基于ZigBee的機(jī)泵無(wú)線監(jiān)測(cè)智能單元研究畢業(yè)論文

1、1. 第一章 緒論1.1 課題背景及意義隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及自動(dòng)化程度的不斷提高，機(jī)械設(shè)備本身技術(shù)水平和復(fù)雜度也得到大幅提高，生產(chǎn)系統(tǒng)中各設(shè)備之間的聯(lián)系也越來(lái)越緊密，導(dǎo)致設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)的影響顯著增加。已有研究成果證實(shí)，技術(shù)過(guò)程與工程系統(tǒng)中很多與過(guò)程異常變化或系統(tǒng)故障有關(guān)的問(wèn)題以及可轉(zhuǎn)化成為這類問(wèn)題的事件，都可以在過(guò)程監(jiān)控理論研究框架下得到解決1。因此，過(guò)程故障檢測(cè)及其相關(guān)技術(shù)的研究，在現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程中有著深刻的價(jià)值和意義。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(chǎng)條件的限制，而且信息檢測(cè)點(diǎn)不易更改和擴(kuò)充。人工定時(shí)巡檢的方

2、式又過(guò)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。而應(yīng)用無(wú)線傳輸技術(shù)可以解決這一難題，實(shí)現(xiàn)特殊地區(qū)特別是高危險(xiǎn)區(qū)域的設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與診斷，減少或避免設(shè)備故障和安全事故的發(fā)生。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳輸過(guò)程，可以有效的擺脫工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的條件限制和環(huán)境威脅，并為狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷提供準(zhǔn)確的診斷數(shù)據(jù)。1.2 機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀機(jī)泵是石油化工生產(chǎn)建設(shè)上應(yīng)用最廣泛的機(jī)械設(shè)備。近些年來(lái)，隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)備正朝著大型化、重載化、輕型化和高度自動(dòng)化等方向發(fā)展。由于復(fù)雜度的提高，使得設(shè)備在結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、可靠性，以及材料、

3、工藝等方面出現(xiàn)問(wèn)題的可能性隨之提高，設(shè)備損壞事件也時(shí)有發(fā)生。狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以提高大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全性，減少突發(fā)性事故，避免重大經(jīng)濟(jì)損失。大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究已成為國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。從50年代起，各種類型的傳感器和測(cè)振儀相繼出現(xiàn)，并開(kāi)始應(yīng)用于科學(xué)研究和實(shí)際工程中。之后的幾十年，隨著數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用。70年代到80年代，許多發(fā)達(dá)國(guó)家漸漸開(kāi)始對(duì)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究。80年代國(guó)內(nèi)一些高校和科研單位開(kāi)始進(jìn)行機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的理論研究和小范圍工程實(shí)際應(yīng)用研究3。并且在冶金、化工、機(jī)械、交通

4、、電力及核工業(yè)等部門(mén)取得了一批卓有成效的成果，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的微計(jì)算機(jī)化旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷裝置“mmmd-iii”、哈爾濱電工儀表所等單位聯(lián)合研制的“200mw汽輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)/分析及故障診斷系統(tǒng)2hx-10”等，目前全國(guó)已有數(shù)十個(gè)單位開(kāi)展設(shè)備故障診斷技術(shù)的研究工作，各行業(yè)都很重視在關(guān)鍵設(shè)備上裝備故障診斷系統(tǒng)，特別是具有智能化功能的故障診斷專家系統(tǒng)，并已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了20種以上的機(jī)組故障診斷系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外比較典型的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式主要有三種4：離線定期監(jiān)測(cè)：測(cè)試人員定期到現(xiàn)場(chǎng)利用傳感器對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并記錄信號(hào)，在專用的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。在線檢測(cè)離線分析：在設(shè)備上多個(gè)

5、測(cè)點(diǎn)安裝傳感器，由現(xiàn)場(chǎng)微處理器進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和處理，然后在主機(jī)上由專業(yè)人員進(jìn)行分析和判斷。自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)：該方式不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)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。 以上三種方式，離線定期監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)最簡(jiǎn)單，但是測(cè)試流程繁瑣，需專人進(jìn)行測(cè)試，且無(wú)法及時(shí)避免突發(fā)性故障。在線檢測(cè)離線分析方式應(yīng)用最廣，較之前者省去了現(xiàn)場(chǎng)的人力，并能及時(shí)報(bào)警，但數(shù)據(jù)的分析和判斷仍然需要專業(yè)技術(shù)人員的參與。自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)是目前最先進(jìn)的，不需要人為更換測(cè)點(diǎn)，不需要專門(mén)的測(cè)試人員，也不需要專業(yè)技術(shù)人員參與分析和判斷，能夠根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)行智能化的分析和判斷。但是軟硬件的研

