé)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、 處理和上傳等工作，以及加速度計(jì)的控制，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并上傳至終端。

無線振動(dòng)傳感器采用聚合物鋰電池作能量供應(yīng)，聚合物鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.7 V，充滿電后電壓為4.2 V，需要經(jīng)過降壓電路對(duì)鋰電池進(jìn)行降壓，滿足無線振動(dòng)傳感器各個(gè)模塊的供電需求。

在圖3 的設(shè)計(jì)中，采用LDO 芯片AMS1117－3.3 V對(duì)電源進(jìn)行降壓處理。 5 V 直流電源經(jīng)過AMS1117－3.3 V 降為3.3 V 電壓，在LDO 輸入端和輸出端均有去耦電容，用于濾除電源中的噪聲。

圖3 電路板供電單元設(shè)計(jì)

完成集成電路設(shè)計(jì)后，采用Altium Designer 軟件對(duì)測(cè)振傳感器主控板進(jìn)行了PCB 設(shè)計(jì)，對(duì)元器件進(jìn)行合理的布局與走線，完成集成化控制板的制作。

1.2 振動(dòng)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)振傳感器按軟件功能可分為四個(gè)部分。 信號(hào)采集功能：負(fù)責(zé)采集加速度計(jì)數(shù)據(jù)；邏輯控制功能：執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)热蝿?wù)分配；數(shù)據(jù)處理功能：負(fù)責(zé)提供精準(zhǔn)的振動(dòng)信號(hào)；無線通信功能：實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)傳輸至終端。

振動(dòng)傳感器軟件設(shè)計(jì)主要包括主控、傳感器、無線模塊初始化、信號(hào)采集、計(jì)算以及通信等9 個(gè)部分，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如圖4 所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)方案

2 信號(hào)采集與處理

2.1 信號(hào)采集

MCU 采用SPI 通信方式實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，SPI 通信時(shí)序如圖5 所示。 配置為4 線模式下工作；采用8 位通信模式；時(shí)鐘信號(hào)空閑狀態(tài)時(shí)為低電平，有效狀態(tài)時(shí)為高電平；在同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿采樣數(shù)據(jù)。 采樣速率設(shè)置為4KHz，主分頻為16 分頻，保證傳輸速率可達(dá)1Mbps 以上，時(shí)鐘采用內(nèi)部時(shí)鐘。 SPI 通信中，當(dāng)要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，必須要先寫入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，該字節(jié)數(shù)據(jù)為所要讀取寄存器的地址值，通過MOSI 發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)后，時(shí)鐘線才會(huì)啟動(dòng)［3］。

圖5 單個(gè)字節(jié)SPI 通信時(shí)序圖

ADXL357 內(nèi)部包含了3 獨(dú)立的20 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），分別對(duì)X、Y、Z 三個(gè)軸的加速度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值存放在對(duì)應(yīng)的寄存器中，例如X 軸加速度數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換之后ADC值存放在ADXL357 的XDATA3、XDATA2、XDA?TA1 三個(gè)八位寄存器中。 同樣Y 軸，Z 軸也都含有三個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。 主控通過寄存器地址分別獲取X 軸、Y 軸和Z 軸的數(shù)據(jù)寄存器值，單軸數(shù)據(jù)為20位，最高位為符號(hào)位，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存儲(chǔ)，主控讀取對(duì)應(yīng)寄存器數(shù)據(jù)內(nèi)容后對(duì)其進(jìn)行計(jì)算處理得到三軸加速度值。 即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高位換算，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化如下：

acceX ＝（X3＜＜12 ｜X2＜＜4 ｜X1＞＞4）?10／524288.0；

acceY ＝（Y3＜＜12 ｜Y2＜＜4 ｜Y1＞＞4）?10／524288.0；

acceZ ＝（Z3 ＜＜12 ｜ Z2 ＜＜4 ｜ Z1 ＞＞4）?10／524288.0。

acceX、acceY、acceZ 分別為X 軸、Y 軸和Z 軸加速度數(shù)值。

2.2 信號(hào)處理

2.2.1 加速度分解

加速度計(jì)通過測(cè)量施加于傳感器上的力來測(cè)量設(shè)備的加速度，重力始終會(huì)影響測(cè)量的加速度值，根據(jù)牛頓第二定律，公式（3）－（5）可以表示為：

其中，F(xiàn) 為質(zhì)量塊受到的除重力之外的合力，g為重力加速度，g ＝9.8 m／s2。

為了測(cè)量出電機(jī)的振動(dòng)加速度，必須從原始加速度值中去除重力加速度得到線性加速度，使用低通濾波器將重力加速度進(jìn)行隔離，根據(jù)一階低通濾波算法公式［4］：

