【正文】 就會發(fā)生數(shù)據(jù)存儲出錯(cuò)或者掉數(shù)。提取有效的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，可以使數(shù)據(jù)量相對原始波形信號大幅減少，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和能耗，從而保障系統(tǒng)的高效運(yùn)行。用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)函數(shù)具有可變化性，僅依賴于算法結(jié)構(gòu)，并易于獲得較理想的濾波性能，得到想要的濾波效果。 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)通常借助于模擬濾波器的原型，再將濾波 器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器。因此，利用巴特沃斯濾波器這個(gè)特性就能較理想的提取出高頻故障信號。 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) 圖 323 巴特沃斯幅頻響應(yīng) Fig 323 Butterworth frequency response 圖 324 信號輸入輸出前后對比 Fig 324 Comparation of input and output signals 特征參數(shù)提取 對振動信號 ()xt 直接進(jìn)行時(shí)域分析是狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷最簡單和最直接的方法，特別是當(dāng)信號中含有簡諧信號、周期信號和短脈沖信號時(shí)，這種分析方法更加有效。 峰值 ?X 大小可用來反映軸承某一局部故障點(diǎn)的沖擊力大小。 峰值因數(shù) C 能反映出波形的尖峰度。 峭度值 4? 對大幅度的信號 最敏感，當(dāng)大幅度的信號出現(xiàn)的概率增加，峭度值將迅速增大，因此，測量峭度值對含有脈沖的故障信號非常有效。建議在故障剛出現(xiàn)時(shí)參考。 EMD 分析法基于兩個(gè)假設(shè) [27]： 1）任何復(fù)雜的數(shù)據(jù)或信號都是由具有不同特征時(shí)間尺度的簡單本征模態(tài)函數(shù)（ intrinsic mode function, IMF）組成； 2）任何兩個(gè)本征模態(tài)函數(shù)之間是相互獨(dú)立的，一個(gè)信號可以包含許多個(gè)本征模態(tài)函數(shù)，如果各模態(tài)之間相互重疊，便形成復(fù)合信號。 在任意時(shí)刻 ， 每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)都會存在唯一的非負(fù)頻率成分。直至剩余的 r 不能再分解。但不同情況下這些特征參數(shù)的診斷能力卻不盡相同，因此為了提高故障診斷的準(zhǔn)確率，應(yīng)該將這些特征參數(shù)分別賦予不同的權(quán)重進(jìn)行組合分析。若經(jīng)過判斷與識別，發(fā)現(xiàn)設(shè)備無異常狀態(tài)則發(fā)送特征參數(shù)到現(xiàn)場服務(wù)器，否則發(fā)送波形數(shù)據(jù)到現(xiàn)場服務(wù)器，以便服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的診斷分析。 在各個(gè)機(jī)泵上分別布置安裝由 ZigBee 收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和若干傳感器共同組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，則在協(xié)調(diào)器與各個(gè)機(jī)泵之間便能夠組成一個(gè)基于ZigBee 協(xié)議的多跳的自組織、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如 圖 326 所示。 雖然這三種方案具有各自的優(yōu)勢，比如：外置 MCU+收發(fā)器方案靈活性高，單芯片解決方案占用空間最小且開發(fā)容易， ZigBee 協(xié)處理器 +MCU 方案靈活性高且能縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，但單芯片方案是主要廠商的主推方案，也是重要的發(fā)展趨勢。 圖 327 TI 的 ZigBee 解決方案 Fig 327 TI plete ZigBee Solution TI 的單芯片方案 CC2431/CC2430 在單個(gè)芯片上集成了 ZigBee 射頻前端、內(nèi)存和微控制器， CC2431 還帶硬件定位引擎。 