基于Cortex-M3的齒輪傳動(dòng)軸損傷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉曉明，吳德松，王瀟瀛

（重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，重慶400030）

傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)軸監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)一般是將用于分析和監(jiān)測(cè)的加速度等傳感器安裝在齒輪箱的軸承座上，采用廣域信號(hào)進(jìn)行診斷與分析。如果僅是簡(jiǎn)單將現(xiàn)有傳感器安裝在大功率小體積的重要裝備齒輪箱中，不僅加速度、溫度和應(yīng)變等傳感器安裝困難，而且所測(cè)信號(hào)很難向外傳輸。因此，無(wú)法實(shí)時(shí)獲取齒輪和軸承實(shí)際工況條件下的真實(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力和扭矩等重要信息，一些關(guān)鍵設(shè)備的齒輪傳動(dòng)軸的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)就無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)。

本文為解決上述問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出了“局域強(qiáng)信號(hào)”新概念，將傳感器直接安裝在所需檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的位置[1]，感知局域強(qiáng)信號(hào)的變化。由于局域強(qiáng)信號(hào)距離信號(hào)發(fā)生源近，感知的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他位置測(cè)取的信號(hào)，故信號(hào)可靠度與可信度高，從而大幅度提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)損傷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與判斷的成功率。突破了傳統(tǒng)廣域信號(hào)在箱體外采集信號(hào)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒扌?，?shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)“零距離”局域強(qiáng)信號(hào)從箱體內(nèi)部向箱體外部的高速和低誤碼率的傳輸，具有鮮明的“零距離接觸”特色，是本系統(tǒng)的重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。

1 損傷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集端以LPC1768微控制器為控制核心，包括前端數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)調(diào)理電路（放大和濾波）、RF發(fā)射模塊和電源電路。數(shù)據(jù)接收端包括LPC1768微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、RF接收模塊和電源電路。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)采用無(wú)線RF方式傳輸數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集端，首先由前端數(shù)據(jù)采集電路測(cè)得與扭矩成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后送入LPC1768微控制器進(jìn)行A/D變換，最后通過(guò)RF發(fā)射模塊將經(jīng)過(guò)MSK調(diào)制過(guò)后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)天線發(fā)射出去。在數(shù)據(jù)接收端，通過(guò)LPC1768微控制器的控制，將RF接收模塊接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口實(shí)時(shí)傳入PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)將接收數(shù)據(jù)存入外部存儲(chǔ)器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

采用NXP公司的基于第二代ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器LPC1768作為系統(tǒng)的核心單元。通過(guò)LPC1768內(nèi)部ADC(轉(zhuǎn)換頻率高達(dá)1 MHz)，實(shí)現(xiàn)4路扭矩信號(hào)的采樣,精度達(dá)到12 bit，采樣頻率達(dá)到4 kHz。LPC1768通過(guò)控制CC1101實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā),控制NAND Flash實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，控制內(nèi)部USB設(shè)備控制器實(shí)現(xiàn)與PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能，同時(shí)保證了系統(tǒng)在體積、功耗、性能上的最優(yōu)化。

2.1 前端數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路由應(yīng)變?cè)蜆螂娐穬刹糠纸M成。采用精度很高的應(yīng)變?cè)瞥傻膹?fù)雜傳感器來(lái)測(cè)量形變，應(yīng)變?cè)环胖迷谛枰獪y(cè)量的基體之上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，應(yīng)變?cè)?huì)隨基體變化發(fā)生相應(yīng)的物理形變，該形變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變?cè)淖柚蛋l(fā)生相應(yīng)變化。通過(guò)惠斯通橋電路將應(yīng)變?cè)柚档淖兓D(zhuǎn)換成電壓的變化。由于應(yīng)變片粘貼過(guò)后會(huì)存在阻值上的偏差，并且另外3個(gè)橋臂電阻阻值存在誤差，故惠斯通橋電路在測(cè)量開(kāi)始前很難保證精確平衡，本系統(tǒng)在橋電路中加入數(shù)字電位器，通過(guò)程序控制，保證電橋在測(cè)量開(kāi)始前零點(diǎn)精確平衡并且在測(cè)量過(guò)程中不出現(xiàn)零漂。前端采集電路如圖2所示。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

