基于WIFI實時傳輸?shù)男D機械振動測試節(jié)點設計

史文武，崔建峰，賀紹琪，申 飛，杜紅棉

(中北大學 電氣與控制工程學院，太原 030051)

隨著科學技術與現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展，旋轉機械在大型設備中占有越來越重要的地位[1],其健康程度將會對整個系統(tǒng)的工作性能產(chǎn)生極大的影響,甚至會關系到生產(chǎn)過程中的安全性[2]。實時監(jiān)測旋轉機械設備的運行狀況,分析其運行過程中的振動信號,根據(jù)振動信號某些特征變化來判定機械健康[3]狀況,對于提高生產(chǎn)效率和減少重大安全事故具有積極的意義[4]。

文獻[5-7]中振動信號通過RS485、RS232和CAN總線傳輸存在布線繁瑣、維護性差[8]等問題。文獻[9]中使用藍牙傳輸方案存在設計復雜、通信距離近等問題。文獻[10]中使用Zigbee傳輸存在通信速率低、大批量數(shù)據(jù)無法實時傳輸、數(shù)據(jù)傳輸需經(jīng)基站轉換等問題。此外，旋轉機械振動測試節(jié)點離線監(jiān)測時，存在節(jié)點處理器內(nèi)存無法滿足大量數(shù)據(jù)存儲需求問題[11]。旋轉機械的測試環(huán)境存在空間狹小、潮濕、高溫等問題[12-13]。

針對上述問題，本研究設計了一種基于WiFi實時傳輸?shù)恼駝咏K端測試節(jié)點。該測試節(jié)點將WiFi傳輸技術與存儲測試方法相結合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時傳輸和歷史回放功能。其中存儲測試作為一種現(xiàn)場實時完成信息快速采集與記憶，事后回收數(shù)據(jù)的動態(tài)測試方法[14]，具有抗高溫、抗潮濕和抗干擾[15-16]等優(yōu)點，可以滿足旋轉機械不同測試環(huán)境應用需求。此外，還對測試節(jié)點設計了低功耗策略，有效降低了節(jié)點功耗。

1 節(jié)點總體設計方案

本文所設計的無線終端測試節(jié)點，以微型化、低功耗和高效率為基準，總體架構框圖如圖1。該節(jié)點主要由MEMS數(shù)字三軸加速度傳感器、集成有無線射頻系統(tǒng)的微處理器芯片和大容量并行輸出的閃存芯片組成。MEMS數(shù)字三軸加速度傳感器不需要復雜的信號調(diào)理電路，并且自帶模數(shù)轉換等功能，具有體積小、質(zhì)量輕的特點，能夠有效減少節(jié)點體積與功耗。集成有無線射頻系統(tǒng)的微處理器芯片，可以在作為節(jié)點處理核心的同時兼有無線通訊功能，這樣的設計可以進一步降低功耗、減小節(jié)點體積。大容量的并行閃存芯片具有可靠性高、體積小、低功耗的特點，其較高的傳輸速率能夠提高測試節(jié)點整體工作效率。

圖1 無線終端測試節(jié)點架構框圖

2 系統(tǒng)模塊設計

2.1 主控無線模塊設計

無線終端測試節(jié)點主控芯片選取集成高性能ARM Cortex-M4內(nèi)核(MCU)、WiFi網(wǎng)絡子系統(tǒng)(WNP)的CC3200R1M2微控制器，有效地減輕了微處理器的工作負擔。其中WNP支持TCP/IP協(xié)議棧、Socket編程接口，在此基礎上可根據(jù)需求進行二次開發(fā)。電源管理模式包括休眠、深度睡眠和活躍3種，其合理轉換可保證系統(tǒng)低功耗工作。此外，該芯片具有豐富GPIO引腳、片上和外設資源，在本設計中，主要使用SPI(傳輸速率可達20 MHz)、定時中斷和TCP Sockets等功能。并且考慮到旋轉機械不同測試環(huán)境的需求，進行了雙天線設計，留出了SPI接口、4路12位的ADC接口。主控外圍部分電路如圖2。

