【正文】 順序移動 [23]。如 圖 321 所示： 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 圖 321 數(shù)據(jù)緩沖 Fig 321 Data buffer 數(shù)據(jù)緩沖 FIFO 以及并行到串行的轉(zhuǎn)換都可以由 FPGA 完成，本課題中選用了Xilinx 公司 Spartan 3E 系列的 XC3S100E 芯片。 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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器與處理器之間增加數(shù)據(jù)緩沖 FIFO[22]。 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(biāo)志位OTR 表示測量數(shù)據(jù)是否溢出有效范圍。如果 SENCE 管腳與VREF 管腳相連， VREF 電壓為 1V。 AD9240 有一個片內(nèi)基準(zhǔn)源，通過不同的管腳連接可選擇基準(zhǔn)為 1V 或 。 模擬開關(guān)的輸出接至 AD9240，在 FPGA 的控制下便可以實現(xiàn)多路模擬信號的采集。 Ct 的值不能小于 100nS，而 CHt 和 CLt 不能小于 45nS。 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。 片內(nèi)集成高性能、 低噪聲的采樣保持 放大器（ SHA） 和輸出緩沖器，可選擇內(nèi)部或外部基準(zhǔn)電壓源。 圖 318 由 2 片 ADG608 組成的 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，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。 ADG608 的真值表如 表 31 所示。 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 ~ +。 圖 316 高通濾波電路 Fig 316 Highpass filter circuit 經(jīng)過邏輯開關(guān)的電壓信號被再次接入到低通濾波電路，如 圖 317 所示。如 圖 316 所示，為了便于對不同特點的信號進行濾波，該濾波電路提供了 3 路不同截止頻率的輸出。 振動傳感器輸出的電壓信號是疊加在一直流電壓上的交流小信號。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。這一系列的信號操作便稱為信號調(diào)理，用于對傳感器輸出的電壓信號進行調(diào)整，使信號適合作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入 [21]。 信號調(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，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)。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(zhuǎn)換器與處理器之間增加數(shù)據(jù)緩沖 FIFO 也是必要的選擇。 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(yù)處理電路輸出信號 Fig 315 Output signal of pretreatment circuit 經(jīng)過預(yù)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。通過調(diào)節(jié)電位器 1W ，可以使光耦在 輸入電壓 1iVV? 時截止，在 2iVV? 時導(dǎo)通，如圖 314 所示。 圖 313 鍵相信號預(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。若鍵相傳感器產(chǎn)生的是正向脈沖，則信號端與 KEY+相連， GND 與 KEY相連；反之，則相反。 預(yù)處理電路如 圖 313 所示。 預(yù)處理電路 鍵相傳感器產(chǎn)生的信號是不規(guī)則的脈沖信號 ，而且電平高于 FPGA 或處理器的電平，是無法被正常識別的。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)生軸向串動時，探頭還能對著凹槽或凸槽。 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(biāo)準(zhǔn)不小于 7V）。 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(dāng)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。鍵相信號是一個脈沖信號，通過它的測量便可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的測量。 同時，為了實現(xiàn)振動信號的整周期采樣，轉(zhuǎn)速測量也是不可或缺的。這里的確定標(biāo)記在工程上通常是鍵相槽位置 。 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。例如，當(dāng)方向偏差為 5176。則采用式（ 31）便可得到比較準(zhǔn)確的靈敏度。再旋轉(zhuǎn) 180176。將加速度計旋轉(zhuǎn) 90176。加速度較小時，重力加速度的影響較穩(wěn)定，可以獲取準(zhǔn)確的參考值。 圖 311 振動信號采樣流程圖 Fig 311 Flow chart of vibration signal sampling 開始 啟用 UCAout 采樣 采樣值 177。5g 時，改 用 ADXL78 的信號輸出 Xout 重新測量 ，以 滿足較大 的測量范圍 。若實際測得的交流電壓信號范圍超出177。35g， 分辨率 55mV/g。 圖 38 ADXL78 應(yīng)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(shè)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。 