6、制工作量大。1.3 論文研究的主要內(nèi)容本課題研究基于zigbee的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組建和優(yōu)化技術(shù)，研制包括傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和特征提取識(shí)別以及數(shù)據(jù)傳輸多功能集于一體的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)單元。并將該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以提供有效的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，保障工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)活動(dòng)能夠高效、安全的進(jìn)行。1.4 論文研究的難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)本課題對(duì)傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做了改進(jìn)與創(chuàng)新，構(gòu)建振動(dòng)信號(hào)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸，論文的主要難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)如下：（1）通信方案本課題將基于zigbee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于機(jī)泵故障診斷及在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，采用wifi技術(shù)將zigbee網(wǎng)絡(luò)與

7、以太網(wǎng)連接到一起，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與服務(wù)器之間的通信。采用無(wú)線傳輸方式來(lái)構(gòu)建相應(yīng)的無(wú)線傳感器環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能夠較好地解決人工及有線方式的缺點(diǎn)。由于zigbee網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)和自組織的能力，可形成相應(yīng)的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。因此，對(duì)于大面積數(shù)據(jù)采集及傳輸應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，它的優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。（2）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，因此在本課題的設(shè)計(jì)中傳感器選擇本安型，以防止爆炸的發(fā)生。振動(dòng)信號(hào)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中非常重要的參量，可以及時(shí)有效的監(jiān)測(cè)機(jī)泵的運(yùn)行狀態(tài)。因此，本課題對(duì)振動(dòng)傳感器采用雙傳感器的設(shè)計(jì)，不僅擴(kuò)大了加速度的測(cè)量范圍，也保證了加速度范圍較低時(shí)能有更好

8、的精確度。（3）數(shù)據(jù)分析處理以往的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)椒?wù)器，進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和分析。本系統(tǒng)利用基于arm和fpga的現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)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。1.5 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(jiǎn)述本文的研究背景，介紹了機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。并概括了本課題的主要研究?jī)?nèi)容，相對(duì)傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有哪些改進(jìn)和創(chuàng)新。第二章構(gòu)建了基

9、于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并闡述了課題研究中采用的關(guān)鍵技術(shù)基于zigbee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并探討了zigbee和wifi的干擾與共存。第三章詳細(xì)介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，全面而詳盡的描述了各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)方式。第四章結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，分析和驗(yàn)證了基于zigbee的機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的效率。第五章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)后續(xù)應(yīng)開(kāi)展的研究工作給出了幾點(diǎn)建議。2. 第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由客戶端、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器，以及現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集處理模塊和無(wú)線通信系統(tǒng)等部分組成。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

10、的特征值。無(wú)線通信系統(tǒng)由zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和wifi無(wú)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?，F(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求，完成數(shù)據(jù)采集和分析處理等工作。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖21 所示?，F(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器客戶端3客戶端4客戶端1客戶端2router內(nèi)部以太網(wǎng)外部以太網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)采集處理模塊傳感器數(shù)據(jù)采集處理模塊傳感器傳感器數(shù)據(jù)采集處理模塊數(shù)據(jù)采集處理模塊wifizigbee收發(fā)模塊zigbee收發(fā)模塊zigbee收發(fā)模塊zigbee收發(fā)模塊zigbee中心節(jié)點(diǎn)無(wú)線監(jiān)測(cè)智能單元無(wú)線監(jiān)測(cè)智能單元無(wú)線監(jiān)測(cè)智能單元無(wú)線監(jiān)

11、測(cè)智能單元圖21 無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖fig 21 structure of wireless monitor system本課題主要研究無(wú)線監(jiān)測(cè)智能單元的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并組建振動(dòng)信號(hào)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由傳感器、數(shù)據(jù)采集處理模塊和zigbee收發(fā)模塊組成，在zigbee中心節(jié)點(diǎn)（即協(xié)調(diào)器）的組織下構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)最終匯聚到中心節(jié)點(diǎn)，通過(guò)wifi網(wǎng)絡(luò)傳遞給現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器?，F(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器也可以通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)，向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令。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。2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2.2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)可

