【正文】 圖 333 POLL 命令時序圖 Fig 333 Timing diagram of POLL mand 下面是發(fā)生在主處理器和 CC2480 之間的一系列事件： 1 、 CC2480 要發(fā)送 數(shù)據(jù)到主處理器，應首先 設(shè)置 SRDY 為低電平 ，準備接收POLL 命令。這取決于命令字段。對于 SRSP 命令，子系統(tǒng) 和 ID 應和相應的 SREQ 命令設(shè)置為相同的值。 表 35 命令字段的格式 Table 35 Command field format Cmd0 Cmd1 Bits： 75 40 70 類型 子系統(tǒng) 編號 類型：命令字節(jié)的值為下面之一： ? 0： POLL： POLL 命令用于檢索隊列數(shù)據(jù)。 ? 配置接口 ： 允許應用程序處理器配置 CC2480 設(shè)備的各種參數(shù)。 為了達到較高的性能，在 PCB 板的 設(shè)計 中應嚴格遵循手冊上的一些設(shè)計規(guī)則，盡量與參考設(shè)計保持一致。 圖 329 CC2491+CC2480 應用電路 Fig 329 CC2591+CC2480 application circuit 由于 SPI 的傳輸速率要高于 UART 的傳輸速率，且 CC2480 在采用 SPI 傳輸模式時還具有電源管理和事務(wù)控制的輔助功能，本課題采用了 SPI 傳輸模式，將 SO/RX，SI/TX， SS/CT， C/RT 管腳與主處理器的 SPI 相關(guān)管腳進行連接。本設(shè)計中還選用了 TI 的 RF 前端 CC2591， 可將輸出功率提高＋22dBm，接收機靈敏度提高＋ 6dB， 因此 可 以 顯著擴大 無線 覆蓋范圍。另外，一些其它配置參數(shù)可以通過軟件接口在 CC2480 上配置。 圖 328 為主處理器與 CC2480 通信的示意圖。 ? 當配置為終端設(shè)備時，在閑置期間自動進入低功耗模式（ ）。 CC2480 是一個低成本、低功耗的 ZAccel ZigBee 處理器 ，通過一個 SPI 或 UART口能和任何一個微處理器通信 。 CC2430 芯片工作時的電流損耗為 27mA，接收和發(fā)射模式下的電流損耗分別低于 27mA 或 25mA，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。由于其多跳傳輸?shù)奶匦?，很大程度地提高了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍 [29]。 本課題采用基于 EMD 的波形特征參數(shù)法進行故障的判斷與識別。 對實信號 ()xt ，其 EMD 分解過程如下 [28]： 1）確定數(shù)據(jù)序列 ()xt 所有的極大值點和極小值點，采用三次樣條插值函數(shù)分別對其擬合，形成數(shù)據(jù)的上、下包絡(luò)線，計算上、下包絡(luò)線的均值，求出原數(shù)據(jù)序列和包絡(luò)均值的差值 1h 。 常用的波形特 征參數(shù)方法在實際應用中都具有一定的診斷能力，但同時也存在一些不足。它是一個相對值，不受振動信號絕對值大小的影響，也不受軸承尺寸和轉(zhuǎn)速的影響。對于一個有損傷的軸承，當滾動體接觸點進入缺陷區(qū)時，就會發(fā)生機械沖擊，沖第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 擊脈沖幅度與損傷的程度成正比 [25]。常用的模擬低通濾波器的原型產(chǎn)生函數(shù)有巴特沃斯濾波器原型、切比雪夫濾波器原型、橢圓濾波器原型等。 信號濾波處理 在采集原始振動信號的過程中，由于會產(chǎn)生摩擦信號、機械噪聲、環(huán)境噪聲等共同疊加的檢測信號，如何從檢測到的信號中將真正有用的表征不同類型缺陷的聲發(fā)射信號提取出來是至關(guān)重要的。 XC3S100E 是一款高性能低價格的可編程邏輯器件 （ FPGA） ，具有豐富的邏輯單元和存儲單元，其內(nèi)部的 Block Ram 可以配置為大小不同的各種類型存儲器，如單口RAM、雙口 RAM 和同步 FIFO，其中 FIFO 更適合作為采樣數(shù)據(jù)高速寫入的存儲器。如果 SENCE 管腳與 REFCOM 管腳相連， VREF 電壓為 。 AD9240 采用帶有數(shù)字輸出誤差校正的多級差動流水線結(jié)構(gòu)，在寬溫度環(huán)境下工作不會丟碼。同樣，低通濾波電路也利用邏輯開關(guān)提供了多達 8 種截止頻率，以便于根據(jù)信號的不同特點進行濾波處理。 由于本課題選用的振動傳感器芯片 ADXL105 和 ADXL78 的輸出電壓范圍均在 0 ~ 5V 之間，適合作為 A/D 轉(zhuǎn)換器 的輸入信號。經(jīng)過整形后得到如 圖 315 所示的規(guī)則方波信號。因此，需要對脈沖信號進行預處理，使其成為較為規(guī)則的方波信號。檢測鍵相槽位置所使用的傳感器一般是電渦流傳感器。時，測量結(jié)果只會產(chǎn)生 %的誤差。將芯片水平放置在地表面上，此時加速度為 0g，讀取的輸出值即為加速度為 0g 時的輸出電壓。 處理器默認采用UCAout 的輸出信號，以保證較高的分辨率。這兩個引腳應直接相連，并在 Vdd 與 COM 之間連接 的去耦電容以降低電源噪聲。如 圖 33 所示， CS1 和 CS2 是兩個差動電容， 由兩個固定的外側(cè)極板和一個可移動的中間極板構(gòu)成，電容值隨中間極板的位置而改變 [16]。50g 和 177。 信號是通過阻擋帶 （ 例如位于非危險的測量設(shè)備的數(shù)據(jù)采集器或接線盒 ） 傳輸后便于后期處理 。 這些區(qū)域通常被稱作“危險區(qū)域” 。其中虛線部分指的是串口轉(zhuǎn) WiFi設(shè)備 Secure iWiFi，它通過無線 AP 實現(xiàn) ZigBee 協(xié)調(diào)器與現(xiàn)場服務(wù)器的通信。