經(jīng)由橋電路采集輸出的信號(hào)具有較小的差模信號(hào)(幾毫伏)和較大的共模信號(hào)(幾伏)，需要放大電路具有很高的共模抑制比、高增益、低噪聲和高輸入阻抗[2]。本系統(tǒng)采用ADI公司的AD8221儀表放大器來(lái)放大橋電路的輸出信號(hào)。AD8221是一款增益可編程的高性能儀表放大器，低電壓失調(diào)、低失調(diào)漂移、低增益漂移、高增益精度和高共模抑制比特性，使AD8221成為橋式信號(hào)調(diào)理的絕佳選擇。AD8221采用±5 V供電，通過(guò)一只外部電阻設(shè)置增益(1～1 000)，參考電壓VREF由雙通道Rail-to-Rail放大器AD8032精確提供。圖3中電容C318起到旁路電壓噪聲、提高電路的抗干擾性能作用。通過(guò)增益和VERF的調(diào)節(jié)，可將AD8221的輸出電壓控制在0～3.3 V之間，滿足ADC輸入電壓范圍。圖中輸出端的電阻R504、R508和電容C504、C510組成RC濾波電路，可濾除高頻干擾信號(hào)。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

圖4 RF收發(fā)模塊

2.3 RF發(fā)射和接收模塊

CC1101是Chipcon公司一款高性價(jià)比單片UHF收發(fā)器，為低功耗無(wú)線電應(yīng)用而設(shè)計(jì)。具有體積小、接收靈敏度高、傳輸速度快、工作電壓范圍寬、功耗低及輸出功率高等特點(diǎn)，同時(shí)擁有卓越的數(shù)據(jù)包處理能力、自動(dòng)的前向糾錯(cuò)、CRC校驗(yàn)、交織以及白化等功能[3]。

RF電路對(duì)電源噪聲干擾十分敏感，尤其是高次諧波和電壓毛刺，當(dāng)干擾嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致RF器件無(wú)法正常工作。因此，本系統(tǒng)對(duì)RF收發(fā)電路單獨(dú)制版，并用金屬罩對(duì)其進(jìn)行電磁屏蔽，同時(shí)電源部分加上耦合電路，以保證RF收發(fā)模塊可靠工作。RF發(fā)射和接收模塊如圖4所示。CC1101與LPC1768之間的通信采用SPI總線接口實(shí)現(xiàn)，CSN(片選)、SCLK(串行時(shí)鐘)、SO(串行輸出)、SI(串行輸入)分別與LPC1768的P0.6、P0.7、P0.8和P0.9引腳相連。LPC1768作為主機(jī)，CC1101作為從機(jī)掛接在SPI總線上，LPC1768通過(guò)SPI接口對(duì)CC1101進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)交互。另外，GDO0引腳與LPC1768的P0.4引腳相連，用于指示是否已完整地接收或發(fā)送了一個(gè)數(shù)據(jù)包，它可作為L(zhǎng)PC1768的外部中斷源信號(hào)。C607、C608、C609、L600和L601組成了一個(gè)非平衡變壓器，用于在差分信號(hào)和單端RF信號(hào)之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，C613、C615、C616、L602和L603組成了一個(gè)LC濾波器，它與非平衡變壓器一起實(shí)現(xiàn)與50 Ω的天線相匹。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)選用三星公司的K9NBG08U5A NandFlash芯片實(shí)現(xiàn)。容量為2 GB,讀寫速度極快；I/O引腳為地址、數(shù)據(jù)、命令總線復(fù)用；內(nèi)部為每一頁(yè)留有多余字節(jié)空間,可用作ECC校驗(yàn)數(shù)據(jù)的存放[4]。