12、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。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進(jìn)步，逐漸形成了具備信息綜合和處理的能力的第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。而從上世紀(jì)末開(kāi)始，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，并通過(guò)無(wú)線技術(shù)進(jìn)行連接，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成6。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響7。美國(guó)的技術(shù)評(píng)論雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)，商業(yè)周刊預(yù)測(cè)的未來(lái)四大新技術(shù)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被列入其中?？梢灶A(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用是一種

13、必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)極大的變革。雖然由于技術(shù)、成本等方面的制約，導(dǎo)致無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還無(wú)法大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，但是近些年來(lái)，隨著微處理器體積越來(lái)越小，計(jì)算成本越來(lái)越低，已經(jīng)有為數(shù)不少的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)投入使用。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)、醫(yī)療護(hù)理、軍事等領(lǐng)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境，如井礦、核電廠等，工作人員可以通過(guò)它來(lái)實(shí)施安全監(jiān)測(cè)8。它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，并且由于可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，因此能夠縮短停機(jī)時(shí)間，提高效率，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。盡管無(wú)線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相

14、關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，必將發(fā)揮更大的應(yīng)用價(jià)值。2.2.2 基于zigbee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)zigbee技術(shù)是一種面向自動(dòng)化和無(wú)線控制的低速率、低功耗、低價(jià)格的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方案。在zigbee方案被提出一段時(shí)間后，ieee 802.15.4工作組也開(kāi)始了一種低速率無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。最終zigbee聯(lián)盟和ieee 802.15.4工作組決定合作共同制定一種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)被命名為“zigbee”。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。zigbee無(wú)線設(shè)備工作在公共頻段上（全球2.4ghz，美國(guó)915mhz，歐洲868mhz），傳輸距離為1075m，具體數(shù)

15、值取決于射頻環(huán)境以及特定應(yīng)用條件下的輸出功耗。zigbee的通信速率在2.4ghz時(shí)為250kbps，在915mhz時(shí)為40kbps，在868mhz時(shí)為20kbps。ieee 802.15.4主要制定協(xié)議中的物理層和mac層；zigbee聯(lián)盟則制定協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)、安全服務(wù)等功能以及一系列無(wú)線家庭、建筑等解決方案，負(fù)責(zé)提供兼容性認(rèn)證，市場(chǎng)運(yùn)作以及協(xié)議的發(fā)展延伸。從而保證消費(fèi)者從不同供應(yīng)商處買到的zigbee設(shè)備可以一起工作。完整的zigbee協(xié)議棧自上而下由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成9，如表 21所示：表 21 zigbee協(xié)議棧組成table

16、21 structure of zigbee protocol應(yīng)用層應(yīng)用匯聚層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層llcmac物理層應(yīng)用層定義了各種類型的應(yīng)用業(yè)務(wù)，是協(xié)議棧的最上層用戶。應(yīng)用匯聚層負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到zigbee網(wǎng)絡(luò)層上，包括安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括拓?fù)涔芾怼ac管理、路由管理和安全管理。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(wèn)控制子層（mac）。ieee 802.15.4的llc子層與ieee 802.2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。ieee 802.15.4 mac子層通過(guò)sscs（ser

17、vice-specific convergence sublayer）協(xié)議能支持多種llc標(biāo)準(zhǔn)，其功能包括設(shè)備間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和拆除，確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入控制、幀校驗(yàn)、預(yù)留時(shí)隙管理和廣播信息管理。物理層采用dsss（direct sequence spread spectrum，直接序列擴(kuò)頻）技術(shù)，定義了三種流量等級(jí)：當(dāng)頻率采用2.4ghz時(shí)，使用16信道，能夠提供250kbps的傳輸速率；采用915mhz時(shí)，使用10信道，能夠提供40kbps的傳輸速率；當(dāng)采用868mhz時(shí)，使用單信道，能夠提供20kbps的傳輸速率。zigbee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲饕行菭?、網(wǎng)狀和混合狀，如圖 2

18、2 所示。全功能器件精簡(jiǎn)功能器件pan協(xié)調(diào)器星型拓?fù)渚W(wǎng)狀拓?fù)浯貥?shù)型拓?fù)鋱D 22 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)fig 22 zigbee network topology星型拓?fù)渚哂薪M網(wǎng)簡(jiǎn)單、成本低和電池使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)；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(diǎn)發(fā)生故障，所有與之相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信將中斷。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?；旌蠣钔?fù)渚C合了以上兩種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，這種組網(wǎng)通常會(huì)使zigbee網(wǎng)絡(luò)更加靈活、高效、可靠。2.2.3 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

