煤礦井下電機(jī)健康診斷無(wú)線(xiàn)振動(dòng)邊緣處理裝置的設(shè)計(jì)

蘭西柱　王成玉　曲凌鋒　黃康　張?chǎng)斡?/p>

摘? 要：煤礦井下對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)有很高要求，現(xiàn)有用于電機(jī)檢測(cè)的主要是有線(xiàn)在線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備，面對(duì)海量數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)重，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蠛芨?此外，煤礦井下環(huán)境惡劣，鋪設(shè)有線(xiàn)通信線(xiàn)路難度大。為此，文章對(duì)無(wú)線(xiàn)振動(dòng)邊緣處理裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用雙核主控芯片LPC55S69，可實(shí)現(xiàn)小波變換和無(wú)線(xiàn)通信的協(xié)同運(yùn)行，數(shù)據(jù)在該裝置中得以處理篩選后（降低了對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅?，以無(wú)線(xiàn)方式經(jīng)網(wǎng)關(guān)上傳至上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行健康狀態(tài)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：電機(jī);LPC55S69;邊緣處理;健康診斷;小波變換

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）17-0055-04

Abstract： There are high requirements for motor running state detection in underground coal mines. The existing equipment for motor detection is mainly wired online detection equipment. Facing the heavy burden of massive data processing， it has high requirements for data transmission; in addition， the underground coal mine environment is bad， and it is difficult to lay wired communication lines. Therefore， the wireless vibration edge processing device is designed in this paper. The dual core main control chip LPC55S69 is used to realize the cooperative operation of wavelet transform and wireless communication. After the data is processed and screened in the device （reducing the requirements for data transmission）， it is uploaded to the upper computer wirelessly pass through the gateway for monitoring and alarm， so as to realize the detection of motor operation health status.

Keywords： electric motor; LPC55S69; edge processing; health diagnosis; wavelet transform

0? 引? 言

煤礦井下電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否健康，直接關(guān)系到井下大型機(jī)械的安全性和可靠性。煤礦井下環(huán)境惡劣，電機(jī)長(zhǎng)期在復(fù)雜的環(huán)境下工作，不斷受到煤渣的影響抑或磨損軸承，會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心嚴(yán)重使定子和轉(zhuǎn)子相互摩擦，使電機(jī)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)并發(fā)出不均勻的摩擦聲，并且使電機(jī)機(jī)殼溫度迅速升高，進(jìn)而造成傳動(dòng)裝置工作面坍塌等嚴(yán)重問(wèn)題。通過(guò)觀察電機(jī)的振動(dòng)烈度來(lái)確定電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)有的診斷方法通常是使用有線(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置或者是采用人工定期檢測(cè)的方式，有大量的數(shù)據(jù)不斷地上傳到上位機(jī)進(jìn)行處理，但是煤礦井下電路復(fù)雜、環(huán)境惡劣，鋪設(shè)有線(xiàn)通信線(xiàn)路成本高、難度大，同時(shí)數(shù)據(jù)全部在上位機(jī)進(jìn)行分析處理，使上位機(jī)診斷處理數(shù)據(jù)有很大的負(fù)擔(dān)，存在嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和診斷不及時(shí)的問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，邊緣計(jì)算正逐漸成為工業(yè)控制領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，其為及時(shí)可靠地進(jìn)行電機(jī)健康診斷提供了新的技術(shù)手段。邊緣處理裝置采用Cortex- M33內(nèi)核芯片作為主控芯片，MEMS加速度計(jì)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后在MCU主核中進(jìn)行小波變換，基于邊緣計(jì)算的思想，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以初步判斷電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)，可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FRAM中，通過(guò)433M無(wú)線(xiàn)射頻模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)振動(dòng)和溫度的檢測(cè)，確保煤礦井下電機(jī)的安全運(yùn)行。

1? 邊緣處理裝置總體設(shè)計(jì)

圖1為裝置總體設(shè)計(jì)框圖。檢測(cè)裝置的總體框架為：傳感器采集模塊采用ADI公司的MEMS加速度計(jì)ADXL1002，采集的模擬信號(hào)以0～5 V電壓的方式發(fā)送給信號(hào)調(diào)理模塊，信號(hào)調(diào)理模塊中的RC濾波電路對(duì)20 Khz的信號(hào)進(jìn)行濾波，經(jīng)過(guò)調(diào)理后的信號(hào)被送入AD轉(zhuǎn)換器AD7768-1中，主控芯片LPC55S69通過(guò)SPI總線(xiàn)接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。MCU的雙核同時(shí)從總線(xiàn)中讀取數(shù)據(jù)，CORE0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解，系統(tǒng)對(duì)分解后的小波系數(shù)與預(yù)存儲(chǔ)閾值進(jìn)行比較，判斷電機(jī)是否存在運(yùn)行不正常狀況;同時(shí)，CORE1從SPI中讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線(xiàn)寫(xiě)入FRAM中進(jìn)行預(yù)存，CORE0判斷數(shù)據(jù)是否異常，CORE1從FRAM中讀取數(shù)據(jù)并通過(guò)SPI總線(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到以射頻芯片CMT2300A為核心的E49-400M20S模塊中，再將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送到上一級(jí)網(wǎng)關(guān)。

