【正文】 成的 16 路模擬開關(guān) Fig 318 16 Analog Switch constructed by 2 chips of ADG608 當(dāng) CS 線為低電平時(shí)，通過 4 位地址線便可以選通開關(guān) 1 ~ 16，其真值表如 表 32所示。如 圖 316 所示，為了便于對(duì)不同特點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行濾波，該濾波電路提供了 3 路不同截止頻率的輸出。 信號(hào)調(diào)理電路 由于 A/D 轉(zhuǎn)換器 只能接收一定范圍的模擬信號(hào)，而傳感器把非電物理量變換成電信號(hào)后，并不一定在這一范圍內(nèi)。 圖 313 鍵相信號(hào)預(yù)處理電路 Fig 313 Key phase pretreatment circuit 電位器 1W 、電阻 1R 、 2R 構(gòu)成了分壓調(diào)節(jié)電路。鍵相槽應(yīng)平行于軸心線，其長度應(yīng)盡量長，以保證當(dāng)轉(zhuǎn)軸發(fā)生軸向串動(dòng)時(shí)，探頭還能對(duì)著凹槽或凸槽。 同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的整周期采樣，轉(zhuǎn)速測量也是不可或缺的。則采用式（ 31）便可得到比較準(zhǔn)確的靈敏度。 圖 311 振動(dòng)信號(hào)采樣流程圖 Fig 311 Flow chart of vibration signal sampling 開始 啟用 UCAout 采樣 采樣值 177。 圖 38 ADXL78 應(yīng)用電路 Fig 38 Application circuit of ADXL78 振動(dòng)傳感器板實(shí)物和接口定義分別如 圖 39 和 圖 310 所示： 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) 圖 39 振動(dòng)傳感器板 Fig 39 Vibration sensor board 圖 310 振動(dòng)傳感器板接口定義 Fig 310 Interface definition of vibration sensor board UCAout 為 ADXL105 的 加速度輸出信號(hào)，測量范圍 177。 圖 33 ADXL105 加速度傳感器靜止?fàn)顟B(tài)簡化示意圖 Fig 33 Simplified diagram of stationary accelerometer ADXL105 圖 34 ADXL105 受到加速度作用的 示意圖 Fig 34 Diagram of accelerometer ADXL105 applied acceleration 當(dāng)加速度計(jì)的軸向受到重力加速度作用時(shí)，輸出電壓會(huì)隨之變化。5g 時(shí)，改用 ADXL78 進(jìn)行測量，以達(dá)到更大的測量范圍 。其中，ADXL105 的測量范圍是 177。 如 圖 32 所示 ， 該傳感器必須和正確安裝的阻擋帶一起使用 。 此外，振動(dòng)傳感器采用雙芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到較大的測量范圍和較高的測量精度。 本章小結(jié) 本章首先介紹了 基于 ZigBee 技術(shù)的機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，然后對(duì)該系統(tǒng) 開發(fā)中涉及到 的 關(guān)鍵技術(shù) —— 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了概述 ，并結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)和使用需求探討了 ZigBee 與 WiFi相互間的干擾與共存問題 ，為第三章中詳細(xì)論述本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。假定 WiFi 系統(tǒng)工作在任一信道，則 Zigbee 和其信道頻率重疊的概率為 1/4。 但是由于 ZigBee 和 WiFi 都主要工作在 GHz 的 ISM 頻段， 它們之間勢必會(huì)產(chǎn)生相互干擾， 如何解決這一問題，使得這兩種無線技術(shù)能夠共存，對(duì)本課題的研究至關(guān)重要。IEEE 的 LLC 子層與 IEEE 的相 同，其功能包括傳輸可靠性保障、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸。 ZigBee 無線設(shè)備工作在公共頻段上（全球 ，美國 915MHz，歐洲 868MHz），傳輸距離為 10~75m，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境以及特定應(yīng)用條件下的輸出功耗。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 第一代傳感器網(wǎng)絡(luò) 可以追溯到 上世紀(jì) 70 年代， 它是由 傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸 并 連接傳感控制器而構(gòu)成。無線通信系統(tǒng)由 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和 WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)共同組成，其中前者用于各節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，后者用于協(xié)調(diào)器與有線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸。 論 文的結(jié)構(gòu)安排 本文共分 5 個(gè)章節(jié)，各章節(jié)的內(nèi)容安排如下： 第一章簡述本文的研究背景，介紹了 機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測 系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢。采用無線傳輸方式來構(gòu)建相應(yīng)的無線傳感器環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，能夠較好地解決人工及有線方式的缺點(diǎn)。 