19、入手段，既免去了繁瑣的布線工作，也保證了足夠的帶寬。但是由于zigbee和wifi都主要工作在2.4 ghz的ism 頻段，它們之間勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生相互干擾，如何解決這一問(wèn)題，使得這兩種無(wú)線技術(shù)能夠共存，對(duì)本課題的研究至關(guān)重要。ieee802.15.4把zigbee的2.4 ghz ism頻段劃分為16個(gè)帶寬為2 mhz的信道，如圖 23所示。圖 23 zigbee信道在2.4ghz頻段上的分布fig 23 zigbee channel distribution in the 2.4ghz frequency bandieee 802.11b/g工作在2.42.4835ghz頻段，這些頻段被分為11

20、或13個(gè)信道，具體情況根據(jù)不同國(guó)家或地區(qū)的法規(guī)有所不同。在美國(guó)，fcc 法規(guī)僅允許信道1到11被使用。在歐洲113被允許用在802.11b操作中（1、5、9和13經(jīng)常被配置）。在日本，所有的14信道被允許用在802.11b操作中。在表 22 中列出了ieee 802.11b/g在不同國(guó)家或地區(qū)的信道id和中心頻率。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)1241222417324224242752432624377244282447924521024571124621224

21、67-132472-142484-無(wú)重疊的信道最多只有3 個(gè)，如圖 24所示。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。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。圖 24 wifi信道在2.4ghz上的分布（無(wú)重疊）fig 24 wifi channel distribution in the 2.4ghz frequency band（no overlap）在無(wú)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。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

22、信道，避免占用同一信道，減小干擾。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。顯然，此種方法更加便捷且易于實(shí)現(xiàn)。以歐洲的情況為例，若wifi選擇信道13，則zigbee的16個(gè)信道中的前12個(gè)都是不與之重疊的。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。2.3 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(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，然后對(duì)該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)無(wú)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(wèn)題，為第三章中詳細(xì)論述本系

23、統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。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。無(wú)線監(jiān)測(cè)單元的結(jié)構(gòu)如圖 31所示，主要由傳感器、信號(hào)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(hào)處理及特征提取等功能）以及zigbee無(wú)線模塊等部分組成。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。該部分僅存在于作為zigbee協(xié)調(diào)器的無(wú)線監(jiān)測(cè)單元內(nèi)。zigbee

24、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。因此作為zigbee協(xié)調(diào)器的無(wú)線監(jiān)測(cè)單元只需要實(shí)線框內(nèi)的部分即可完成工作。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fpgaarmzigbeewifififo采樣控制信號(hào)處理及特征提取圖 31 無(wú)線監(jiān)測(cè)單元結(jié)構(gòu)圖fig 31 structure of wireless monitor unit3.1 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

25、發(fā)生。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(cè)量范圍和較高的測(cè)量精度。3.1.1 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。為了保護(hù)廠房和工作人員的安全，必須采取謹(jǐn)慎的措施來(lái)防止氣體引爆。這些區(qū)域通常被稱作“危險(xiǎn)區(qū)域”。本質(zhì)安全的原理是有意地限制危險(xiǎn)區(qū)域電路的電能，使任何可能產(chǎn)生的電路火花或熱點(diǎn)都變得極弱小而不至于引爆氣體12。它是通過(guò)在安全區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域之間的線路中安插一個(gè)能量限制接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)能量限制接口可根據(jù)需要向任何一個(gè)方向?qū)щ?，但限制在故障情況下能傳到危險(xiǎn)區(qū)域的電壓和電流的強(qiáng)度。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

26、。如圖 32所示，該傳感器必須和正確安裝的阻擋帶一起使用。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。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。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。傳感器必須通過(guò)有接地的結(jié)構(gòu)合理接地。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。圖 32 本質(zhì)安全控制圖fig 32 intrinsic safety control drawing3.1.2 傳感器原理對(duì)于加速度傳感器而言，在輸

27、出電壓范圍固定的情況下（13-25v），加速度測(cè)量范圍與測(cè)量精度是相互制約的，為了保證加速度傳感器具有很大測(cè)量范圍的同時(shí)，仍然有很高的測(cè)量精度，本文采用雙傳感器的設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)的范圍選取相應(yīng)的傳感器信號(hào)。加速度傳感器選用adi公司的imems系列產(chǎn)品adxl105和adxl78。其中，adxl105的測(cè)量范圍是5g，分辨率250mv/g，10khz帶寬14；adxl78的測(cè)量范圍有35g、50g和70g，本課題選用35g的型號(hào)22279，分辨率55mv/g，400hz帶寬15。在加速度未超出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5g時(shí)，改用adxl7

