【正文】 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲饕行菭?、網(wǎng)狀和混合狀，如 圖 22 所示。網(wǎng)狀拓?fù)渚哂锌煽啃愿?、覆蓋范圍大的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是電池使用壽命短、管理復(fù)雜。 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(chǎng)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。 把 Zigbee 的 GHz ISM 頻段劃分為 16 個(gè)帶寬為 2 MHz 的信道，如 圖 23 所示。在美國(guó)， FCC 法規(guī)僅允許信道 1 到11 被使用。在日本，所有的 14 信道被允許用在 操作中。 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(guó)家或地區(qū) 美國(guó) 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(wú)重疊的信道最多只有 3 個(gè)，如 圖 24 所示。當(dāng) Zigbee 和 WiFi 同時(shí)使用相同頻段通信時(shí)， 會(huì) 產(chǎn)生帶內(nèi)有色噪聲干擾，導(dǎo)致傳輸分組沖突 [10]。在設(shè)備工作時(shí)，可以對(duì) ISM 頻段進(jìn)行掃描，根據(jù)具體的判斷標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)選擇最佳的傳輸信道，避免占用同一信道，減小干擾 。顯然，此種方法更加便捷且易于實(shí)現(xiàn)。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。 第三章 無(wú)線監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì) 3. 第三章 無(wú)線監(jiān)測(cè)單元 設(shè)計(jì) 無(wú)線監(jiān)測(cè)單元在整個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的作用為采集和處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，提取特征參數(shù)，進(jìn)行故障簡(jiǎn)易識(shí)別，并將波形數(shù)據(jù) 或特征數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳輸給現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器。其中虛線部分指的是串口轉(zhuǎn) WiFi設(shè)備 Secure iWiFi，它通過(guò)無(wú)線 AP 實(shí)現(xiàn) ZigBee 協(xié)調(diào)器與現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器的通信。 ZigBee 協(xié)調(diào)器不進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理工作，只負(fù)責(zé)組織 和維護(hù) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，向各節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的采集指令，并接收各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器。 圖 31 無(wú)線監(jiān)測(cè)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(guò)程測(cè)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(guò)電纜連接到防爆箱（靠近機(jī)泵），以防止爆炸的發(fā)生。 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(dǎo)致爆炸的發(fā)生。 這些區(qū)域通常被稱作“危險(xiǎn)區(qū)域” 。 它是通過(guò)在安全區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域之間的線機(jī)泵 鍵相信號(hào) 振動(dòng)信號(hào) A/D 預(yù)處理 信號(hào)調(diào)理 FPGA ARM ZigBee WiFi FIFO 采樣控制 信號(hào)處理及 特征提取 第三章 無(wú)線監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì) 路中安插一個(gè)能量限制接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。 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 。 從傳感器到能量限制接口的信號(hào)必須使用 標(biāo)準(zhǔn) 的 CB102 或 CB103 電纜 （ 最長(zhǎng) 200 英尺 ） 來(lái)傳導(dǎo) [13]。 信號(hào)是通過(guò)阻擋帶 （ 例如位于非危險(xiǎn)的測(cè)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 。 通常通過(guò)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 。 加速度傳感器 選用 ADI 公司的 iMEMS 系列產(chǎn)品 ADXL105 和 ADXL78。5g， 分辨率 250mV/g， 10KHz 帶寬 [14]； ADXL78 的測(cè)量范圍 有 177。50g 和 177。35g的型號(hào) 22279，分辨率 55mV/g， 400Hz 帶寬 [15]。5g 時(shí)，選用 ADXL105 進(jìn)行測(cè)量，可以分辨出 2mg 的加速度；當(dāng)加速度超出 177。 這兩款芯片均為電容式力平衡加速度計(jì)，應(yīng)用 MEMS（ MicroElectroMechanical 第三章 無(wú)線監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì) System）技術(shù)在硅片上用特殊的加工方法制造而成。如 圖 33 所示， CS1 和 CS2 是兩個(gè)差動(dòng)電容， 由兩個(gè)固定的外側(cè)極板和一個(gè)可移動(dòng)的中間極板構(gòu)成，電容值隨中間極板的位置而改變 [16]。當(dāng)有軸向加速度作用時(shí)，中間極板發(fā)生位移，如 圖 34 所示。加速度方向利用相位解調(diào)技術(shù)確定。 ADXL105 和ADXL78 在處于不同方向時(shí)的靜態(tài)輸出電壓如 圖 35 和 圖 36 所示： 第三章 無(wú)線監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì) 圖 35 ADXL105 對(duì)重力的響應(yīng) Fig 35 ADXL105 response due to Gravity 圖 36 ADXL78(22279)對(duì)重力的響應(yīng) Fig 36 ADXL78 (22279) response due to Gravity 硬件設(shè)計(jì) 這兩款芯片 均采用 5V 電源供電， 硬件電路都十分簡(jiǎn)單， 如 圖 37 所示。這兩個(gè)引腳應(yīng)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。Aout 為加速度傳感器的電壓輸出， UCAout 為內(nèi)部運(yùn)放的輸出，配合外部電阻 R1 和R2 可以得到不同的增益。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)。5g，分辨率 250mV/g； Xout為 ADXL78 的 加速度輸出信號(hào)， 測(cè)量范圍是 177。 處理器默認(rèn)采用UCAout 的輸出信號(hào)，以保證較高的分辨率。即加速度值 超出 177。振動(dòng)信號(hào)采樣的流程圖如 圖 311 所示。5g N Y 啟用 Xout 采樣 關(guān)閉 UCAout 采樣 采樣結(jié)束 第三章 無(wú)線監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì) 傳感器校正 在實(shí)際使用時(shí)，加速度計(jì)的 0g 偏差及靈敏度的初值都需要進(jìn)行直流校正。