由于USB具有熱插拔、傳輸速度快和攜帶方便等優(yōu)點(diǎn),非常適合用于嵌入式系統(tǒng)中。本系統(tǒng)采用LPC1768內(nèi)嵌的USB2.0全速設(shè)備控制器,以DMA方式實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳輸。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的功能模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件，這樣系統(tǒng)有很好的裁剪性。每個(gè)模塊軟件驅(qū)動(dòng)分為底層驅(qū)動(dòng)和接口應(yīng)用，整個(gè)下位機(jī)軟件采用前后臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[5]。

3.1 數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集端軟件主要實(shí)現(xiàn)扭矩采集，通信時(shí)需注意A/D采樣速率和CC1101發(fā)送速率的匹配。CC1101以包為單位收發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)TX FIFO中裝滿64 bit的數(shù)據(jù)后，CC1101將自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并發(fā)送，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得本系統(tǒng)CC1101完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送需近2 ms的時(shí)間，所以要求在2 ms時(shí)間內(nèi)將A/D采集的數(shù)據(jù)存入CC1101的TX FIFO中，以便實(shí)時(shí)發(fā)送。通過(guò)定時(shí)器每隔0.25 ms產(chǎn)生一次中斷（從而實(shí)現(xiàn)4 kHz的采樣頻率），相關(guān)中斷服務(wù)程序會(huì)調(diào)用A/D采樣函數(shù)進(jìn)行4路通道采樣，因?yàn)槊恳宦纺M信號(hào)被量化為12 bit，所以用2 B存儲(chǔ)一路的采樣結(jié)果，則每2 ms獲得64 bit(正好是CC1101的TX FIFO大小)數(shù)據(jù)送入CC1101的TX FIFO進(jìn)行發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)了A/D采樣速率和CC1101發(fā)送速率的最佳匹配。數(shù)據(jù)采集端軟件流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集端軟件流程

圖6 數(shù)據(jù)接收端軟件流程

3.2 數(shù)據(jù)接收端軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備與PC機(jī)的通信采用自定義的幀傳輸方式，命令幀通過(guò)LPC1768內(nèi)部USB設(shè)備控制器的邏輯端點(diǎn)1進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)幀通過(guò)邏輯端點(diǎn)2進(jìn)行傳輸。接收端每隔2 ms接收一次采集端傳來(lái)的64 B數(shù)據(jù)并將其存入外部存儲(chǔ)器中，如果接收到PC機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)讀取幀，則實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳入PC機(jī)，如果接收到PC機(jī)發(fā)送來(lái)的讀取停止幀，則停止向PC傳數(shù)。數(shù)據(jù)接收端軟件流程如圖6所示。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

使用本系統(tǒng)對(duì)某型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)軸在不同工況和轉(zhuǎn)速的條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。在工況1和工況2中，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，輸出扭矩增大，分別在3 500 r/m和3 000 r/m時(shí)達(dá)到最大，隨后輸出扭矩迅速減小，說(shuō)明傳動(dòng)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中存在明顯的共振現(xiàn)象，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。

圖7 軸的扭矩變化（轉(zhuǎn)速800 r/m）

圖8 扭矩統(tǒng)計(jì)參數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

本系統(tǒng)成功解決了某型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸的扭振測(cè)試難題。實(shí)際測(cè)試結(jié)果證明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法是成功的。本系統(tǒng)以關(guān)鍵傳動(dòng)設(shè)備為研究對(duì)象，其方法、原理和技術(shù)可擴(kuò)展到旋轉(zhuǎn)機(jī)械、往復(fù)機(jī)械等設(shè)備的故障預(yù)報(bào)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]高為宮.軋機(jī)扭矩監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)采集與無(wú)線數(shù)傳技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[2]劉峻華,黃樹(shù)紅,陸繼東.汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展與展望[J].汽輪機(jī)技術(shù),2000(1).

[3]Texas Instruments.CC1101 User’s Manual.http://www.ti.com.

[4]Samsung Electronics.K9XXG08UXA_datasheet.Rev1.1[DB/OL].www.alldatasheet.com.2006.

[5]周立功.深入淺出Cortex-M3—LPC175x.廣州致遠(yuǎn)電子有限公司，2009.