28、8進(jìn)行測(cè)量，以達(dá)到更大的測(cè)量范圍。這兩款芯片均為電容式力平衡加速度計(jì)，應(yīng)用mems（micro-electro-mechanical system）技術(shù)在硅片上用特殊的加工方法制造而成。下面對(duì)adxl105的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，adxl78與之類似，故不再贅述。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)沒(méi)有加速度作用時(shí)，中間極板的位置剛好在差動(dòng)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。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。此時(shí)電容比率發(fā)生改變，在

29、中心梁上產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，該信號(hào)隨加速度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。加速度方向利用相位解調(diào)技術(shù)確定。圖 33 adxl105加速度傳感器靜止?fàn)顟B(tài)簡(jiǎn)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。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：圖 35 adxl105對(duì)重力的

30、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 gravity3.1.3 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。adxl105有兩個(gè)電源引腳，13和14腳。這兩個(gè)引腳應(yīng)直接相連，并在vdd與com之間連接0.22f的去耦電容以降低電源噪聲。com引腳4和7應(yīng)直接相連，并由7腳接地。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。圖 37 adxl

31、105的應(yīng)用電路fig 37 application circuit of adxl105如圖 38所示，較之a(chǎn)dxl105的外部電路，adxl78顯得更為簡(jiǎn)單，只需在電源和地之間連接0.1f的去耦電容即可從xout得到加速度計(jì)的電壓輸出。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)。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：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

32、 310 interface definition of vibration sensor boarducaout為adxl105的加速度輸出信號(hào)，測(cè)量范圍5g，分辨率250mv/g；xout為adxl78的加速度輸出信號(hào)，測(cè)量范圍是35g，分辨率55mv/g。處理器默認(rèn)采用ucaout的輸出信號(hào)，以保證較高的分辨率。若實(shí)際測(cè)得的交流電壓信號(hào)范圍超出1.25v，即加速度值超出5g時(shí)，改用adxl78的信號(hào)輸出xout重新測(cè)量，以滿足較大的測(cè)量范圍。振動(dòng)信號(hào)采樣的流程圖如圖 311所示。開(kāi)始啟用ucaout采樣采樣值 5gny啟用xout采樣關(guān)閉ucaout采樣采樣結(jié)束圖 311 振動(dòng)信號(hào)采樣流

33、程圖fig 311 flow chart of vibration signal sampling3.1.4 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。加速度較小時(shí)，重力加速度的影響較穩(wěn)定，可以獲取準(zhǔn)確的參考值。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。將加速度計(jì)旋轉(zhuǎn)90，加速度為1g，讀取輸出值。再旋轉(zhuǎn)180，加速度為-1g，再次讀取輸出值。則采用式（3-1）便可得到比較準(zhǔn)確的靈敏度。靈敏度=（1g讀數(shù)-（-1g讀數(shù)）/ 2 v/g式（3-1）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

34、不是很大17。例如，當(dāng)方向偏差為5時(shí)，測(cè)量結(jié)果只會(huì)產(chǎn)生0.4%的誤差。3.2 鍵相測(cè)量鍵相測(cè)量可以確定出振動(dòng)信號(hào)的相位角和軸承轉(zhuǎn)速，用于軸的動(dòng)平衡分析以及設(shè)備的故障分析與診斷等方面。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。這里的確定標(biāo)記在工程上通常是鍵相槽位置。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。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(cè)量也是不可或缺的。3.2.1 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

35、鍵相信號(hào)。鍵相信號(hào)是一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)它的測(cè)量便可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。檢測(cè)鍵相槽位置所使用的傳感器一般是電渦流傳感器。圖 312 鍵相測(cè)量原理fig 312 key phase measurement diagram鍵相槽可以采用凹槽或者凸槽，當(dāng)這個(gè)鍵相槽轉(zhuǎn)動(dòng)到傳感器探頭安裝位置時(shí)，由于探頭與被測(cè)面間距突變，傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，在一定時(shí)間內(nèi)，通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，也可以通過(guò)計(jì)算連續(xù)兩個(gè)鍵相信號(hào)之間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算出轉(zhuǎn)速。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3.3

