基于ARM9的機電設備檢測終端研究與設計

陳運軍

（四川信息職業(yè)技術學院 四川 廣元 628040）

機電設備檢測終端系統(tǒng)集微處理器、數(shù)據(jù)采集、控制執(zhí)行、通信接口、人機接口等模塊于一體，達到實時監(jiān)測機電設備狀態(tài)的目的。

隨著生產(chǎn)自動化水平的提高，機電設備在很多大型設備中處于核心地位，漸趨復雜，對其維護的要求越來越高，若機電設備的故障得不到及時的發(fā)現(xiàn)，整個大型裝備的正常運行將會受到影響。根據(jù)設備實時檢測數(shù)據(jù)和故障診斷為基礎的維修具有針對性強，實時性高的優(yōu)點。從而達到降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)效益的目的，極具研究前景。

1 機電設備檢測終端系統(tǒng)硬件設計

機電設備檢測終端控制結構框圖如圖1所示。主控模塊是機電設備檢測終端的核心，主要負責從信號采集模塊獲取機電設備的運行參數(shù)，對獲得的數(shù)據(jù)進行相關分析與處理，顯示機電設備的運行參數(shù)，定時保存參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過通信接口將采集數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測系統(tǒng)主控制端。它主要包括ARM9的核心板、通信接口、信號采集、人機接口、輸出控制、數(shù)據(jù)存儲、電源管理等部分。

微處理器協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，主要完成以下任務：將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進行存儲和顯示；通過通信模塊將采集的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測系統(tǒng)主控制機；根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制命令，控制執(zhí)行模塊完成相應的執(zhí)行動作；根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主控制端通過通信接口傳來的控制命令，執(zhí)行相應的操作。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

作為機電設備監(jiān)測終端系統(tǒng)的重要組成部分，本文主要分析振動檢測模塊、開關／模擬信號采集模塊、溫度監(jiān)測模塊以及輸出控制模塊4部分。

1．1 振動檢測電路設計

高速旋轉的機電設備，由于旋轉質量的不平衡、軸承的剛度、滾珠的缺陷、滑動軸承的油膜振蕩等因素影響都會引起振動，會產(chǎn)生巨大的反復變動的交變載荷，這不但會降低機器的使用壽命和可靠性，而且還會發(fā)生嚴重的破壞事故。將速度傳感器的外殼固定在振動物體上，整個傳感器跟著振動物體一起振動，而處在空氣間隙內(nèi)的動線圈是用很軟的簧片固定在外殼上的，其自振頻率ωn較低。當振動物體的振動頻率ω≥1.5 ωn時，動線圈處在相對靜止狀態(tài)，線圈與磁鋼之間發(fā)生相對運動，動線圈切割磁力線而產(chǎn)生感應電勢E=BLV，公式中B為磁場強度、L為感應線圈導線長度、V為相對運動速度，當B、L一定時，輸出電勢E正比于振動速度V。若要取得與振動位移成正比的振動信號，傳感器輸出的信號必須經(jīng)積分回路，再對信號進行電壓幅值調(diào)理，將模擬信號轉換為S3C2440所能接收的0～3.3 V電壓。

1．2 開關／模擬信號采集電路設計

開關／模擬信號采集電路包括直流模擬量采集電路、數(shù)字開關量采集電路兩部分。

模擬量采集模塊：采集機電設備配電柜里面緩變的傳感器參數(shù)，因此需監(jiān)測直流模擬電壓或電流值。本監(jiān)測終端要求提供兩路采集通道，其中一路為直流電壓，其測量范圍為0～5 V；另一路為直流電流，其測量范圍為4～20 mA?？紤]到機電設備配電柜的運行環(huán)境，模擬信號采集之后需進行電氣隔離，因此直流模擬量的采集分為采樣和隔離兩部分。為減少隔離通道，選用串行A/D轉換芯片，其通信接口選用具有SPI通信接口的串行A/D轉換芯片ADC0832，如圖2所示。

圖2 直流模擬量采集電路原理框圖Fig.2 DC analog quantity acquisition circuit principle diagram

開關量采集模塊：采集開關的狀態(tài)。本監(jiān)測終端要求提供四路數(shù)字開關量采集通道，數(shù)字開關量的最大值為5 V。為提高核心板的可靠性，在核心板與數(shù)字開關量之間選用光耦合進行電氣隔離。其中一路數(shù)字開關量采集電路如圖3所示。

