一種振動(dòng)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

李劍平，羅文廣，陳文輝，楊芝平，楊紹傳

(廣西工學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州545006)

目前，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大部分加工設(shè)備都是由電機(jī)拖動(dòng)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備組成，加工設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)連接，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在電機(jī)拖動(dòng)下旋轉(zhuǎn)工作;如果傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)軸向安裝不平衡，投入使用后，電機(jī)拖動(dòng)加工設(shè)備工作，會(huì)導(dǎo)致加工設(shè)備在電機(jī)軸的水平方向和垂直方向產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)幅度與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在電機(jī)軸向安裝的不平衡程度直接相關(guān)，如果振動(dòng)幅度過(guò)大，將對(duì)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)人員的安全構(gòu)成直接威脅。因此電機(jī)拖動(dòng)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備在安裝調(diào)試過(guò)程中和正式投入運(yùn)行之前，需要測(cè)量傳動(dòng)結(jié)構(gòu)水平和垂直方向的振動(dòng)參數(shù)［1］，并根據(jù)振動(dòng)情況調(diào)整傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的電機(jī)軸向的安裝位置，使傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在電機(jī)軸向盡量保持平衡，確保傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度在安全區(qū)域內(nèi)。此外，由于加工設(shè)備的安裝環(huán)境較復(fù)雜，振動(dòng)測(cè)量?jī)x器難以在安裝位置直接觀測(cè)，需通過(guò)較遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備，將采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)傳至手持設(shè)備或計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

振動(dòng)測(cè)量?jī)x的工作原理如圖1所示，由傳感器、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分和上位機(jī)部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分包括微控制器、調(diào)理電路、藍(lán)牙模塊、顯示器和報(bào)警模塊等組成，具備振動(dòng)參數(shù)上限設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、越限聲光報(bào)警等功能。上位機(jī)部分的設(shè)計(jì)采用ARM7微控制器為核心，配備有液晶顯示器、鍵盤(pán)、報(bào)警等裝置，具有接收現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分的同步數(shù)據(jù)顯示和同步報(bào)警，還具有數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的保存和回放等功能。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)傳感器模塊

振動(dòng)測(cè)量?jī)x的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 振動(dòng)測(cè)量?jī)x的技術(shù)參數(shù)

電機(jī)拖動(dòng)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)主要是低頻振動(dòng)，因此選振動(dòng)頻率在0～2 000 Hz范圍內(nèi)的YD－30加速度傳感器即可滿(mǎn)足要求。該傳感器為內(nèi)置集成壓電式IEPE型傳感器，高靈敏度、低輸出阻抗、抗干擾能力強(qiáng)，適合遠(yuǎn)距離傳輸。供電與信號(hào)輸出共用電纜線(xiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分微處理器選擇采用芯片LM3S8962，該芯片基于32位的Cortex－M3核心架構(gòu)，工作頻率可達(dá)50 MHz以上，具有豐富的中斷資源和片內(nèi)硬件資源，內(nèi)部帶有10位ADC。

2.2 前置調(diào)理電路

典型IEPE傳感器需要2～20 mA恒流源供電。由于YD－30傳感器內(nèi)部未加放大和濾波電路，所以輸出電壓較低，頻帶一定，而且LM3S8962AD［2］模塊的內(nèi)部參考電壓為0～3 V，所以需要加前置調(diào)理電路將信號(hào)濾波、放大，轉(zhuǎn)換為0～3 V后才能送至LM3S8962的模擬輸入通道ADC0。采用AD694產(chǎn)生恒流源，RC構(gòu)成濾波電路，參數(shù)為RC=1/(2πf)，其中f=2 000 Hz;并用OP37構(gòu)成放大電路。前置電路如圖2所示［3］。

圖2 傳感器及調(diào)理電路

顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)，為滿(mǎn)足對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)的顯示要求，顯示模塊選用內(nèi)部帶漢字字庫(kù)的點(diǎn)陣式LCD12684，可以通過(guò)串口方式與微處理器LM3S8962連接。

為滿(mǎn)足復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下對(duì)電機(jī)拖動(dòng)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)測(cè)量，振動(dòng)測(cè)量?jī)x引入了藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙模塊選用工業(yè)較遠(yuǎn)距離藍(lán)牙模塊BT－1800，通信距離可達(dá)1 000 m以上。可將微處理器的串口信號(hào)轉(zhuǎn)換成藍(lán)牙信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信［4－5］。