則

由公式（3）分離出原始加速度序列中的重力加速度Ag（n），然后代入公式（4）計(jì)算線性加速度。

其中，Al（n）表示X、Y、Z 軸的線性加速度序列，Am（n）表示X、Y、Z 軸的原始加速度序列，Ag（n）表示在X、Y、Z 軸對(duì)應(yīng)的重力加速度分量序列。 式（5）中的為濾波系數(shù)可由式（6）確定。

其中，α 為濾波系數(shù)，τc為低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，dt為采樣周期。

對(duì)原始加速度進(jìn)行加速度分解的結(jié)果如圖6和圖7 所示，傳感器采樣頻率為1KHz，采樣點(diǎn)數(shù)為1000，濾波系數(shù)為0.9。 其中，圖6 為未經(jīng)過加速度分離的原始加速度序列，圖7 為執(zhí)行加速度分解算法后的加速度序列。

圖6 原始加速度波形

圖7 去重后加速度波形

將傳感器靜止放置時(shí)，三軸數(shù)據(jù)都為零，符合算法理論值。

2.2.2 振動(dòng)速度推算

通過三軸MEMS 加速度計(jì)可以測(cè)量設(shè)備振動(dòng)加速度，在實(shí)際應(yīng)用大多需要使用線速度或者位移來量化振動(dòng)。 為了從一種振動(dòng)量得到另一種振動(dòng)量，利用加速度信號(hào)得到速度是一種行之有效的方法［5］。 理論上，通過對(duì)振動(dòng)加速度進(jìn)行積分，可得到振動(dòng)速度，由于加速度是不斷變化的，求速度相當(dāng)于求類似曲邊梯形的面積，公式如下：

由于實(shí)測(cè)加速度序列是以采樣周期為間隔的離散數(shù)據(jù)，無法求解其原函數(shù)，不能直接使用牛頓－萊布尼茲公式進(jìn)行積分計(jì)算，需要采用數(shù)值積分方法進(jìn)行計(jì)算。 常見的一種數(shù)值積分方法（梯形公式）如公式（8）所示。

仿真計(jì)算時(shí)使用測(cè)振傳感器以1KHz 的采樣頻率采集數(shù)據(jù)。 首先，將原始加速度序列執(zhí)行滑窗均值濾波算法；其次，對(duì)進(jìn)行濾波后的振動(dòng)加速度序列執(zhí)行改進(jìn)的梯度積分算法得到速度時(shí)間序列，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 速度序列時(shí)域圖

從圖8 可以得出，速度與加速度之間的基頻保持一致，此方法計(jì)算出的速度數(shù)據(jù)與速度傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)相符合。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在測(cè)振傳感器制作完成后，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試與標(biāo)定。 通過標(biāo)定校準(zhǔn)來補(bǔ)償各種誤差以提高其檢測(cè)精度。 根據(jù)采樣定理，為了保證采集信號(hào)最大程度還原設(shè)備振動(dòng)特性，本文使用3 倍于被采對(duì)象的頻率進(jìn)行采集，因此設(shè)置測(cè)振傳感器采樣頻率為1 KHz，在旋轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)速為950 r／min 時(shí)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集。

由于所采集的信號(hào)存在一定范圍的震蕩和低頻分量，導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移以及外界環(huán)境干擾等因素，造成信號(hào)中存在一定誤差和趨勢(shì)項(xiàng)，影響信號(hào)分析結(jié)果，因此在對(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)，采用最小平方法去除趨勢(shì)項(xiàng)［6］。

測(cè)振傳感器通過聚合物鋰電池供電，并通過外部磁座固定在設(shè)備表面，上位機(jī)端的接收到振動(dòng)加速度時(shí)域圖如圖9 所示。 加速度頻譜數(shù)據(jù)繪制成頻譜圖如圖10 所示。

圖9 實(shí)測(cè)加速度曲線圖

圖10 加速度FFT 頻譜分析圖

由圖10 中的上位機(jī)接收到的振動(dòng)加速度頻譜數(shù)據(jù)可知，X、Y、Z 三個(gè)軸向的振動(dòng)加速度頻譜的有效信息得到保留，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)電機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的電機(jī)振動(dòng)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有低成本、低功耗、覆蓋面積廣，部署方便靈活等特性，有助于簡化實(shí)際工程設(shè)備維護(hù)的手續(xù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集性能。 從數(shù)據(jù)的高效采集、濾波分解、速度推算，保證了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和完整性。 該系統(tǒng)能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)有線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的局限性，在具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和潛在的應(yīng)用前景。