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 圖 37 ADXL105 的應(yīng)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。 COM 引腳 4 和 7 應(yīng)直接相連，并由 7 腳接地。 ADXL105有兩個電源引腳， 13 和 14 腳。 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)加速度計的軸向受到重力加速度作用時，輸出電壓會隨之變化。此時電容比率發(fā)生改變，在中心梁上產(chǎn)生一個輸出信號，該信號隨加速度增長而增長。當(dāng)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。下面對 ADXL105 的工作原理進行簡要介紹， ADXL78 與之類似，故不再贅述。5g 時，改用 ADXL78 進行測量，以達到更大的測量范圍 。在加速度未超出 177。70g， 本課題選用 177。35g、 177。其中，ADXL105 的測量范圍是 177。 圖 32 本質(zhì)安全控制圖 Fig 32 Intrinsic safety control drawing 傳感器原理 對于加速度傳感器 而言 ， 在輸出電壓范圍固定的情況下（ 1325v）， 加速度 測量范圍與測量精度是相互制約的， 為了 保證 加速度傳感器 具有很大 測量范圍的同時， 仍然有很高的 測量 精度，本 文采用 雙傳感器的設(shè)計 ， 能夠根據(jù)被測信號的范圍選取相應(yīng)的傳感器信號 。 傳感器必須通過有接地的結(jié)構(gòu)合理接地 。 標(biāo)準(zhǔn)電纜 ， 包括集成電纜和連接雙針傳感器的電纜 ， 都是帶有 聚亞安酯外套的雙絞屏蔽電纜 。 如 圖 32 所示 ， 該傳感器必須和正確安裝的阻擋帶一起使用 。 這個能量限制接口可根據(jù)需要向任何一個方向?qū)щ?， 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 。 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]。為了保護廠房和 工作 人員 的安全， 必須采取謹(jǐn)慎的措施來防止氣體引爆。 此外，振動傳感器采用雙芯片進行設(shè)計，以達到較大的測量范圍和較高的測量精度。因此作為 ZigBee 協(xié)調(diào)器的無線監(jiān)測單元只需要實線框內(nèi)的部分即可完成工作。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)。 無線監(jiān)測單元的結(jié)構(gòu)如 圖 31 所示，主要由 傳感器、 信號調(diào)理電路 、 A/D 轉(zhuǎn)換、FPGA 模塊（包括數(shù)據(jù)緩沖 FIFO 和采樣控制模塊）、 ARM 處理器模塊（包含信號處理及特征提取等功能） 以及 ZigBee 無線模塊等部分組成。 本章小結(jié) 本章首先介紹了 基于 ZigBee 技術(shù)的機泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，然后對該系統(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)進行了概述 ，并結(jié)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(xì)論述本系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)。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。 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。 圖 24 WiFi 信道在 上的分布（無重疊） Fig 24 WiFi channel distribution in the frequency band（ no overlap） 第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù) 在無線局域網(wǎng)中，選擇 未 被其它設(shè)備占用的信道 是避免干擾的最佳方法 [11]。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。在 表 22 中列出了 IEEE 在不同國家或地區(qū)的信道 ID 和 中心頻率。在歐洲 1– 13 被允許用在 操作中（ 9 和 13 經(jīng)常被配置）。 圖 23 ZigBee 信道在 頻段上的分布 Fig 23 ZigBee channel distribution in the frequency band 全功能器件 精簡 功能器件 PAN 協(xié)調(diào)器 星型拓?fù)? 網(wǎng)狀拓?fù)? 簇樹型拓?fù)? 第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù) IEEE ～ 頻段，這些頻段被分為 11 或 13 個信道，具體情況根據(jù)不同國家或地區(qū)的法規(guī)有所不同。 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(shù)能夠共存，對本課題的研究至關(guān)重要?；旌蠣钔?fù)渚C合了以上兩種拓?fù)涞奶攸c，這種組網(wǎng)通常會使 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)更加靈活、高效、可靠。 第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù) 圖 22 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Fig 22 ZigBee work topology 星型拓?fù)渚哂薪M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?fù)浣Y(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。 物理層采用 DSSS（ Direct S