36、ms2s之間。鍵相槽的尺寸要足夠大，以使產(chǎn)生的脈沖信號(hào)峰值不小于5v（ap1670標(biāo)準(zhǔn)不小于7v）。一般若采用5、8探頭，鍵相槽寬度應(yīng)大于7.6mm，深度或高度大于1.5mm（推薦采用2.5mm以上），長(zhǎng)度應(yīng)大于10.2mm19。鍵相槽應(yīng)平行于軸心線，其長(zhǎng)度應(yīng)盡量長(zhǎng)，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。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)。3.2.2 預(yù)處理電路鍵相傳感器產(chǎn)生的信號(hào)是不規(guī)則的脈沖信號(hào)，而且電平高于fpga或處理器的電平，是無(wú)法被正常識(shí)別的。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)

37、。預(yù)處理電路如圖 313所示。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。若鍵相傳感器產(chǎn)生的是正向脈沖，則信號(hào)端與key+相連，gnd與key-相連；反之，則相反。光耦輸入端與輸出端信號(hào)實(shí)現(xiàn)完全隔離20。圖 313 鍵相信號(hào)預(yù)處理電路fig 313 key phase pretreatment circuit電位器、電阻、構(gòu)成了分壓調(diào)節(jié)電路。二極管對(duì)光耦起到反向保護(hù)作用。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，可以使光耦在輸入電壓時(shí)截止，在時(shí)導(dǎo)通，如圖 314所示。經(jīng)過(guò)整形后得到如圖 315所示的規(guī)則方波信號(hào)。圖 314 光耦的輸出信號(hào)fig 314 output signal of optocoupler圖

38、315 預(yù)處理電路輸出信號(hào)fig 315 output signal of pretreatment circuit經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后的脈沖信號(hào)變成了+3.3v的規(guī)則方波信號(hào)，與fpga或處理器相連，便可完成脈沖計(jì)數(shù)和周期測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)相位檢測(cè)和軸承轉(zhuǎn)速的測(cè)量，以及對(duì)設(shè)備故障的進(jìn)一步診斷和分析。3.3 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。另外，振動(dòng)信號(hào)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。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

39、，這些部分共同組成了振動(dòng)信號(hào)采樣控制模塊。3.3.1 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)。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。這一系列的信號(hào)操作便稱為信號(hào)調(diào)理，用于對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，使信號(hào)適合作為a/d轉(zhuǎn)換器的輸入21。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)。因此，該模塊中只對(duì)原始電壓信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。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，

40、它們共同組成了帶通濾波電路。振動(dòng)傳感器輸出的電壓信號(hào)是疊加在一直流電壓上的交流小信號(hào)。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。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。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。圖 316 高通濾波電路fig 316 high-pass filter circuit經(jīng)過(guò)邏輯開(kāi)關(guān)的電壓信號(hào)被再次接入到低通濾波電路，如圖 317所示。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。圖 317 低通濾波電路fig 31

41、7 low-pass fiter circuit在經(jīng)過(guò)以上的濾波電路之后，振動(dòng)傳感器的電壓信號(hào)已去除直流分量和噪聲信號(hào)，其電壓范圍變成-2.5v +2.5v。3.3.2 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)，作為a/d轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)。adg608的真值表如表 31 所示。表 31 adg608真值表table 31 truth table of adg608a2a1a0en選通開(kāi)關(guān)x00001111x00110011x01010101011111111無(wú)12345678利用兩片adg608組成的16路模擬開(kāi)關(guān)如圖 318所示。圖 318 由2

42、片adg608組成的16路模擬開(kāi)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(guò)4位地址線便可以選通開(kāi)關(guān)1 16，其真值表如表 32所示。表 32 16路模擬開(kāi)關(guān)的真值表table 32 truth table of 16 analog switch/csa3a2a1a0選通000000000000000010000000011111111x0000111100001111x0011001100110011x0101010101010101x12345678910111213141516浮空a/d轉(zhuǎn)換器

43、選用ad9240，其分辨率為14位，采樣速率高達(dá)10msps。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。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。其工作時(shí)序圖如圖 319所示：圖 319 時(shí)序圖fig 319 timing diagramad9240在每個(gè)時(shí)鐘周期都可以進(jìn)行采樣，但需要3個(gè)時(shí)鐘周期完成整個(gè)轉(zhuǎn)換的處理過(guò)程，數(shù)據(jù)輸出比采樣時(shí)刻晚3個(gè)時(shí)鐘周期。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。的值不能小于100ns，而和不能小于45ns。在采樣頻率為10msps時(shí)，ad9240的輸入時(shí)鐘需

