【正文】 當設置為低電平，表示 CC2480 準備接收數(shù)據(jù)。 ? 2： AREQ：異步請求。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 ；第二層為遠程過程調(diào)用層（ RPC），提供一個 利用 SPI 接口對 ZigBee 處理器 CC2480 進行遠程過程調(diào)用的協(xié)議（ Remote Procedure Call Protocol）；第三層為應用層，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]。 ? 低噪聲放大器的增益可以通過 HGM 管腳進行數(shù)字控制。僅在使用 SPI 傳輸時才用到該接口。 CC2480 的主要特點如下 [32]： ? 成熟穩(wěn)定的 ZigBee20xx 協(xié)議棧，兼容 TI ZStack。由于低功耗是 ZigBee 系統(tǒng)的關鍵，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間對每一種方案而言都非常重要。 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，代表信號的平均趨勢；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。軸承正常時的振動信號的峭度值一般在 3 左右，當峭度值超過 4，則說明軸承存在一定程度的損傷。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。 本課 題設計的 FPGA 核心板包括 XC3S100E、 AD9240 等主要器件，以及時鐘、電源、調(diào)試相關的電路和器件。在采樣頻率為 10MSPS 時， AD9240 的輸入時鐘需滿足占空比 45%～ 55%的條件。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。光耦輸入端與輸出端信號實現(xiàn)完全隔離 [20]。 對于所有旋轉機械而言，都需要監(jiān)測旋轉機械軸的轉速，轉速是衡 量機器正常運轉的一個重要指標 [18]。振動信號采樣的流程圖如 圖 311 所示。加速度方向利用相位解調(diào)技術確定。 加速度傳感器 選用 ADI 公司的 iMEMS 系列產(chǎn)品 ADXL105 和 ADXL78。 圖 31 無線監(jiān)測單元結構圖 Fig 31 Structure of wireless monitor unit 振動傳感器設計 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，因此在設計中傳感器應 符合本質(zhì)安全的標準 ， 并通過電纜連接到防爆箱（靠近機泵），以防止爆炸的發(fā)生。 表 22 WiFi 信道分布 Table 22 WiFi channel distribution 信道標識符 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，如 圖 24 所示。 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）。 目前無線傳感器網(wǎng)絡的應用主要集中在環(huán)境的監(jiān)測和保護 、 醫(yī)療護理 、 軍事 等 領域 。 數(shù)據(jù)采集處理模塊負責采集傳感器的電壓信號，并對其進行分析處理，提取有效的特征值。同時，采用 WiFi技術將 ZigBee 網(wǎng)絡與以太網(wǎng)連接到一起，從而實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與服務器之間的通信。大型旋轉機械的狀態(tài)監(jiān)測技術研究已成為國家重點攻關項目。人工定時巡檢的方式 又 過多地依靠人的操作準確性，對于惡劣和危險的環(huán)境，特別是在危險化學品生產(chǎn)系統(tǒng)中難以推廣應用 [2]。 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，需專人進行測試，且無法及時避免突發(fā)性故障。 論 文的結構安排 本文共分 5 個章節(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 機泵狀態(tài)監(jiān)測 系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)狀和技術發(fā)展趨勢。 無線傳感器網(wǎng)絡技術 無線傳感器網(wǎng)絡概述 第一代傳感器網(wǎng)絡 可以追溯到 上世紀 70 年代， 它是由 傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸 并 連接傳感控制器而構成。 ZigBee 無線設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)境以及特定應用條件下的輸出功耗。 