2? 邊緣處理裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1? 主控制器

硬件設(shè)計(jì)以LPC55S69JBD100作為控制芯片，內(nèi)置320 KB的SRAM和640 KB的Flash，雙核工作主頻均可達(dá)到150 Mhz，具有全速USB接口，可以用于向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù);配備具有FFT引擎以及具有DSP功能的PowerQuad硬件加速協(xié)處理器，可以提高主核的數(shù)字信號(hào)處理速度;具有8個(gè)可以靈活配置的串行接口，可以配置為SPI、IIC和UART來(lái)進(jìn)行芯片間的串行通信。

LPC55S69作為主控芯片，最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘晶振電路、上電復(fù)位電路、ISP電路以及調(diào)試接口電路。時(shí)鐘晶振電路由16 Mhz晶振以及32.768 Khz的晶振電路組成，分別為MCU提供系統(tǒng)時(shí)鐘和實(shí)時(shí)RTC;采用上電復(fù)位的方式在系統(tǒng)重新上電時(shí)先進(jìn)行復(fù)位;ISP電路用來(lái)下載程序，通過(guò)連接外接的串口，將ISP跳線(xiàn)連接后重新上電進(jìn)入ISP模式進(jìn)行程序下載;調(diào)試接口選用SWD調(diào)試的方式，通過(guò)外接端子與CMSIS-DAP調(diào)試器LPC-LINK2進(jìn)行連接對(duì)MCU進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)試。

2.2? 無(wú)線(xiàn)通信模塊

圖2為無(wú)線(xiàn)模塊引腳連接圖。選用CMT2300A無(wú)線(xiàn)射頻模塊芯片，通過(guò)SPI進(jìn)行通信，借助兩根片選線(xiàn)實(shí)現(xiàn)寄存器與FIFO的配置切換，一根時(shí)鐘線(xiàn)用于接收MCU產(chǎn)生的時(shí)鐘，一個(gè)數(shù)據(jù)線(xiàn)用于數(shù)據(jù)的輸入輸出，再將兩個(gè)IO口與MCU進(jìn)行連接，通過(guò)是否產(chǎn)生MCU外部中斷來(lái)判斷無(wú)線(xiàn)接收和發(fā)送是否完成。利用抗干擾能力強(qiáng)、速度較快的Sub-Ghz無(wú)線(xiàn)射頻通信技術(shù)，保證了在煤礦井下惡劣環(huán)境中一個(gè)工作面內(nèi)多個(gè)檢測(cè)裝置與網(wǎng)關(guān)之間的可靠數(shù)據(jù)通信。

2.3? 數(shù)據(jù)采集模塊

MEMS加速度計(jì)選用ADXL1002，具有高分辨率和低噪聲的特點(diǎn)，采集到振動(dòng)信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換成0.5～4.5 V的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)通頻帶范圍介于10 hz～20 Khz之間的二階無(wú)源RC濾波電路后，將模擬信號(hào)輸入到24位積分型ADC中，ADC外接5 V基準(zhǔn)電源，實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換后通過(guò)SPI串行通信輸入到MCU中;數(shù)字溫度傳感器采集溫度輸入數(shù)字量，經(jīng)過(guò)I2C輸入到MCU中，數(shù)據(jù)采集模塊框圖如圖3所示。