圖2 主控外圍部分電路

2.2 傳感器模塊設計

傳感器模塊選用MEMS三軸加速度數(shù)字傳感器ADXL345。該傳感器單軸最高采樣率3 200 Hz，帶寬最大1 600 Hz，13位分辨率，測量范圍±16 g。自帶SPI(最高傳輸速率支持5 MHz)、I2C外設總線。本設計中，為提升數(shù)據(jù)傳輸速率，使用SPI總線與主控芯片進行通訊。并且可根據(jù)測試需求，更換其他支持SPI總線的MEMS加速度傳感器。此外，用戶可以在測試三軸振動信號的同時，選擇一路ADC接口，進行轉速跟蹤測試，進而避免由于多節(jié)點WIFI傳輸?shù)难訒r因素造成階次跟蹤精度的降低。該設計方式具有一定的靈活性。

2.3 存儲模塊設計

存儲模塊選用Winbond公司的W29N02GV芯片，屬于NAND型閃存芯片。該芯片內(nèi)存大小為256 MBytes，數(shù)據(jù)以并行方式傳輸，相對于串行傳輸，速率提升。由于NAND型閃存儲器具有相同的接口規(guī)范，故可根據(jù)測試需求，選取存儲容量更大的NAND型閃存芯片。

3 實時傳輸及低功耗設計

3.1 實時傳輸策略

為保證無線實時傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，本研究選用基于TCP協(xié)議的Socket網(wǎng)絡通信技術，通過WiFi作為傳輸媒體構建無線通訊鏈路。其鏈路構建與數(shù)據(jù)通訊過程如圖3所示。

圖3 無線鏈路構建與數(shù)據(jù)通訊過程示意圖

其中，SYN、ACK和FIN為TCP協(xié)議報文中的標志位，分別代表同步連接建立請求、應答回復和連接斷開請求；Seq、Ack為序列號和確認號，分別代表Client(Server)發(fā)送到Server(Client)報文中的身份標識符字段和應答標識符字段；Data為報文中數(shù)據(jù)存放字段，用于填充采集的數(shù)據(jù)，本文定義每次傳輸填充數(shù)據(jù)量為 1 024字節(jié)；A、B、X和Y表示協(xié)議自動生成的隨機數(shù)，并填充到報文中Seq、Ack字段。

無線通信過程主要包括3部分，通信鏈路建立、數(shù)據(jù)實時傳輸和通信鏈路關閉。對于通信鏈路建立需經(jīng)過3次握手操作。數(shù)據(jù)實時傳輸中，每傳輸一包數(shù)據(jù)包括一次應答和一次確認操作，Server負責應答、Client負責確認。通信鏈路關閉需經(jīng)過4次揮手操作。為避免采集數(shù)據(jù)周期與處理數(shù)據(jù)周期不一致造成的數(shù)據(jù)丟失等問題，本文數(shù)據(jù)實時傳輸設計選用“生產(chǎn)者-消費者”架構模式。其中Client在不斷地進行數(shù)據(jù)采集代表“生產(chǎn)者”，Server在不斷地進行數(shù)據(jù)處理代表“消費者”。該模式具有降低Client與Server之間數(shù)據(jù)傳輸強耦合、提高Client傳輸效率等的優(yōu)點。Client與Server實時傳輸狀態(tài)轉換如圖4所示。

圖4 實時傳輸狀態(tài)轉換示意圖

3.2 低功耗設計

旋轉機械測試環(huán)境復雜，某些特殊應用場合，無線終端測試節(jié)點供電相對困難。而電池電量有限，因此降低節(jié)點能量消耗速度對提高節(jié)點的工作時間至關重要。

本文在設計低功耗硬件架構的同時，主要采用動態(tài)能量管理技術[17]來降低節(jié)點的功耗。在保證節(jié)點工作性能可靠的前提下，主要以減少CMOS器件的工作頻率為原則，合理規(guī)劃程序中各模塊執(zhí)行順序和時間，進而降低節(jié)點的整體功耗。工作狀態(tài)轉換如圖5所示。其中，LPDS表示低功耗深度睡眠模式，MCU和WNP有各自的LPDS模式，在該模式下MCU和WNP配置被保存,可通過網(wǎng)絡指令、定時器中斷等機制喚醒。