但是由于 ZigBee 和 WiFi 都主要工作在 GHz 的 ISM 頻段， 它們之間勢必會產(chǎn)生相互干擾， 如何解決這一問題，使得這兩種無線技術能夠共存，對本課題的研究至關重要。 本章小結 本章首先介紹了 基于 ZigBee 技術的機泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的整體結構，然后對該系統(tǒng) 開發(fā)中涉及到 的 關鍵技術 —— 無線傳感器網(wǎng)絡技術進行了概述 ，并結合本系統(tǒng)的特點和使用需求探討了 ZigBee 與 WiFi相互間的干擾與共存問題 ，為第三章中詳細論述本系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)打下了堅實的基礎。 如 圖 32 所示 ， 該傳感器必須和正確安裝的阻擋帶一起使用 。5g 時，改用 ADXL78 進行測量，以達到更大的測量范圍 。 圖 38 ADXL78 應用電路 Fig 38 Application circuit of ADXL78 振動傳感器板實物和接口定義分別如 圖 39 和 圖 310 所示： 第三章 無線監(jiān)測單元設計 圖 39 振動傳感器板 Fig 39 Vibration sensor board 圖 310 振動傳感器板接口定義 Fig 310 Interface definition of vibration sensor board UCAout 為 ADXL105 的 加速度輸出信號，測量范圍 177。則采用式（ 31）便可得到比較準確的靈敏度。鍵相槽應平行于軸心線，其長度應盡量長，以保證當轉軸發(fā)生軸向串動時，探頭還能對著凹槽或凸槽。 信號調(diào)理電路 由于 A/D 轉換器 只能接收一定范圍的模擬信號，而傳感器把非電物理量變換成電信號后，并不一定在這一范圍內(nèi)。 圖 318 由 2 片 ADG608 組成的 16 路模擬開關 Fig 318 16 Analog Switch constructed by 2 chips of ADG608 當 CS 線為低電平時，通過 4 位地址線便可以選通開關 1 ~ 16，其真值表如 表 32所示。 表 33 輸出數(shù)據(jù)格式 Table 33 Output data format 輸入電壓（ V） 狀態(tài)（ V） 數(shù)字輸出 OTR VINAVINB VINAVINB VINAVINB VINAVINB VINAVINB VREF = VREF = 0 = +VREF 1 LSB ≥ +VREF 00 0000 0000 0000 00 0000 0000 0000 10 0000 0000 0000 11 1111 1111 1111 11 1111 1111 1111 1 0 0 0 1 數(shù)據(jù)緩沖 FIFO 振動信號的高速采集使 A/D 轉換器輸出的數(shù)據(jù)流量十分巨大，為了緩解處理器的壓力，需要在 A/D 轉換器與處理器之間增加數(shù)據(jù)緩沖 FIFO[22]。經(jīng)典數(shù)字濾波器實現(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濾波器；另一種是 FIR 濾波器，稱為有現(xiàn)場沖激響應濾波器 [24]。 有效值 RMSX 反映信號的能量大小，特別適用于具有隨機振動性質(zhì)的軸承測量。 本征模態(tài)函數(shù)必須滿足的條件 ： 1） 在整個數(shù)據(jù)長度 ， 極值點和過零點的數(shù)目必須相等或至多相差一個 ； 2） 在任意數(shù)據(jù)點 ， 由局部極大值點構成的包絡線和局部極小值點構成的包絡線的平均值必須為零。 在各個機泵之間采用 ZigBee 技術， 借助其網(wǎng)狀拓撲的特點， 形成低功耗、短時延的自組織無線傳感器網(wǎng)絡，覆蓋整個工業(yè)現(xiàn) 場。 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。 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。 ? 非易失性參數(shù)：這個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 2 字節(jié)參數(shù)和 2 個 16 字節(jié)參數(shù)。 ? RESET_N： 復位，低電平有效。 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，上述應用程序命令接口均采用這種幀格式。 ID 映射到一個特定的接口信息。 3 、主處理 器發(fā)送數(shù)據(jù) ， 直到這一幀 發(fā)送結束 。 子系統(tǒng)：命令的子系統(tǒng)。 AF 接口允許 主 處理器把它的應用程序登記到 CC2480，并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 ? MRDY/SRDY： 主 /從設備準備好，用于 SPI 傳輸時的電源管理和事務控制。