TI 的 ZStack 軟件 ZigBee20xx 協(xié)議?？稍?ZigBee處理器上運(yùn)行，而應(yīng)用程序則在外部 MCU 上運(yùn)行。 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) ZigBee 模塊硬件設(shè)計(jì) 本課題為了縮短開發(fā)流程，并使 ZigBee 模塊更加靈活的應(yīng)用于現(xiàn)有設(shè)備，采用了 TI 的 ZigBee 處理器 CC2480 進(jìn)行 ZigBee 模塊的設(shè)計(jì)。 ZAccel 使 ZigBee 容易地添加到一個(gè)新的或已有產(chǎn)品中，同時(shí)也為微處理器的選擇提供了極大的靈活性。 ? 可以成為任何類型的 ZigBee 設(shè)備：協(xié)調(diào)器，路由 器或者終端設(shè)備。 ? 電源支持 ? 寬電壓支持范圍（ ） 。它是整 個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的主控制器，所有模塊在它的控制下有條不紊的工作，不僅包括信號的采集、處理，還包括數(shù)據(jù)的無線傳送、接收以及對命令的響應(yīng)等。 ? 電源管理：由 SRDY 和 MRDY 兩個(gè)信號組成，分別表示從設(shè)備準(zhǔn)備好和主設(shè)備準(zhǔn)備好，用于電源管理狀態(tài)和喚醒休眠設(shè)備的通信。 ? 配置：該接口包括 CC2480 的 CFG0 和 CFG1 引腳，用于選擇 SPI 或 UART傳輸，以及選擇是否安裝 32KHz 的晶振。內(nèi)置溫度傳感器和電池監(jiān)測器，數(shù)值可以通過 ADC 接口讀取。 另外，為了擴(kuò)大 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，需要提高發(fā)射功率和接收靈敏度。 ? 可將接收機(jī)靈敏度提高＋ 6 dB。 ZigBee 處理器 CC2480 與 RF 前端 CC2591 的原理圖連接如 圖 329 所示。 ? MRDY/SRDY： 主 /從設(shè)備準(zhǔn)備好，用于 SPI 傳輸時(shí)的電源管理和事務(wù)控制。 ? SS： SPI 從設(shè)備選擇 ， SCK： SPI 時(shí)鐘 ， MISO： SPI 從設(shè)備輸出 ， MOSI： SPI從設(shè)備輸入。 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) 圖 331 ZigBee 模塊 Fig 331 ZigBee module ZigBee 模塊軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)由底層向上主要分為三層。 CC2480 在該接口之上可用的功能 有 NV 存儲器， GPIO， ADC，軟件定時(shí)器和硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。 AF 接口允許 主 處理器把它的應(yīng)用程序登記到 CC2480，并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 命令：幀的命令 ，命令字段的具體格式如 表 35 所示 。例如，一個(gè)有返回值的函數(shù)調(diào)用將使用 SREQ 命令。這類命令僅用于響應(yīng)一個(gè) SREQ 命令。 子系統(tǒng)：命令的子系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)：幀的數(shù)據(jù)。 SRDY 表示從設(shè)備準(zhǔn)備好，當(dāng) CC2480 準(zhǔn)備接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置這個(gè)信號。 圖 333 顯示了主處理器發(fā)送給 CC2480 的 POLL 命令， 用于檢索隊(duì)列數(shù)據(jù) 。 3 、主處理 器發(fā)送數(shù)據(jù) ， 直到這一幀 發(fā)送結(jié)束 。 2 、主處理器檢測到 SRDY 為低電平，設(shè)置 MRDY 為低電平。當(dāng)在一個(gè) SPI POLL 或 SREQ 傳輸期間設(shè)置為高電平，表示 CC2480 準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。 在 SPI 事務(wù)處理和電源管理中需要用到 MRDY 和 SRDY 兩個(gè)信號。 ID 映射到一個(gè)特定的接口信息。 SRSP 的長度一般不為零，因此長度等于 0 的 SRSP 命令用于表示一個(gè)錯(cuò)誤。