【正文】 準備 POLL 命第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 令，開始數(shù)據(jù)傳送。當在一個 SPI AREQ 傳輸期間設(shè)置為高電平，表示 CC2480 準備接收數(shù)據(jù) [35]。 MRDY 表示主設(shè)備準備好，當主處理器有數(shù)據(jù)準 備發(fā)送給 CC2480 時，設(shè)置這個信號（低電平有效）。值范圍： 0 到 255。 ? 4 到 7 ：保留。 ? 3： SRSP：同步響應。 ? 1： SREQ：同步請求，需要立即作出響應。 表 34 通用幀格式 Table 34 General frame format 占用 1 字節(jié) 占用 2 字節(jié) 占用 0253 字節(jié) 長度 命令 數(shù)據(jù) 長度：幀的數(shù)據(jù)域長度 ， 長度范圍可以從 0 到 253。 ? AF（應用框架）和 ZDO（ ZigBee 設(shè)備對象）接口 ： 提供了完整的 ZigBee 接口，可用于創(chuàng)建一個全 面 的 ZigBee 應用。 CC2480 為主處理器提供了豐富的應用程序命令接口，可以分為以下幾類： ? SYS 接口 ： 為 主處理器提供了 到 CC2480 軟硬件的 底層 接口。 本課題最終設(shè)計出的 ZigBee 無線模塊實物如 圖 331 所示。 ? HGM： CC2591 增益控制。 ZigBee 無線模塊利用 12 腳雙排插針與主處理器相連，其接口如 圖 330 所示： 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 圖 330 ZigBee 模塊接口 Fig 330 Interface of ZigBee module ? 直流電源和地由底板提供。 ? 低接收電流消耗 ( 高增益模式 ，低增益模式 )。 ? 可將輸出功率提高＋ 22dBm。 ? 軟件定時器：多達 4 個軟件定時器可以由主處理器在 CC2480 上配置。軟件接口為處理器提供了執(zhí)行一個 ADC 轉(zhuǎn)換并讀取該值的功能。另外 CC2480 還提供了一個軟件復位接口。其它接口描述如下： ? SPI 和 UART： SO/RX， SI/TX， SS/CT， C/RT 四個引腳用于 SPI 或 UART 通信。在本課題中，微處理器采用 ARM9 處理器 AT91SAM9260，下一節(jié)中會對其進行詳細介紹。 ? 卓越的接收靈敏度和一流的強抗干擾能力。 ? 簡單 API 和全 ZigBee API 支持。 CC2480 處理所有嚴格要求時序的以及集中的 ZigBee 協(xié)議任務(wù)，使外部應用處理器自由地處理應用程序。 該公司最新推出的 高度集成 RF 前端 CC2591 集成了可將輸出功率提高＋22dBm的功率放大器，以及可將接收機靈敏度提高＋ 6dB 的低噪聲放大器，可顯著擴大 以上幾種產(chǎn)品 的 無線 覆蓋范圍。 TI 的第二 種方案是 Zigbee 處理器 CC2480，它集成了 RF 收發(fā)器和 ZigBee 協(xié)議棧，可搭配任意 MCU，比如 MSP430。 下面對 TI 公司的 Zigbee 解決方案作簡要介紹，如 圖 327 所示。 圖 326 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 Fig 326 Structure of ZigBee wireless sensor work 常見 ZigBee 實現(xiàn)方案 目前 市場上 主要有三種 Zigbee 實現(xiàn)方案 [30]：第一種是集成 RF 和 MCU 的單芯片方案；第二種是 ZigBee 協(xié)處理器和 MCU 的雙芯片方案， ZigBee 協(xié)議棧在 ZigBee 協(xié)處理器上運行 ； 第三種是 MCU和 RF 收發(fā)器分離的雙芯片方案， ZigBee 協(xié)議棧在 MCU上運行 。 WiFi 無線網(wǎng)絡(luò) 作為協(xié)調(diào)器與服務(wù)器之間的接入手段，克服了布線帶來的成本和繁瑣工作，同時也為多個同時存在的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)提供了較高的接入帶寬。故障識別程序?qū)⒃６纫驍?shù)、脈沖因數(shù)、峰值因數(shù)、峭度以及有效值等特征參數(shù)按不同權(quán)重進行組合分析，某特征參數(shù)超出閾值越多且權(quán)重越高則對判定結(jié)果的影響越大。分析流程如 圖 325 所示： 圖 325 基于 EMD 的波形特征參數(shù)分析法 Fig 325 EMDbased waveform characteristic parameter analysis 正常狀態(tài)下振動信號的裕度因數(shù)、脈沖因數(shù)、峰值因數(shù)、峭度以及有效值等特征參數(shù)要比故障狀態(tài)下低。 