將芯片水平放置在地表面上，此時(shí)加速度為 0g，讀取的輸出值即為加速度為 0g 時(shí)的輸出電壓。加速度為 1g，讀取輸出值。加速度為 1g，再次讀取輸出值。 靈敏度 =（ 1g 讀 數(shù) （ 1g 讀數(shù)）） / 2 V/g……………………… 式 （ 31） 這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于軸上信號(hào)與角度余弦值成正比，因而加速度計(jì)未對(duì)齊帶來(lái)的誤差不是很大 [17]。時(shí)，測(cè)量結(jié)果只會(huì)產(chǎn)生 %的誤差。 旋轉(zhuǎn)機(jī)械中相位的定義是指基頻 (以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為頻率 )信號(hào)對(duì)于轉(zhuǎn)軸上某一確定相位標(biāo)志之間的相位差。 對(duì)于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，都需要監(jiān)測(cè)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]。 測(cè)量原理 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試中，一般是通過(guò)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸上開(kāi)一凹槽或凸槽，然后裝上信號(hào)傳感器，如 圖 312 所示，便可以測(cè)得原始鍵相信號(hào)。檢測(cè)鍵相槽位置所使用的傳感器一般是電渦流傳感器。通常大型旋轉(zhuǎn)機(jī)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(gè)脈沖信 號(hào)之間的時(shí)間間隔為 ~2s 之間。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(zhǎng)度應(yīng)大于 [19]。當(dāng)機(jī)組各部分有不同的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生時(shí)，需要有多套鍵相傳感器對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而為機(jī)組的各部分提供有效的鍵相信號(hào)。因此，需要對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，使其成為較為規(guī)則的方波信號(hào)。主要由輸入電壓調(diào)節(jié)、光電隔離、信號(hào)整形三部分組成。光耦輸入端與輸出端信號(hào)實(shí)現(xiàn)完全隔離 [20]。二極管 1D 對(duì)光耦起到反向保護(hù)作用。經(jīng)過(guò)整形后得到如 圖 315 所示的規(guī)則方波信號(hào)。 振動(dòng)信號(hào)采樣 振動(dòng)傳感器產(chǎn)生模擬的電壓信號(hào)，要成為處理器可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)還需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換。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(lái)完成，這些部分共同組成了振動(dòng)信號(hào)采樣控制模塊。 因此， 傳感器輸出的信號(hào)有時(shí)還必須經(jīng) 放大、濾波、線性化補(bǔ)償、隔離、保護(hù)等措施后，才能送 A/D 轉(zhuǎn)換器 。 由于本課題選用的振動(dòng)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(hào)。 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。在經(jīng)過(guò)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。這三路輸出信號(hào)分別接至邏輯開(kāi)關(guān)的輸入端，根據(jù) A0A1 的值決定哪路信號(hào)選通。同樣，低通濾波電路也利用邏輯開(kāi)關(guān)提供了多達(dá) 8 種截止頻率，以便于根據(jù)信號(hào)的不同特點(diǎn)進(jìn)行濾波處理。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 本課題利用 FPGA 控制 2 個(gè) 8 路模擬開(kāi)關(guān) ADG608 選通 16 路模擬電壓信號(hào)，作第三章 無(wú)線監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì) 為 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)。 表 31 ADG608 真值表 Table 31 Truth table of ADG608 A2 A1 A0 EN 選通開(kāi)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(wú) 1 2 3 4 5 6 7 8 利用兩片 ADG608 組成的 16 路模擬開(kāi)關(guān)如 圖 318 所示。 表 32 16 路模擬開(kāi)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(wú)線監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì) 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(dá) 10MSPS。 AD9240 采用帶有數(shù)字輸出誤差校正的多級(jí)差動(dòng)流水線結(jié)構(gòu)，在寬溫度環(huán)境下工作不會(huì)丟碼。高速高分辨率的 A/D 對(duì)輸入采樣時(shí)鐘的質(zhì)量要求很高。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。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(wú)線監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì) 圖 320 交流耦合輸入 Fig 320 ACCoupled input AD9240 的輸入模擬信號(hào)幅度由 VREF 管腳的電壓決定，滿量程輸入幅度為2*VREF。如果 SENCE 管腳與 REFCOM 管腳相連， VREF 電壓為 。 AD9240 也可以采用外部基準(zhǔn)源作為參考電平，具體連接不再贅述。如 表 33 所 示。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(guò)并行和串行的轉(zhuǎn)換再與處理器的SPI 串行接口相連。 XC3S100E 是一款高性能低價(jià)格的可編程邏輯器件 （ FPGA） ，具有豐富的邏輯單元和存儲(chǔ)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(chǔ)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(xiě)入的存儲(chǔ)器。外部時(shí)鐘源直接輸入到 FPGA，經(jīng) DCM 分頻后作為 FIFO 和 ADC的時(shí)鐘源。 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。本課題設(shè)計(jì)的無(wú)線監(jiān)測(cè)單元增加了信號(hào)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。 信號(hào)濾波處理 在采集原始振動(dòng)信號(hào)的過(guò)程中，由于會(huì)產(chǎn)生摩擦信號(hào)、機(jī)械噪聲、環(huán)境噪聲等共同疊加的檢測(cè)信號(hào)，如何從檢測(cè)到的信號(hào)中將真正有用的表征不同類型缺陷的聲發(fā)射信號(hào)提取出來(lái)是至關(guān)重要的。 數(shù)字濾波是通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算從所采集的離散信號(hào)中選取人們所感興趣的部分的處理方法。 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(lái)達(dá)到濾波目的。 本課題中濾波器的設(shè)計(jì)主