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。 ? 電源支持 ? 寬電壓支持范圍（ ） 。 TI 的 ZStack 軟件 ZigBee20xx 協(xié)議?？稍?ZigBee處理器上運行，而應用程序則在外部 MCU 上運行。若經(jīng)過判斷與識別，發(fā)現(xiàn)設備無異常狀態(tài)則發(fā)送特征參數(shù)到現(xiàn)場服務器，否則發(fā)送波形數(shù)據(jù)到現(xiàn)場服務器，以便服務器對數(shù)據(jù)進行進一步的診斷分析。 EMD 分析法基于兩個假設 [27]： 1）任何復雜的數(shù)據(jù)或信號都是由具有不同特征時間尺度的簡單本征模態(tài)函數(shù)（ intrinsic mode function, IMF）組成； 2）任何兩個本征模態(tài)函數(shù)之間是相互獨立的，一個信號可以包含許多個本征模態(tài)函數(shù)，如果各模態(tài)之間相互重疊，便形成復合信號。 峰值 ?X 大小可用來反映軸承某一局部故障點的沖擊力大小。用軟件實現(xiàn)數(shù)字濾波的優(yōu)點是系統(tǒng)函數(shù)具有可變化性，僅依賴于算法結構，并易于獲得較理想的濾波性能，得到想要的濾波效果。 AD9240 的數(shù)字輸出在整個輸入范圍內(nèi)采用正邏輯的自然二進制編碼 ， 標志位OTR 表示測量數(shù)據(jù)是否溢出有效范圍。 ADG608 的真值表如 表 31 所示。另外，振動信號的高速采集造成數(shù)據(jù)量十分龐大，為了緩解處理器的壓力，在 A/D 轉換器與處理器之間增加數(shù)據(jù)緩沖 FIFO 也是必要的選擇。 鍵相槽的尺寸要足夠大，以使產(chǎn)生的脈沖信號峰值不小于 5V（ AP1670 標準不小于 7V）。再旋轉 180176。 第三章 無線監(jiān)測單元設計 圖 37 ADXL105 的應用電路 Fig 37 Application circuit of ADXL105 如 圖 38 所示，較之 ADXL105 的外部電路， ADXL78 顯得更為簡單，只需在電源和地之間連接 的去耦電容即可從 Xout 得到加速度計的電壓輸出。在加速度未超出 177。 這個能量限制接口可根據(jù)需要向任何一個方向導電 ， 但限制在故障情況下能傳到危險區(qū)域的電壓和電流的強度 。以歐洲的情況為例，若 WiFi 選擇信道 13，則 ZigBee 的 16 個信道中的前 12 個都是不與之重疊的?；旌蠣钔負渚C合了以上兩種拓撲的特點，這種組網(wǎng)通常會使 ZigBee 網(wǎng)絡更加靈活、高效、可靠。最終 ZigBee 聯(lián)盟和 IEEE 工作組決定合作共同制定一種通信協(xié)議標準，該協(xié)議標準被命名為“ ZigBee”?，F(xiàn)場服務器也可以 通過 中心節(jié)點 ，向各個節(jié)點發(fā)送指令。 （ 3）數(shù)據(jù)分析處理 以往的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通常將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)椒掌?，進行實時的顯示和分析。 在線檢測離線分析：在設備上多個測點安裝傳感器，由現(xiàn)場微處理器進行各測點的數(shù)據(jù)采集和處理，然后在主機上由專業(yè)人員進行分析和判斷。因此，過程故障檢測及其相關技術的研究，在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中有著 深刻的 價值和 意義 。之后的幾十年，隨著數(shù)字電路、計算機技術以及數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，進一步推動了振動檢測技術在機械設備上的應用。由于 ZigBee 網(wǎng)絡具有自適應和自組織的能力，可形成相應的無線傳輸網(wǎng)絡?，F(xiàn)場服務器負責存儲和管理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，響應 客戶端的請求，完成數(shù)據(jù)采集和分析處理等工作。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境 ， 如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測 [8]。 IEEE MAC 子層通過 SSCS（ ServiceSpecific Convergence Sublayer）協(xié)議能支持多種 LLC 標準，其功能包括設備間無線鏈路的建立、維護和拆除，確認模式的幀傳送與接收，信道接入控制、幀校驗、預留時隙管理和廣播信息管理。當 Zigbee 和 WiFi 同時使用相同頻段通信時，