在設(shè)備工作時，可以對 ISM 頻段進行掃描，根據(jù)具體的判斷標準動態(tài)選擇最佳的傳輸信道，避免占用同一信道，減小干擾 。在美國， FCC 法規(guī)僅允許信道 1 到11 被使用。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓撲主要有星狀、網(wǎng)狀和混合狀，如 圖 22 所示。從而保證消費者從不同供應商處買到的 ZigBee 設(shè)備可以一起工作。盡管無線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應用階段，但已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大的應用價值， 相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進， 必將發(fā)揮更大的 應用 價值 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應用前景，其發(fā)展和應用，將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠影響 [7]。 圖 21 無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig 21 Structure of wireless monitor system 本課題主要研究無線監(jiān)測智能單元的設(shè)計實現(xiàn)，并 組建振動信號的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。 第三章 詳細介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計， 全面而詳盡的描述了各個模塊的設(shè)計理念和實現(xiàn)方式。 （ 2）傳感器設(shè)計 第一章 緒論 在石油、化工等過程測量與自動化控制系統(tǒng)中，可能出現(xiàn)潛在的爆炸性環(huán)境，因此 在本課題的設(shè)計中傳感器 選擇本安型，以防止爆炸的發(fā)生。但是軟硬件的研制工作量大。 80 年代國內(nèi)一些高校和科研單位開始進行機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的理論研究和小范圍工程實際應用研究 [3]。 機泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展與 現(xiàn)狀 機泵是石油化工生產(chǎn)建設(shè)上應用最 廣泛的機械設(shè)備。第一章 緒論 1. 第一章 緒論 課題背景及意義 隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展以及自動化程度的不斷提高，機械設(shè)備本身技術(shù)水平和復雜度也得到大幅提高，生產(chǎn)系統(tǒng)中各設(shè)備之間的聯(lián)系也越來越緊密，導致設(shè)備故障對生產(chǎn)的影響顯著增加。近些年來，隨著機械工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化的機械設(shè)備正朝著大型化、重載化、輕型化和高度自動化等方向發(fā)展。 并且在冶金、化工、機械、交通、電力及核工業(yè)等部門取得了一批卓有成效的成果，如哈爾濱工業(yè)大學研制的微計算機化旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測故障診斷裝置“ MMMDIII”、哈爾濱電工儀表所等單位聯(lián)合研制的“ 200MW 汽輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)第一章 緒論 測 /分析及故障診斷系統(tǒng) 2HX10”等，目前全國已有 數(shù)十個單位開展設(shè)備故障診斷技術(shù)的研究工作，各行業(yè)都很重視在關(guān)鍵設(shè)備上裝備故障診斷系統(tǒng)，特別是具有智能化功能的故障診斷專家系統(tǒng)，并已經(jīng)成功開發(fā)了 20 種以上的機組故障診斷系統(tǒng)。 論文研究的主要內(nèi)容 本課題研究基于 ZigBee 的無線傳感網(wǎng)絡(luò)組建和優(yōu)化技術(shù)，研制包括傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和特征提取識別以及數(shù)據(jù)傳輸多功能集于一體的無線傳感網(wǎng)絡(luò)單元。 振動信號是旋轉(zhuǎn)機械故障診斷中非常重要的參量，可以及時有效 的監(jiān)測 機泵 的運行狀態(tài)。 第四章 結(jié)合實際應用，分析和驗證了基于 ZigBee 的機泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在實際運行中的效率。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由傳感器、數(shù)據(jù)采集處理模塊和 ZigBee收發(fā)模塊組成，在 ZigBee中心節(jié)點 （即協(xié)調(diào)器） 的組織下構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也 被 列入其中。 基于 ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ZigBee 技術(shù)是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡(luò)方案。 