例如，無返回值的一個(gè)回調(diào)事件或函數(shù)調(diào)用將使用AREQ 命令。對于 POLL 命令，子系統(tǒng)和 ID 應(yīng)設(shè)置為 0，數(shù)據(jù)長度是 0。 主處理器與 CC2480 之間的 SPI 通信采用的通用幀格式如 表 34 所示，上述應(yīng)用程序命令接口均采用這種幀格式。 應(yīng)用層 Application 遠(yuǎn)程過程調(diào)用 RPC 硬件提取層 Hardware Abstraction Layer 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) ? 簡單 API 接口 ： 提供了 簡單 的 ZigBee 接口 ， 可 用于快速創(chuàng)建簡單的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，包括 配置設(shè)備，構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，綁定以及傳輸數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)如圖 332 所示： 圖 332 軟件結(jié)構(gòu)圖 Fig 332 Software structure 本設(shè)計(jì)中主處理器與 ZigBee 處理器 CC2480 之間采用 SPI 接口通信。需要注意的問題如下： ? CC2480 和 CC2591 的接 地焊盤上 分別對稱 分布 9 個(gè) 和 5 個(gè) 直徑為 14mil的過孔； ? 采用 4 層板設(shè)計(jì)， 頂層用于布信號線，開放區(qū)域覆銅，并通過若干過孔與地相連； ? 接地的管腳通過獨(dú)立的過孔與地相連，過孔與管腳的距離應(yīng)盡可能??； ? 去耦電容也應(yīng)該與供電管腳保持盡可能小的距離，另一端通過獨(dú)立的過孔與地連接 ； ? 外部器件應(yīng)盡可能的?。ㄍ扑] 0402 封裝），必須使用表貼器件； ? 強(qiáng)烈建議嚴(yán)格遵守參考的布線設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的性能。 ? RESET_N： 復(fù)位，低電平有效。若想 改變傳輸模式，在硬件上只需將上述管腳連接到主處理器的 UART 相關(guān)管腳即可。 ? 低傳輸電流消耗 (100mA at 3V for 20dBm Out, PAE = 33%) 。 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) CC2591 的主要特點(diǎn)如下 [33]： ? 集成了功率放大器 （ PA） 、低噪聲放大器 （ LNA） 、平衡轉(zhuǎn)換器 (balun)、交換機(jī) （ Switches） 、電感器和 RF 匹配網(wǎng)絡(luò) （ Matching Network） 等。 ? 非易失性參數(shù)：這個(gè)軟件接口允許主處理器存儲和訪問 CC2480 非易 失性內(nèi)存中的 4 個(gè) 2 字節(jié)參數(shù)和 2 個(gè) 16 字節(jié)參數(shù)。 ? ADC 輸入： CC2480 有一個(gè)自身的 12 位 ADC 和 2 個(gè) ADC 輸入引腳（ A0 和A1）。 ? 復(fù)位：主處理器可以通過 RESET_N 引腳復(fù)位 CC2480。 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) 圖 328 主處理器與 CC2480 通信示意圖 Fig 328 A host processor interfacing with CC2480 SPI 或 UART 物理接口用于這兩個(gè)處理器之間的通信。 ZigBee 處理器 CC2480 可與任何帶有 SPI 或 UART 接口的微處理器協(xié)同工作。 ? 無線技術(shù) ? 完全集成和加強(qiáng)的 IEEE 兼容的 DSSS RF 收發(fā)器。 ? 為應(yīng)用 MCU 提供 SPI 或 UART 接口。ZAccel 是一個(gè)解決方案， 此方案中 TI 的 ZigBee 協(xié)議棧運(yùn)行于 ZigBee 處理器，應(yīng)用程序運(yùn)行于外部微 處理 器。 在 MCU 和 RF 收發(fā)器分離的雙芯片方案方面， TI 采用的是 CC2420/CC2520 RF收發(fā)器和超低功耗 MCU MSP430。 CC2430 包含 8KB RAM 內(nèi)存和外圍模塊，并有 3 64 或 128KB 內(nèi)置閃存等三種不同組件可供選擇，方便設(shè)計(jì)人員在復(fù)雜性與 成本之間做出最佳選擇 [31]。 