2.4? 電源模塊

裝置中各芯片模塊采用的供電電壓分為3.3 V和5 V兩種，裝置采用無(wú)線(xiàn)方式，應(yīng)用于煤礦井下環(huán)境下，選用7.2 V防爆鋰電池對(duì)裝置進(jìn)行供電。采用電池供電，在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)各芯片模塊功耗進(jìn)行充分的考慮。電源模塊采用兩級(jí)降壓的方式，分別為7.2 V轉(zhuǎn)5 V以及5 V轉(zhuǎn)3.3 V。第一級(jí)降壓選用LP38692MP-5.0/NOPB線(xiàn)性穩(wěn)壓器作為7.2 V轉(zhuǎn)5 V的芯片，轉(zhuǎn)換輸出5 V為采集模塊中的AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字溫度傳感器和MEMS加速度計(jì)提供供電電壓，同時(shí)也為二級(jí)降壓芯片提供輸入電壓。第二級(jí)降壓選用TLV1117LV33DCYR線(xiàn)性穩(wěn)壓器，輸入電壓為5 V，輸出電壓為3.3 V，靜態(tài)電流低，輸出電流為800 mA，可以滿(mǎn)足裝置中3.3 V供電模塊的要求，LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器為主控芯片LPC55S69最小系統(tǒng)部分、存儲(chǔ)模塊、433M射頻無(wú)線(xiàn)通信模塊和調(diào)試串口模塊供電。同時(shí)，7.2 V輸入電壓要為輸出5 V的LDO芯片LP38692供電，因?yàn)檠b置用于振動(dòng)采集的基準(zhǔn)電壓源采用5 V的ADR4550BRZ，基準(zhǔn)電壓源的輸入電壓必須大于輸出電壓，基準(zhǔn)電壓源的輸入電壓須大于5.25 V，所以選用7.2 V電池輸出為基準(zhǔn)電壓源供電。

3? 邊緣處理裝置軟件設(shè)計(jì)

常用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為KEIL或IAR，為了實(shí)現(xiàn)在裝置軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中可以同時(shí)對(duì)芯片的兩個(gè)核進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)試，選擇NXP官方的MCUxpresso IDE 11.3.1集成開(kāi)發(fā)環(huán)境用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3.1? 主程序軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化階段，將各個(gè)模塊按照需求進(jìn)行初始化，完成初始化后通過(guò)CORE0將CORE1啟動(dòng)，CORE1以20 Khz的速度采集振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線(xiàn)進(jìn)行傳輸，CORE0和CORE1同時(shí)從SPI總線(xiàn)上讀振動(dòng)數(shù)據(jù)。CORE0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，同時(shí)CORE1將數(shù)據(jù)存入FRAM，并通過(guò)數(shù)字溫度傳感器采集一組溫度數(shù)據(jù)存入FRAM中。CORE0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析后將小波系數(shù)與預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值進(jìn)行對(duì)比，超過(guò)設(shè)定值時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志位置1，通過(guò)MailBox通信機(jī)制將發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志位發(fā)送給CORE1，CORE1存儲(chǔ)完數(shù)據(jù)后進(jìn)入等待標(biāo)志位。如果接收到的標(biāo)志位為0，則結(jié)束本次數(shù)據(jù)采集，并在固定延時(shí)后，進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)采集;如果接收到的標(biāo)志位為1，將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送，發(fā)送完成后無(wú)線(xiàn)模塊觸發(fā)IO中斷，發(fā)送完成，并根據(jù)處理結(jié)果將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送給上層網(wǎng)關(guān)。CORE1判定無(wú)線(xiàn)模塊通過(guò)IO口返回的中斷標(biāo)志，無(wú)線(xiàn)模塊硬件判斷發(fā)送數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，發(fā)送完成后觸發(fā)主控制器IO中斷表示發(fā)送數(shù)據(jù)完成，CORE1接收到中斷后，根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果確定采樣周期后重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

3.2? 無(wú)線(xiàn)軟件設(shè)計(jì)

裝置啟動(dòng)時(shí)無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)入IDLE模式，完成初始化參數(shù)配置后，在沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)入SLEEP模式;有數(shù)據(jù)等待發(fā)送時(shí)，無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)入IDLE模式，完成FIFO配置后，直接切換進(jìn)入TX模式，芯片開(kāi)始發(fā)送prefix，等待數(shù)據(jù)開(kāi)始填入FIFO，芯片停止發(fā)送prefix，以數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO的速率和設(shè)定好的數(shù)據(jù)包字節(jié)大小發(fā)射數(shù)據(jù)，發(fā)射結(jié)束后，無(wú)線(xiàn)模塊產(chǎn)生發(fā)送完成中斷，GPIO2引腳產(chǎn)生上升沿，觸發(fā)MCU外部中斷，結(jié)束發(fā)送，無(wú)線(xiàn)模塊切換至SLEEP模式。無(wú)線(xiàn)發(fā)送流程圖如圖5所示。