44、滿足占空比45%55%的條件。模擬開(kāi)關(guān)的輸出接至ad9240，在fpga的控制下便可以實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)的采集。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：圖 320 交流耦合輸入fig 320 ac-coupled inputad9240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。ad9240有一個(gè)片內(nèi)基準(zhǔn)源，通過(guò)不同的管腳連接可選擇基準(zhǔn)為1v或2.5v。如果sence管腳與refcom管腳相連，vref電壓為2.5v。如果sence管腳與vref管腳相連，vref電壓為1v。ad9240也可以采用外部基準(zhǔn)源作為參考電平，具體連接不再

45、贅述。ad9240的數(shù)字輸出在整個(gè)輸入范圍內(nèi)采用正邏輯的自然二進(jìn)制編碼，標(biāo)志位otr表示測(cè)量數(shù)據(jù)是否溢出有效范圍。如表 33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otrvina-vinbvina-vinbvina-vinbvina-vinbvina-vinb -vref= -vref= 0= +vref - 1 lsb +vref00 0000 0000 000000 0000 0000 000010 0000 0000 000011 1111 1111 111111 1111 1111 1111100013.3.3

46、數(shù)據(jù)緩沖fifo振動(dòng)信號(hào)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fifo22。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。如圖 321所示：ad9240fifod0d13串行轉(zhuǎn)換d0d13spimcu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。xc3s100e是一款高性能低價(jià)格的可編程邏輯器件（f

47、pga），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。fifo具有兩套數(shù)據(jù)線而無(wú)地址線，可在其一端寫(xiě)操作而在另一端進(jìn)行讀操作，數(shù)據(jù)在其中順序移動(dòng)23。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。采用 fifo構(gòu)成高速a/d采樣緩存時(shí)，由于轉(zhuǎn)換速度比較快，對(duì)時(shí)序配置要求非常嚴(yán)格，如果兩者時(shí)序關(guān)系配合不當(dāng)， 就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)出錯(cuò)或者掉數(shù)。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

48、電路和器件。實(shí)物圖如圖 322所示：圖 322 fpga核心板fig 322 fpga core board3.4 信號(hào)處理與特征提取識(shí)別基于zigbee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)，因此為了減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)效率，應(yīng)盡量避免較大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸。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。提取有效的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，可以使數(shù)據(jù)量相對(duì)原始波形信號(hào)大幅減少，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和能耗，從而保障系統(tǒng)的高效運(yùn)行。3.4.1 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)

49、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。因此，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，盡量還原最真實(shí)的原始信號(hào)。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。用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)函數(shù)具有可變化性，僅依賴于算法結(jié)構(gòu)，并易于獲得較理想的濾波性能，得到想要的濾波效果。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。經(jīng)典數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：一種是iir數(shù)字濾波器，稱為無(wú)限長(zhǎng)沖激響應(yīng)濾波器；另一種是fir濾波器，稱為有現(xiàn)場(chǎng)沖激響應(yīng)濾波器24。本課題中濾波器的設(shè)計(jì)主要以iir數(shù)字濾波器為主。iir數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)通常借助于模

50、擬濾波器的原型，再將濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器。常用的模擬低通濾波器的原型產(chǎn)生函數(shù)有巴特沃斯濾波器原型、切比雪夫?yàn)V波器原型、橢圓濾波器原型等。濾波處理往往以濾除噪聲為基本應(yīng)用，而在處理振動(dòng)信號(hào)時(shí)，由于故障信號(hào)一般屬于高頻信號(hào)，因此，可以采用高通濾波的方式將故障信號(hào)提取出來(lái)，直接對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分析。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)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。因此，利用巴特沃斯濾波器這個(gè)特性就能較理想的提取出高頻故障信號(hào)。巴特沃斯濾波器的特征函數(shù)為：式（3-2）式中，n為濾波器的階數(shù)；為通帶寬度。圖 323為巴特沃斯的幅頻響應(yīng)曲線。圖 324為故障信號(hào)進(jìn)過(guò)巴特沃斯高通濾波器的前后對(duì)比