圖5 節(jié)點工作狀態(tài)轉換示意圖

4 節(jié)點固件設計

無線終端測試節(jié)點通過WiFi將測試數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)管理服務器。節(jié)點上電后，初始化CC3200中MCU和WiFi網(wǎng)絡子系統(tǒng)，將Simplelink配置為網(wǎng)絡站點(STA)工作模式。并且通過程序中設定的WiFi接入點名稱、接入密碼、IP地址、網(wǎng)關等參數(shù)來連接WiFi接入點(AP)。接入本地局域網(wǎng)成功后，進行Socket創(chuàng)建、數(shù)據(jù)傳輸、Socket斷開等操作。主程序流程框圖如圖6。其中Buffer_1、Buffer_2表示內(nèi)存中創(chuàng)建的兩個緩沖空間。

圖6 主程序流程框圖

5 實時傳輸功能驗證

設計的無線終端測試節(jié)點實物如圖7。

本文主要從數(shù)據(jù)傳輸過程中是否存在丟包和誤碼，進行驗證WiFi實時傳輸?shù)目煽啃浴?shù)據(jù)編幀協(xié)議信息定義如表1所示。

將ADXL345加速度傳感器采樣率設置為3 200 Hz,分辨率設置為13位。首先，CC3200使用兩個定時器定時，第一個定時器定時采集時間，本次采集時間設置為30 s。第二個定時器定時采樣間隔時間，本次采樣率選取3 200 Hz，故采樣時間設置313 μs，每次采樣讀出ADXL345加速度傳感器中X軸、Y軸和Z軸數(shù)據(jù)。在節(jié)點工作期間，采集數(shù)據(jù)要進行存儲、向網(wǎng)絡調(diào)試助手界面實時傳輸。然后，等待采集結束，使用串口將W29N02GV中存儲數(shù)據(jù)讀出到串口調(diào)試助手界面，對比數(shù)據(jù)實時傳輸過程中是否存在丟包。并且使用UltraCompare軟件對比數(shù)據(jù)是否存在誤碼。網(wǎng)絡調(diào)試助手和串口接收數(shù)據(jù)如圖8所示。誤碼率實驗結果如圖9所示。對比結果表明：WiFi實時傳輸中數(shù)據(jù)完全正確，且無數(shù)據(jù)丟包、誤碼現(xiàn)象。無線終端測試節(jié)點實時傳輸設計具有可靠性。

圖7 無線終端測試節(jié)點

表1 編幀協(xié)議信息

信息名稱幀頭(AA)X軸數(shù)據(jù)Y軸數(shù)據(jù)Z軸數(shù)據(jù)幀尾(BB)字節(jié)長度12221

圖8 網(wǎng)絡調(diào)試助手和串口接收數(shù)據(jù)

圖9 誤碼率實驗結果

6 結論

將WiFi傳輸技術與存儲測試相結合，設計了一種采集旋轉機械振動信號的無線終端測試節(jié)點。對該節(jié)點整體架構進行了微型化設計，在體積減小的同時降低了功耗。根據(jù)旋轉機械測試環(huán)境不同需求，成功移植了TCP/IP協(xié)議棧，對其應用層、傳輸層進行修改，添加并優(yōu)化了與硬件相匹配的驅動程序，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時傳輸和存儲功能。通過雙緩沖策略和中斷資源的合理規(guī)劃使用，實現(xiàn)了在存儲和實時傳輸數(shù)據(jù)時，采樣點不丟失的功能。并且利用動態(tài)能量管理技術、WiFi休眠機制進行了低功耗設計，延長了節(jié)點工作時間。通過多次實驗證明，該節(jié)點能夠保證數(shù)據(jù)實時傳輸過程中可靠性，其通用性、靈活性的設計具有應用價值與參考價值。后續(xù)可通過軟件算法進一步降低節(jié)點功耗。