以上三種方式，離線定期監(jiān)測的系統(tǒng)最簡單，但是測試流程繁瑣，需專人進(jìn)行測試，且無法及時(shí)避免突發(fā)性故障。 從 50 年代起，各種類型的傳感器和測振儀相繼出現(xiàn)，并開始應(yīng)用于科學(xué)研究和實(shí)際工程中。人工定時(shí)巡檢的方式 又 過多地依靠人的操作準(zhǔn)確性，對(duì)于惡劣和危險(xiǎn)的環(huán)境，特別是在危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)系統(tǒng)中難以推廣應(yīng)用 [2]。 當(dāng)前的在線診斷系統(tǒng)多依靠傳統(tǒng)的傳感器、工業(yè)以太網(wǎng)等局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式采集 和傳輸，系統(tǒng)的安裝實(shí)施受現(xiàn)場條件的限制，而且信息檢測點(diǎn)不易更改和擴(kuò)充。大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究已成為國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。 自動(dòng)在線監(jiān)測：該方式不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)在線監(jiān)測設(shè)備 工作狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行故障預(yù)警的功能，而且可以在線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析判斷。同時(shí)，采用 WiFi技術(shù)將 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)連接到一起，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與服務(wù)器之間的通信。本系統(tǒng)利用基于 ARM 和 FPGA 的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，提取信號(hào)的特征參數(shù)，并對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行簡易識(shí)別，然后依據(jù)狀態(tài)采取雙工傳輸方式，設(shè)備正常時(shí)傳輸特征參數(shù)，設(shè)備可能出現(xiàn)異常時(shí)才傳輸波形數(shù)據(jù)，降低了ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的傳輸負(fù)載和能耗，提高了系統(tǒng)的傳輸效率。 數(shù)據(jù)采集處理模塊負(fù)責(zé)采集傳感器的電壓信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分析處理，提取有效的特征值。多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)存在，每個(gè) ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間互不干涉 [5]。 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在環(huán)境的監(jiān)測和保護(hù) 、 醫(yī)療護(hù)理 、 軍事 等 領(lǐng)域 。 ZigBee 支持 mesh 型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？梢员人{(lán)牙設(shè)備大得多。 數(shù)據(jù)鏈路層又可分為邏輯鏈路控制子層（ LLC）和介質(zhì)訪問控制子層（ MAC）。 ZigBee 和 WiFi的干擾與共存 本課題采用了 WiFi技術(shù)作為多個(gè)共存的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場服務(wù)器之間 的接入手段，既免去了繁瑣的布線工作，也保證了足夠的帶寬。 表 22 WiFi 信道分布 Table 22 WiFi channel distribution 信道標(biāo)識(shí)符 頻率（單位： MHz） 國家或地區(qū) 美國 EMEA 日本 世界其它地區(qū) 1 2412 √ √ √ √ 2 2417 √ √ √ √ 3 2422 √ √ √ √ 4 2427 √ √ √ √ 5 2432 √ √ √ √ 6 2437 √ √ √ √ 7 2442 √ √ √ √ 8 2447 √ √ √ √ 9 2452 √ √ √ √ 10 2457 √ √ √ √ 11 2462 √ √ √ √ 12 2467 √ √ √ 13 2472 √ √ √ 14 2484 √ 無重疊的信道最多只有 3 個(gè)，如 圖 24 所示。因 此，在同一區(qū)域內(nèi)還可以有 12 個(gè)信道互不重合的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在，這對(duì)于一般的應(yīng)用已經(jīng)足夠了。 圖 31 無線監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)圖 Fig 31 Structure of wireless monitor unit 振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì) 在石油、化工等過程測量與自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，可能出現(xiàn)潛在的爆炸性環(huán)境，因此在設(shè)計(jì)中傳感器應(yīng) 符合本質(zhì)安全的標(biāo)準(zhǔn) ， 并通過電纜連接到防爆箱（靠近機(jī)泵），以防止爆炸的發(fā)生。 它可以集成在安全區(qū)域的設(shè)備中 ， 也可以根據(jù)需要單獨(dú)使用 。 加速度傳感器 選用 ADI 公司的 iMEMS 系列產(chǎn)品 ADXL105 和 ADXL78。5g 時(shí)，選用 ADXL105 進(jìn)行測量，可以分辨出 2mg 的加速度；當(dāng)加速度超出 177。加速度方向利用相位解調(diào)技術(shù)確定。其內(nèi)部包含了一個(gè) 400Hz 的貝塞爾低通濾波器，從而將信號(hào)頻率限定在 400Hz 以內(nèi)。振動(dòng)信號(hào)采樣的流程圖如 圖 311 所示。