51、圖。圖 323 巴特沃斯幅頻響應(yīng)fig 323 butterworth frequency response圖 324 信號(hào)輸入輸出前后對(duì)比f(wàn)ig 324 comparation of input and output signals3.4.2 特征參數(shù)提取對(duì)振動(dòng)信號(hào)直接進(jìn)行時(shí)域分析是狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷最簡(jiǎn)單和最直接的方法，特別是當(dāng)信號(hào)中含有簡(jiǎn)諧信號(hào)、周期信號(hào)和短脈沖信號(hào)時(shí)，這種分析方法更加有效。對(duì)于一個(gè)有損傷的軸承，當(dāng)滾動(dòng)體接觸點(diǎn)進(jìn)入缺陷區(qū)時(shí)，就會(huì)發(fā)生機(jī)械沖擊，沖擊脈沖幅度與損傷的程度成正比25。由于沖擊力的變動(dòng)幅度很大，并帶有很大的隨機(jī)噪聲，因此，對(duì)沖擊波形的幅度用波形特征參數(shù)來(lái)表示，能有

52、效地反映軸承的故障狀態(tài)，這是故障監(jiān)測(cè)中常用的方法。下面給出滾動(dòng)軸承常用的幾種故障波形特征參數(shù)的計(jì)算公式及相關(guān)介紹：1）峰值：式（3-3）2）有效值：式（3-4）3）峰值因數(shù)：式（3-5）4）峭度：式（3-6）5）峭度指標(biāo)：式（3-7）6）峰態(tài)因數(shù)：，其中為標(biāo)準(zhǔn)偏差式（3-8）7）裕度因數(shù)：，其中式（3-9）8）脈沖因數(shù)：，其中式（3-10）式中，系統(tǒng)中某個(gè)特征點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；采樣時(shí)間；的概率密度函數(shù)。峰值大小可用來(lái)反映軸承某一局部故障點(diǎn)的沖擊力大小。沖擊力越大，峰值越高，因此檢測(cè)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)。有效值反映信號(hào)的能量大小，特別適用于具有隨機(jī)振

53、動(dòng)性質(zhì)的軸承測(cè)量。軸承制造精度越低或磨損程度越大，則值越高，但對(duì)于表面脫落或局部損傷產(chǎn)生的沖擊脈沖振動(dòng)波形變化并不明顯。峰值因數(shù)能反映出波形的尖峰度。它是一個(gè)相對(duì)值，不受振動(dòng)信號(hào)絕對(duì)值大小的影響，也不受軸承尺寸和轉(zhuǎn)速的影響。正常軸承振動(dòng)波形的峰值因數(shù)約為4-5，而當(dāng)存在局部缺陷引起的振動(dòng)的波形的峰值因數(shù)往往超過(guò)10。缺陷越大，峰值因數(shù)也就越大，因此測(cè)量很方便。峭度值對(duì)大幅度的信號(hào)最敏感，當(dāng)大幅度的信號(hào)出現(xiàn)的概率增加，峭度值將迅速增大，因此，測(cè)量峭度值對(duì)含有脈沖的故障信號(hào)非常有效。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(guò)4，則說(shuō)明軸承存在一定程度的損傷。峭度指標(biāo)是一個(gè)無(wú)量綱的參數(shù)，

54、只能反映進(jìn)展中的故障。峭度指標(biāo)對(duì)早期的故障有較高的敏感性，當(dāng)故障達(dá)到一定程度后，在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)都是同樣水平的尖峰值，的平均增長(zhǎng)幅度相差不大，因此軸承在良好狀態(tài)和嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)下的峭度指標(biāo)幾乎是一樣的。建議在故障剛出現(xiàn)時(shí)參考。常用的波形特征參數(shù)方法在實(shí)際應(yīng)用中都具有一定的診斷能力，但同時(shí)也存在一些不足。實(shí)際系統(tǒng)中測(cè)得的滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)多為非平穩(wěn)、非線性的，且當(dāng)局部故障規(guī)模較小時(shí)，故障信息易被背景噪聲淹沒(méi)。而基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition, emd）的波形特征參數(shù)分析法經(jīng)試驗(yàn)證明可有效地分辨和識(shí)別滾動(dòng)軸承的不同工作狀態(tài)和故障類型26。emd分析法基于兩個(gè)假設(shè)27：1）任何復(fù)雜的數(shù)據(jù)或信號(hào)都是由具有不同特征時(shí)間尺度的簡(jiǎn)單本征模態(tài)函數(shù)（intrinsic mode function, imf）組成；2）任何兩個(gè)本征模態(tài)函數(shù)之間是相互獨(dú)立的，一個(gè)信號(hào)可以包含許多個(gè)本征模態(tài)函數(shù)，如果各模態(tài)之間相互重疊，便形成復(fù)合信號(hào)。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。本征模態(tài)函數(shù)必須滿足的條件：1）在整個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，極值點(diǎn)和過(guò)零點(diǎn)的