藍(lán)牙模塊BT－1800串行接口與LM3S8962的串行口UART0連接，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)SW設(shè)置BT－1800的PIO5－IO2輸出電平為“0100”，將串口通信的波特率設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)串口波特率115.2 kbit·s－1。

3 上位機(jī)部分設(shè)計(jì)

上位機(jī)部分具有接收現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)部分同步數(shù)據(jù)、曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示與越限報(bào)警功能，還具有數(shù)據(jù)保存和回放等功能。

上位機(jī)部分控制芯片采用LPC2478，其內(nèi)部集成LCD控制器;液晶顯示器采用LMT057DCDFWU－NBN型號(hào)TFT顯示屏，其內(nèi)部有TFT控制器，觸摸可選，與控制芯片串行連接;藍(lán)牙模塊設(shè)置與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分的藍(lán)牙模塊匹配。

報(bào)警裝置采用電磁式有源蜂鳴器12095V5，無(wú)電磁及射頻的干擾，內(nèi)部帶驅(qū)動(dòng)電路，接控制芯片I/O口。

4 軟件設(shè)計(jì)

為提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、抗干擾等，然后輸出顯示、判斷報(bào)警、向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。采用遞推平均值法提高系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。測(cè)量程序的主要功能是將振動(dòng)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，線(xiàn)性化處理后用LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并判斷是否越限報(bào)警以及通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)部分。測(cè)量部分流程圖如圖3所示。

圖3 測(cè)量部分流程圖

在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，首先在內(nèi)核處理器中移植圖形用戶(hù)界面軟件μC/GUI搭建嵌入式圖形設(shè)計(jì)平臺(tái)［6－7］，方便在程序編譯過(guò)程中調(diào)用μC/GUI開(kāi)放源碼對(duì)實(shí)時(shí)曲線(xiàn)進(jìn)行繪制。在移植過(guò)程中根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)LCDConf.h、GUIConf.h等μC/GUI函數(shù)庫(kù)進(jìn)行修改，定義數(shù)據(jù)類(lèi)型，至此完成顯示部分的移植。

系統(tǒng)上電，進(jìn)行初始化，本地藍(lán)牙通過(guò)搜索附近藍(lán)牙設(shè)備，并與指定現(xiàn)場(chǎng)部分藍(lán)牙模塊建立連接，讀取到藍(lán)牙串口的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性化處理，判斷是否越限報(bào)警，記錄報(bào)警歷史;μC/GUI通過(guò)調(diào)用pixelDraw()畫(huà)點(diǎn)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的繪制并送至顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)顯示，最后將數(shù)據(jù)曲線(xiàn)進(jìn)行保存。上位機(jī)控制流程圖如圖4所示。

圖4 上位機(jī)控制流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以微控制器LM3S8962為核心設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)測(cè)量?jī)x，其通過(guò)應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)振動(dòng)測(cè)量?jī)x的有線(xiàn)連接與上位機(jī)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)采集過(guò)程采用遞推平均值法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高了系統(tǒng)測(cè)量精度;上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的實(shí)時(shí)顯示、保存、回放，并且具備良好的人性化人機(jī)界面設(shè)計(jì)。該振動(dòng)測(cè)量?jī)x具有電路簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，在生產(chǎn)條件復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下具有良好的應(yīng)用前景。

［1］ 賀淵明，葛召炎，資道周.基于微變電容式傳感器的角度一振動(dòng)測(cè)量方法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(5):97－98.

［2］Texas Instruments，Inc.Stellaris LM3S8962 microcontroller data sheet［M］.Texas USA:Texas Instruments，Inc，2012.

［3］ 徐軍，趙敏，雷紅路，等.一種基于ARM的航空發(fā)電機(jī)振動(dòng)測(cè)量?jī)x的研究［J］.儀器儀表用戶(hù)，2007(1):35－36.

［4］ 朱麗莉，王朝墀.藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的應(yīng)用［J］.信息技術(shù)，2002(12):76－79.

［5］ 陳文輝，羅文廣，楊敘.基于藍(lán)牙技術(shù)的振動(dòng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010(11):120－123.

［6］ 李紅巖，侯嬡彬，王秀.基于S3C44BOX的UC/GUI的移植研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(2):132－134.

［7］ 蔡順祥.基于DSP的軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)［D］.鄭州:河南科技大學(xué)，2010.