圖3 數(shù)字開關量采集電路Fig.3 Digital switch quantity acquisition circuit

如圖3所示，當輸入的數(shù)字開關量（D-INl）為低電平時，光耦導通，核心板采集到光耦輸出信號（DOUT1）為低電平：當輸入的數(shù)字開關量（D-INl）為高電平時，光耦斷開，核心板采集到光耦輸出信號（DOUTl）為高電平。由此可知，核心板采集到的光耦輸出信號（DOUTl）正確反映了數(shù)字開關量的狀態(tài)。

1.3 輸出控制電路設計

機電設備監(jiān)測終端要求提供兩路輸出控制，輸出控制電路利用繼電器驅動控制開關設備。為提高核心板的可靠性，在核心板與繼電器之間選用光耦合進行電氣隔離。其中一路輸出控制電路如圖4所示，當控制信號（K1）為低電平時，光耦導通，光耦輸出信號（RELAY_1）為低電平，繼電器控制開關閉合；當控制信號（K1）為高電平時，光耦斷開，光耦輸出信號（RELAY_1）為高電平，繼電器控制開關為常開狀態(tài)。

圖4 輸出控制電路Fig.4 Output control circuit

1.4 溫度監(jiān)測模塊設計

經(jīng)過長時間的連續(xù)工作之后，機電設備的整體溫度將上升，特別是機電設備的摩擦部位。通過對摩擦部位溫度的監(jiān)測可發(fā)現(xiàn)機電設備的運轉故障。溫度監(jiān)測模塊負責機電設備溫度的測量，由控制芯片AT89C51和數(shù)字溫度傳感器DSl8820組成，其原理框圖如圖5所示。AT89C51通過I/O口（P1.0）與DSl8B20進行單總線通信，讀取溫度參數(shù)，I/O口線要外接4.7 kΩ的上拉電阻。AT89C51通過UART口與核心板擴展的RS232接口進行通訊，將采集的溫度參數(shù)傳遞。

圖5 溫度監(jiān)測模塊總體框圖Fig.5 Temperature monitoring module diagram

2 軟起動控制系統(tǒng)的軟件設計

機電設備監(jiān)測終端軟件設計主要包括以下3部分：嵌入式WinCE系統(tǒng)搭建、設備驅動開發(fā)、應用程序的開發(fā)，在此重點介紹應用程序的開發(fā)。

監(jiān)測終端的WinCE應用程序將從機電設備信號采集模塊采集到的機電設備各項運行參數(shù)經(jīng)過分析處理后，及時顯示到監(jiān)測終端的TFT屏上，供用戶查看當前設備狀態(tài)。同時還會將采集到的數(shù)據(jù)以文件的形式記錄到SD卡，為用戶提供歷史數(shù)據(jù)查詢。

監(jiān)測終端的主控模塊通過SPI、RS232、通信接口與信號采集模塊進行通信，通過RS485、IrDA通信接口與其它監(jiān)測終端進行通信，兩路輸出控制為控制兩路繼電器的斷開與閉合。從物理結構上，應用程序主要分為邏輯層、接口層、系統(tǒng)層這3個層次，其體系結構如圖6所示。

圖6 應用程序體系結構圖Fig.6 Application architecture diagram

1）邏輯層

電能計量采集：向SPI接口順序下達一組采集命令。獲得電能參數(shù)后，將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示接口。溫度／濕度／噪聲／振動監(jiān)測：向RS232接口下達一組采集命令，通信的數(shù)據(jù)格式為：在發(fā)送幀信息之前，先發(fā)送4個字節(jié)FEH，以喚醒溫度監(jiān)測模塊，然后發(fā)送2個字節(jié)AEH，開始讀取溫度參數(shù)（共2個字節(jié)），參數(shù)讀取完畢之后，再發(fā)送2個字節(jié)AAH，結束此次操作。獲得溫度／濕度／噪聲／振動參數(shù)后，將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示接口。

2）接口層

SPI接口：對四線制SPI通信協(xié)議進行了封裝，主控模塊可以調(diào)用該SPI接口與電能計量模塊進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)操作。4路RS232接口：對RS232通信協(xié)議進行了封裝，用于與溫度／濕度／噪聲／振動監(jiān)測模塊進行通信。數(shù)據(jù)存儲：將收到的數(shù)據(jù)編碼為存儲格式，調(diào)用系統(tǒng)文件管理模塊寫入到文件。