3.3? 邊緣計(jì)算

振動(dòng)數(shù)據(jù)被采集到MCU中后，經(jīng)過(guò)小波變換后，獲得不同頻率分層的小波系數(shù)，將小波系數(shù)與正常振動(dòng)下的系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)與小波系數(shù)比對(duì)結(jié)果，對(duì)采樣間隔進(jìn)行設(shè)置。正常情況下，采樣間隔保持在5 min。當(dāng)檢測(cè)到的小波系數(shù)接近正常振動(dòng)下的臨界值時(shí)，將其作為第二個(gè)閾值，超過(guò)這個(gè)范圍，采樣間隔縮小到1 min;如果振動(dòng)持續(xù)增大，超過(guò)安全閾值，采樣間隔縮小到10 s。

小波變換實(shí)現(xiàn)在邊緣層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)判（判斷處理后的數(shù)據(jù)），大大縮減了傳輸數(shù)據(jù)量，提高了數(shù)據(jù)有效性和傳輸效率，在降低功耗的同時(shí)減輕了云端運(yùn)算的負(fù)載。使用DB3小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，提取出振動(dòng)信號(hào)的細(xì)節(jié)系數(shù)[c1-cn]和尺度系數(shù)[l1-ln]，對(duì)細(xì)節(jié)系數(shù)求標(biāo)準(zhǔn)差σ，通過(guò)對(duì)比細(xì)節(jié)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)判斷是否超過(guò)閾值。

根據(jù)式? 求出振動(dòng)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差，將之與在電機(jī)正常運(yùn)行狀況下獲取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行DB3小波分解后得到的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)進(jìn)行比對(duì)，以確定電機(jī)是否出現(xiàn)異常以及故障的嚴(yán)重程度。

4? 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

PCB布線(xiàn)時(shí)，信號(hào)線(xiàn)線(xiàn)寬選擇10 mil，由于電機(jī)振動(dòng)檢測(cè)對(duì)安置在電極上的檢測(cè)裝置重量有一定要求，不能達(dá)到電機(jī)重量的1/50，其對(duì)邊緣處理裝置的電路板也有要求，PCB設(shè)計(jì)時(shí)安全間距選擇10 mil，在振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傳輸時(shí)將走線(xiàn)間距設(shè)置為20 mil，從而滿(mǎn)足3 W的原則，降低信號(hào)線(xiàn)間的串?dāng)_，保證模擬輸入信號(hào)的精確度。電源線(xiàn)線(xiàn)寬設(shè)置為30～50 mil，避免出現(xiàn)大電路導(dǎo)致燒壞電路。電路板的地通過(guò)背面敷銅的方式連接，將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)，通過(guò)一個(gè)0歐姆的電阻連接。

完成PCB設(shè)計(jì)后，對(duì)PCB進(jìn)行焊接，需要分模塊焊接，按照電源模塊、主控模塊、串口模塊、存儲(chǔ)模塊、采集模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊的順序進(jìn)行焊接。焊接每個(gè)模塊時(shí)，都需要通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量輸入電壓是否正常，是否存在對(duì)地短路以及是否存在引腳虛焊的情況，防止由于操作不當(dāng)而導(dǎo)致芯片燒毀。硬件焊接測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題后，通過(guò)軟件對(duì)芯片進(jìn)行功能性測(cè)試，保證芯片功能沒(méi)有異常。各個(gè)模塊均完成焊接和測(cè)試工作后，對(duì)裝置的總體功能進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

裝置接入電位器模擬振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)小波變換和閾值判斷后，如果超出閾值，以無(wú)線(xiàn)方式將原始信號(hào)發(fā)送至連接上位機(jī)的無(wú)線(xiàn)測(cè)試模塊，上位機(jī)將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。邊緣處理裝置樣機(jī)如圖6所示。

5? 結(jié)? 論

本文研究了一種應(yīng)用于煤礦井下的電機(jī)健康診斷無(wú)線(xiàn)振動(dòng)溫度邊緣傳感器，所設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的邊緣傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)在電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行情況下對(duì)電機(jī)的健康狀況進(jìn)行及時(shí)的反饋，利用主控芯片LPC55S69對(duì)外部AD轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行小波變換處理，與FRAM中存儲(chǔ)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，出現(xiàn)異常后將原始數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送出去，基于邊緣計(jì)算的思想，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前期預(yù)處理，大大減少了傳輸數(shù)據(jù)量，滿(mǎn)足傳感器設(shè)計(jì)要求，對(duì)提高煤礦井下電機(jī)運(yùn)行安全具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：蘭西柱（1966—），男，漢族，安徽亳州人，副教授，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)監(jiān)控與通信、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用;王成玉（1997—），男，漢族，山東日照人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì);曲凌鋒（1997—），男，漢族，遼寧撫順人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì);黃康（1994—），男，漢族，四川內(nèi)江人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì);張?chǎng)斡睿?997—），男，漢族，山西大同人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。