3）計算原數(shù)據(jù)序列與第 1 個本征模態(tài)函數(shù) 1c 的差值 1r ，對新數(shù)據(jù)序列 1r 重復上述第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 篩分步驟，即可篩選出信號的其它 IMF。 本征模態(tài)函數(shù)可以是線性的 ， 也可以是非線性的 ， 可以是幅值調(diào)制的 ， 也可以是頻率調(diào)制的 。而基于 經(jīng)驗模態(tài)分解 （ empirical mode deposition, EMD）的波形特征參數(shù)分析法經(jīng)試驗證明可有效地分辨和識別滾動軸承的不同工作狀態(tài)和故障類型 [26]。峭度指標對早期的故障有較高的敏感性，當故障達到一定程度后，在整個頻帶范圍內(nèi)都是同樣水平的尖峰值，的平均增長幅度相差不大，因此軸承在良好狀態(tài)和嚴重損傷狀態(tài)下的峭度指標幾乎是一樣的。缺陷越大，峰值因數(shù)也就越大，因此測量很方便。軸承制造精度越低或 磨損程度越大，則 RMSX 值越高，但對于表面脫落或局部損傷產(chǎn)生的沖擊脈沖振動波形變化并不明顯。 下面給出滾動軸承常用的幾種故障波形特征參數(shù)的計算公式及相關(guān)介紹： 1）峰值： ? max ( )X x t? ……………………………… 式（ 33） 2）有效 值： 201 ()TRM SX x t dtT? ? ………………………… 式（ 34） 3）峰值因數(shù)： ?RMSXC X? ………………………………… 式（ 35） 4）峭度： 44 ()x p x dx? ????? ? …………………………… 式（ 36） 5）峭度指標： 44RMSK X?? ………………………………… 式（ 37） 6）峰態(tài)因數(shù)： 44fxK??? ，其中 x? 為標準偏差 ………………… 式（ 38） 7）裕度因數(shù)： ?rXL X? ，其中 201 ()TrX x t dtT??? ????? …………… 式（ 39） 8）脈沖因數(shù)： ?XI X? ，其中01 ()TX x t dtT? ? ………………… 式（ 310） 式中， ()xt —— 系統(tǒng)中某個特征點的振動響應信號； T —— 采樣時間； ()px —— ()xt 的概率密度函數(shù)。 圖 324 為故障信號進過巴特沃斯高通濾波器的前后對比圖。 巴特沃斯濾波器的特點是具有通帶內(nèi)最平坦的幅度特性，而且隨著頻率升高呈單調(diào)遞減。 本課題中濾波器的設(shè)計主要以 IIR 數(shù)字濾波器為主。 數(shù)字濾波是通過數(shù)學運算從所采集的離散信號中選取人們所感興趣的部分的處理方法。本課題設(shè)計的無線監(jiān)測單元增加了信號處理及特征提取功能，提供特征數(shù)據(jù)傳輸和波形數(shù)據(jù)傳輸兩種傳輸模式。外部時鐘源直接輸入到 FPGA，經(jīng) DCM 分頻后作為 FIFO 和 ADC的時鐘源。將 AD9240 的 14 位并行輸出與 FIFO 的輸入相連，數(shù)據(jù)從 FIFO 輸出后經(jīng)過并行和串行的轉(zhuǎn)換再與處理器的SPI 串行接口相連。 AD9240 也可以采用外部基準源作為參考電平，具體連接不再贅述。由于濾波電路已將直流分量濾除，故此處為交流耦合輸入，電路如 圖 320 所示： 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 圖 320 交流耦合輸入 Fig 320 ACCoupled input AD9240 的輸入模擬信號幅度由 VREF 管腳的電壓決定，滿量程輸入幅度為2*VREF。高速高分辨率的 A/D 對輸入采樣時鐘的質(zhì)量要求很高。 表 32 16 路模擬開關(guān)的真值表 Table 32 Truth table of 16 Analog Switch /CS A3 A2 A1 A0 選通 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 2 3 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 X 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 X 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 X 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 X 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 浮空 A/D 轉(zhuǎn)換器選用 AD9240，其分辨率為 14 位，采樣速率高達 10MSPS。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 本課題利用 FPGA 控制 2 個 8 路模擬開關(guān) ADG608 選通 16 路模擬電壓信號，作第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 為 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號。