3）系統(tǒng)層

系統(tǒng)層：使用了開發(fā)工具和操作系統(tǒng)提供的模塊。

3 試驗結果分析

對機電設備監(jiān)測終端的測試包括：電能計量模塊的測試；故障診斷測試；開關／模擬信號采集模塊的測試。

3.1 電能計量模塊的測試

電能計量模塊測量對象：輸入三相四線制交流電，其理論電壓有效值為220 V，理論電流有效值為0.6 A（設計負載為370 ohm，由3個100 ohm、1個50 ohm及1個20 ohm的電阻串聯(lián)組成，電阻的額定功率均為50 W）。根據(jù)測量結果，計算出的三相電參數(shù)測量精度如表1所示。

3.2 故障診斷測試

故障診斷主要完對端口分析，成對數(shù)據(jù)的高頻消噪、積分、時域分析和頻域分析等。得出各方面的性能。通過ARM9對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)對不同通道狀態(tài)數(shù)據(jù)的預處理和特征值計算。程序前面板界面如圖7所示。進入“故障診斷”界面，單擊時域分析和頻域分析按鈕，效果如下所示：時域分析包括時域波形，如圖8所示。通過以上的仿真實驗，可以看出整個系統(tǒng)連機正常，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、結果顯示，以及可以對仿真出來的信號進行時域分析，頻域分析，對信號進行分析處理，故障診新。所有功能正常，可以完成各個動作，達到預期目標。

表1 電能計量模塊參數(shù)測量精度Tab.1 Electric energy measurement module parameter measuring precision

圖7 故障診斷前面板Fig.7 Fault diagnosis of the front panel

圖8 時域波形Fig.8 Time domain waveform

3.3 振動檢測模塊的測試

在對一大型機電設備安裝檢測設備監(jiān)測其終端進行測試時，速度傳感器安裝于垂直方向。測試結果如圖9所示。測得最大振幅值為 200 μm，主要是 1倍頻，1X振幅值為190 μm。由于1倍頻幅值較大，顯然存在不平衡。

圖9 垂直方向測試圖Fig.9 Vertical test chart

4 結束語

綜上所述，基于ARM9 3C2440為硬件平臺的機電設備監(jiān)測終端實現(xiàn)了機電設備運行狀態(tài)監(jiān)測、電參數(shù)采集與處理、機電設備運行參數(shù)存儲以及終端實時顯示等功能?？蓪C電設備的相關狀況進行實時掌握，確保機電設備的正常、安全運行。使機電設備整個系統(tǒng)智能化、實時性顯著增加。

[1]賈永軍.煤礦機電設備維修方式研究[J].今日科苑，2010（8）：110.

JIA Yong-jun.Coal mine electrical and mechanical equipment repair mode research[J].Today’s Real，2010（8）：110.

[2]張安華.機電設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術 [M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2000.

[3]崔彥平，傅其風，葛杏衛(wèi)，等.機械設備故障診斷發(fā)展歷程及展望[J].河北工業(yè)科技，2004，21（4）：59-62.

CUI Yan-pin，F(xiàn)U Qi-feng，GE Xing-wei，et al.The fault diagnosis of mechanical equipment the development course and Prospect[J].Hebei Industrial Science and Technology，2004，21（4）：59-62.

[4]蔡進.大型設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術一現(xiàn)狀與發(fā)展[J].動態(tài)分析與測試技術，1996（3）：26-31.

CAI Jin.Large equipment state monitoring and fault diagnosis technology-status and development[J].Dynamic Analysis and Testing Technology，1996（3）：26-31.

[5]吳允平.51單片機系統(tǒng)的擴展多串口設計及應用[J].福建師范大學學報，2006，22（2）：29-33.

WU Yun-ping.51 MCU serial expansion design and application[J].Journal of Fujian Normal University，2006，22（2）：29-33.

[6]徐樂年，王雷，員玉良，等.智能型RS485總線接口設計[J].工礦自動化，2007（3）：99-100.

XU Le-nian，WANG Lei，YUAN Yu-liang，et al.Intelligent design of RS485 bus interface[J].Industrial Automation，2007（3）：99-100.