完整的 ZigBee 協(xié)議棧自上而下由應用層、應用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成 [9]，如 表 21 所示： 表 21 ZigBee 協(xié)議棧組成 Table 21 Structure of ZigBee protocol 應用層 應用匯聚層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 LLC MAC 物理層 應用層定義了各種類型的應用業(yè)務(wù)，是協(xié)議棧的最上層用戶。 第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù) 圖 22 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) Fig 22 ZigBee work topology 星型拓撲具有組網(wǎng)簡單、成本低和電池使用壽命長的優(yōu)點；但網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，可靠性不及網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，一旦中心節(jié)點發(fā)生故障，所有與之相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信將中斷。在歐洲 1– 13 被允許用在 操作中（ 9 和 13 經(jīng)常被配置）。 在信道資源足夠的前提下，也可以為 ZigBee 設(shè)備和 WiFi 設(shè)備固定的選擇互不重疊的信道。該部分僅存在于作為 ZigBee 協(xié)調(diào)器的無線監(jiān)測單元內(nèi)。 本 質(zhì) 安 全 的原理是有意地限制危險區(qū)域電路的電能 ， 使任何可能產(chǎn)生的電路火花或熱 點都變得極弱小而不至于引爆氣體 [12]。 傳感器必須通過有接地的結(jié)構(gòu)合理接地 。70g， 本課題選用 177。當沒有加速度作用時，中間極板的位置剛好在差動電容的正中間，兩側(cè)電容 CS1 和 CS2 相等，在分壓器的輸出電壓為零，表示加速度為 0g。 COM 引腳 4 和 7 應直接相連，并由 7 腳接地。若實際測得的交流電壓信號范圍超出177。將加速度計旋轉(zhuǎn) 90176。 鍵相測量 鍵相測量可以 確定出振動 信號 的相位角 和軸承轉(zhuǎn)速 ，用于軸的動平衡分析以及設(shè)備的故障分析與診斷等方面。 圖 312 鍵相測量原理 Fig 312 Key phase measurement diagram 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 鍵相槽可以采用凹槽或者凸槽，當這個鍵相槽轉(zhuǎn)動到傳感器探頭安裝位置時，由于探頭與被測面間距突變，傳感器會產(chǎn)生一個脈沖信號， 旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)軸 每轉(zhuǎn)一周，就會產(chǎn)生一個脈沖信號， 在一定時間內(nèi)，通過對 脈沖 信號的計數(shù)，可以計算出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，也可以通過計算連續(xù)兩個鍵相信號之間的時間間隔來計算出轉(zhuǎn)速。 預處理電路如 圖 313 所示。 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 圖 314 光耦的輸出信號 Fig 314 Output signal of optocoupler 圖 315 預處理電路輸出信號 Fig 315 Output signal of pretreatment circuit 經(jīng)過預處理之后的脈沖信號變成了 + 的規(guī)則方波信號，與 FPGA 或處理器相連，便可完成脈沖計數(shù)和周期測量，進而實現(xiàn)振動相位檢測和軸承轉(zhuǎn)速的測量，以及對設(shè)備故障的 進一步診斷和分析。因此，該模塊中只對原始電壓信號進第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 行了濾波處理。 圖 317 低通濾波電路 Fig 317 Lowpass fiter circuit 在經(jīng)過以上的濾波電路之后，振 動傳感器的電壓信號已去除直流分量和噪聲信號，其電壓范圍變成 ~ +。 其工作時序圖如 圖 319 所示： 圖 319 時序圖 Fig 319 Timing diagram AD9240 在每個時鐘周期都可以進行采樣，但需要 3 個時鐘周期完成整個轉(zhuǎn)換的處理過程，數(shù)據(jù)輸出比采樣時刻晚 3 個時鐘周期。如果 SENCE 管腳與VREF 管腳相連， VREF 電壓為 1V。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行讀操作，數(shù)據(jù)在其中順序移動 [23]。因此，首先要對信號進行濾波處理，盡量還原最真實的原始信號。 濾波處理往往以濾除噪聲為基本應用，而在處理振動信號時，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，直接對故障信號進行分析。由于沖擊力的變動幅度很大，并帶有很大的隨機噪聲，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。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 當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。實際系統(tǒng)中測得的滾動軸承振動信號多為非平穩(wěn)、非線性的，且當局部故障規(guī)模較小時，故障信息易被背景噪聲淹沒。 2） 判斷 1h 是否滿足 IMF 條件 ， 如果不滿足 ， 則對其重 復上述過程 ， 直到第 k 次