加速度為 1g，再次讀取輸出值。 對(duì)于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，都需要監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是衡 量機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要指標(biāo) [18]。一般若采用φ φ 8 探頭，鍵相槽寬度應(yīng)大于 ，深度或高度大于 （推薦采用 以上），長度應(yīng)大于 [19]。光耦輸入端與輸出端信號(hào)實(shí)現(xiàn)完全隔離 [20]。數(shù)據(jù)緩沖 FIFO 的實(shí)現(xiàn)以及對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換器的控制均可由 FPGA 來完成，這些部分共同組成了振動(dòng)信號(hào)采樣控制模塊。在經(jīng)過高通濾波 電路之后，直流分量以及截止頻率以下的分量便被濾除。 表 31 ADG608 真值表 Table 31 Truth table of ADG608 A2 A1 A0 EN 選通開關(guān) X 0 0 0 0 1 1 1 1 X 0 0 1 1 0 0 1 1 X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 無 1 2 3 4 5 6 7 8 利用兩片 ADG608 組成的 16 路模擬開關(guān)如 圖 318 所示。在采樣頻率為 10MSPS 時(shí)， AD9240 的輸入時(shí)鐘需滿足占空比 45%～ 55%的條件。如 表 33 所 示。 本課 題設(shè)計(jì)的 FPGA 核心板包括 XC3S100E、 AD9240 等主要器件，以及時(shí)鐘、電源、調(diào)試相關(guān)的電路和器件。 數(shù)字濾波的時(shí)域方法是對(duì)信號(hào)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行差分方程數(shù)學(xué)運(yùn)算來達(dá)到濾波目的。巴特沃斯濾波器的特征函數(shù)為： 221()1 ( ) NcHj?? ???……………… …………… 式（ 32） 式中， N 為濾波器的階數(shù)； c? 為通帶寬度。沖擊力越大，峰值越高，因此檢測由裂紋、剝落等原因所造成的沖擊性振動(dòng)，峰值可以明顯地反映出故障狀態(tài)。軸承正常時(shí)的振動(dòng)信號(hào)的峭度值一般在 3 左右，當(dāng)峭度值超過 4，則說明軸承存在一定程度的損傷。 其中， 本征模態(tài)函數(shù)是基于信號(hào)局部特征自適應(yīng)得到的 ，表征數(shù)據(jù)的內(nèi)在 波動(dòng)模式 ， 體現(xiàn)信號(hào)真實(shí)固有的物理意義。 4）原數(shù)據(jù)序列最終可表示為： 1( ) ( )ninix t c t r????…………………………… 式（ 311） 式中， nr 為殘余項(xiàng)，代表信號(hào)的平均趨勢；各 IMF 分量 12, , , nc c c 分別包含了從高到低不同頻率段的成分。 EMD 多個(gè) IMF 分量 選擇 IMF 分量 C1 Hilbert 變換 計(jì)算特征參數(shù) 瞬時(shí)能量 瞬時(shí)頻率 振動(dòng)信號(hào) 計(jì)算特征參數(shù) 計(jì)算特征參數(shù) 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)設(shè)計(jì) 如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，本系統(tǒng)所采用的無線通信技術(shù)包括 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和 WiFi技術(shù)。由于低功耗是 ZigBee 系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以減少工作電流消耗、具有超低耗電睡眠模式并縮短模式切換時(shí)間對(duì)每一種方案而言都非常重要。用戶在設(shè)計(jì)和使用過程中不需要關(guān)系 到很多 ZigBee 開發(fā)，可以選擇任意 的 MCU 或沿用已有的 MCU。 CC2480 的主要特點(diǎn)如下 [32]： ? 成熟穩(wěn)定的 ZigBee20xx 協(xié)議棧，兼容 TI ZStack。 ? 低電流消耗（接收： 27mA，發(fā)送： 27mA）和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間。僅在使用 SPI 傳輸時(shí)才用到該接口。 ? GPIO： CC2480 有四個(gè)可配置 GPIO 引腳可供使用，軟件接口為主處理器提供了讀寫和切換 GPIO 引腳的功能。 ? 低噪聲放大器的增益可以通過 HGM 管腳進(jìn)行數(shù)字控制。 ? CFG0， CFG1：分別 用于配置晶振 的 選擇 和 傳輸模式 的 選擇。第一層為硬件提取層（ HAL），用于 直接 訪問 ZigBee 模塊 上各種硬件資源，如 CC2480 的 SPI 接口 、 CC2591 的增益控制等 ；第二層為遠(yuǎn)程過程調(diào)用層（ RPC），提供一個(gè) 利用 SPI 接口對(duì) ZigBee 處理器 CC2480 進(jìn)行遠(yuǎn)程過程調(diào)用的協(xié)議（ Remote Procedure Call Protocol）；第三層為應(yīng)用層，建立在HAL 層和 RPC 層之上，直接訪問 RPC 層，直接或間接 的 訪問 HAL 層 [34]。 ZDO 提供了各種 ZigBee 管理功能，比如發(fā)現(xiàn)設(shè)備和服務(wù)。 ? 2： AREQ：異步請求。值如 表 36 所示： 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計(jì) 表 36 子系統(tǒng)值 Table 36 Subsystem values 子系統(tǒng)值 子系統(tǒng)名稱 0 保留 1 系統(tǒng)接口 2 保留 3 保留 4 應(yīng)用框架接口 5 設(shè)備對(duì)象接口 6 簡單 API 接口 732 保留 編號(hào)：命令的 ID。當(dāng)設(shè)置為低電平，表示 CC2480 準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。 4 、 CC2480 接收數(shù)據(jù) ，