在主要 的 Zigbee 芯片提供商中， Freescale、 Ember、 Jennic 可以提供單芯片方案，Atmel、 Microchip 等其它廠商大都提供 MCU 和 RF 收發(fā)器分離的雙芯片方案 ， 德州第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) 儀器 (TI)的 Zigbee 產(chǎn)品線覆蓋了以上三種方案 。并且，由于其低功耗、短時(shí)延的優(yōu)良特性，使得系 統(tǒng)運(yùn)營的成本降低，效率也得到明顯的提高。 在各個(gè)機(jī)泵之間采用 ZigBee 技術(shù)， 借助其網(wǎng)狀拓?fù)涞奶攸c(diǎn)， 形成低功耗、短時(shí)延的自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個(gè)工業(yè)現(xiàn) 場。用 C 語言編寫特征參數(shù)提取和故障判斷識別的程序，運(yùn)行于 ARM9 處理器 AT91SAM9260 中。 基于 EMD 的波形特征參數(shù)分析法是將原 始信號進(jìn)行 EMD 算法處理，分解得到內(nèi)模函數(shù)（ IMF）分量，對 IMF 分量進(jìn)行 Hilbert 變換，得到能量波形以及瞬時(shí)頻率波形，進(jìn)行相應(yīng)的波形特征參數(shù)分析，最后獲取故障診斷的特征參數(shù)。 2） 判斷 1h 是否滿足 IMF 條件 ， 如果不滿足 ， 則對其重 復(fù)上述過程 ， 直到第 k 次的 1kh 是本征模態(tài) 函數(shù)，即 11kch? ， 1c 為從原始數(shù)據(jù)中提取出來的第一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)，代表信號的最高頻率成分。 本征模態(tài)函數(shù)必須滿足的條件 ： 1） 在整個(gè)數(shù)據(jù)長度 ， 極值點(diǎn)和過零點(diǎn)的數(shù)目必須相等或至多相差一個(gè) ； 2） 在任意數(shù)據(jù)點(diǎn) ， 由局部極大值點(diǎn)構(gòu)成的包絡(luò)線和局部極小值點(diǎn)構(gòu)成的包絡(luò)線的平均值必須為零。實(shí)際系統(tǒng)中測得的滾動軸承振動信號多為非平穩(wěn)、非線性的，且當(dāng)局部故障規(guī)模較小時(shí)，故障信息易被背景噪聲淹沒。 峭度指標(biāo) K 是一個(gè)無量綱的參數(shù)，只能反映進(jìn)展中的故障。正常軸承振動波形的峰值因數(shù)約為 45，而第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) 當(dāng)存在局部缺陷引起的振動的波形的峰值因數(shù)往往超過 10。 有效值 RMSX 反映信號的能量大小，特別適用于具有隨機(jī)振動性質(zhì)的軸承測量。由于沖擊力的變動幅度很大，并帶有很大的隨機(jī)噪聲，因此，對沖擊波形的幅度用波形特征參數(shù)來表示，能有效地反映軸承的故障狀態(tài)，這是故障監(jiān)測中常用的方法。 圖 323 為巴特沃斯的幅頻響應(yīng)曲線。 濾波處理往往以濾除噪聲為基本應(yīng)用，而在處理振動信號時(shí)，由于故障信號一般屬于高頻信號，因此，可以采用高通濾波的方式將故障信號提取出來，直接對故障信號進(jìn)行分析。經(jīng)典數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：一種是 IIR 數(shù)字濾波器，稱為無限長沖激響應(yīng)濾波器；另一種是 FIR 濾波器，稱為有現(xiàn)場沖激響應(yīng)濾波器 [24]。因此，首先要對信號進(jìn)行濾波處理，盡量還原最真實(shí)的原始信號。實(shí)物圖如 圖 322 所示： 圖 322 FPGA 核心板 Fig 322 FPGA core board AD9240 FIFO D0…D13 串行轉(zhuǎn)換 D0…D13 SPI MCU 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) 信號處理與特征提取識別 基于 ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)，因此為 了減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)效率，應(yīng)盡量避免較大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸。FIFO 具有 兩 套數(shù)據(jù)線而無地址線，可在其一端寫操作而在另一端進(jìn)行讀操作，數(shù)據(jù)在其中順序移動 [23]。 表 33 輸出數(shù)據(jù)格式 Table 33 Output data format