這三路輸出信號分別接至邏輯開關(guān)的輸入端，根據(jù) A0A1 的值決定哪路信號選通。 濾波電路主要分為兩部分，分別為高通濾波電路和低通濾波電路，它們共同組成了帶通濾波電路。 因此， 傳感器輸出的信號有時還必須經(jīng) 放大、濾波、線性化補償、隔離、保護等措施后，才能送 A/D 轉(zhuǎn)換器 。 振動信號采樣 振動傳感器產(chǎn)生模擬的電壓信號，要成為處理器可識別的數(shù)字信號還需要經(jīng)過信號調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換。二極管 1D 對光耦起到反向保護作用。主要由輸入電壓調(diào)節(jié)、光電隔離、信號整形三部分組成。當機組各部分有不同的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生時，需要有多套鍵相傳感器對其進行監(jiān)測，從而為機組的各部分提供有效的鍵相信號。通常大型旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速范圍在 30 轉(zhuǎn) /分 ~18000 轉(zhuǎn) /分之間， 即 連續(xù)兩個脈沖信 號之間的時間間隔為 ~2s 之間。 測量原理 旋轉(zhuǎn)機械振動測試中，一般是通過在旋轉(zhuǎn)機械的軸上開一凹槽或凸槽，然后裝上信號傳感器，如 圖 312 所示，便可以測得原始鍵相信號。 旋轉(zhuǎn)機械中相位的定義是指基頻 (以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為頻率 )信號對于轉(zhuǎn)軸上某一確定相位標志之間的相位差。 靈敏度 =（ 1g 讀 數(shù) （ 1g 讀數(shù)）） / 2 V/g……………………… 式 （ 31） 這樣做的優(yōu)點在于軸上信號與角度余弦值成正比，因而加速度計未對齊帶來的誤差不是很大 [17]。加速度為 1g，讀取輸出值。5g N Y 啟用 Xout 采樣 關(guān)閉 UCAout 采樣 采樣結(jié)束 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 傳感器校正 在實際使用時，加速度計的 0g 偏差及靈敏度的初值都需要進行直流校正。即加速度值 超出 177。5g，分辨率 250mV/g； Xout為 ADXL78 的 加速度輸出信號， 測量范圍是 177。Aout 為加速度傳感器的電壓輸出， UCAout 為內(nèi)部運放的輸出，配合外部電阻 R1 和R2 可以得到不同的增益。 ADXL105 和ADXL78 在處于不同方向時的靜態(tài)輸出電壓如 圖 35 和 圖 36 所示： 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 圖 35 ADXL105 對重力的響應 Fig 35 ADXL105 response due to Gravity 圖 36 ADXL78(22279)對重力的響應 Fig 36 ADXL78 (22279) response due to Gravity 硬件設(shè)計 這兩款芯片 均采用 5V 電源供電， 硬件電路都十分簡單， 如 圖 37 所示。當有軸向加速度作用時，中間極板發(fā)生位移，如 圖 34 所示。 這兩款芯片均為電容式力平衡加速度計，應用 MEMS（ MicroElectroMechanical 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 System）技術(shù)在硅片上用特殊的加工方法制造而成。35g的型號 22279，分辨率 55mV/g， 400Hz 帶寬 [15]。5g， 分辨率 250mV/g， 10KHz 帶寬 [14]； ADXL78 的測量范圍 有 177。 通常通過螺釘將傳感器安裝到設(shè)備表面 ， 保證傳感器金屬面直接接觸設(shè)備的金屬表面 ， 從而正確接地 。 從傳感器到能量限制接口的信號必須使用 標準 的 CB102 或 CB103 電纜 （ 最長 200 英尺 ） 來傳導 [13]。 它是通過在安全區(qū)域和危險區(qū)域之間的線機泵 鍵相信號 振動信號 A/D 預處理 信號調(diào)理 FPGA ARM ZigBee WiFi FIFO 采樣控制 信號處理及 特征提取 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 路中安插一個能量限制接口來實現(xiàn)的 。 本安防爆技術(shù) 在許多涉及易燃材料的工業(yè) 領(lǐng)域中，任何泄漏或溢出都有可能導致爆炸的發(fā)生。 ZigBee 協(xié)調(diào)器不進行數(shù)據(jù)的采集和處理工作，只負責組織 和維護 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，向各節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的采