基于FPGA和STM32的機械故障監(jiān)測系統(tǒng)

馬洋洋，陳 宏

(鄭州大學機械與動力工程學院，河南鄭州 450001)

0 引言

設(shè)備運行過程中傳遞出的各種物理量信號，如振動、溫度、轉(zhuǎn)速、油液成分等能夠反映出設(shè)備的運行狀態(tài)。通過對設(shè)備狀態(tài)信號的監(jiān)測，能夠判斷出設(shè)備是在正常運行還是處于故障狀態(tài)。針對不同類型的設(shè)備，需要監(jiān)測不同的物理量信號指標，機械設(shè)備包含著許多旋轉(zhuǎn)部件，如電機、齒輪、軸承等是易發(fā)生故障的部分，對于這些旋轉(zhuǎn)部件，分析設(shè)備的振動信號更為直接有效。對機械設(shè)備的故障監(jiān)測能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障，避免損失進一步擴大，因此設(shè)計一套機械設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)至關(guān)重要。

文獻[1]采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，需要與電腦有線連接，配合電腦軟件LabVIEW完成數(shù)據(jù)采集。在實際應(yīng)用中布線繁瑣，使用不方便；文獻[2]使用三軸加速度計采集設(shè)備的振動信號，并通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器。LoRa傳輸數(shù)據(jù)時需要組網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，使用不方便。文獻[3]以高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9481和高速數(shù)據(jù)緩存芯片IDT72V263為核心，設(shè)計了小型化的高速數(shù)據(jù)采集電路模塊，但該方案只能將采集數(shù)據(jù)儲存到緩存芯片，緩存芯片集成在電路板上，讀取數(shù)據(jù)還需要添加外部設(shè)備，使用不方便。針對以上采集設(shè)備存在的不足，本文設(shè)計了符合機械設(shè)備故障監(jiān)測需求的振動信號監(jiān)測系統(tǒng)。

1 整體方案設(shè)計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)整體基于FPGA+STM32架構(gòu)組成，F(xiàn)PGA具有內(nèi)部時延小、可并行處理數(shù)據(jù)以及可編程特性[4]，可以使采集系統(tǒng)處理高速信號，能夠滿足采樣時序控制需求[5]，STM32芯片控制能力強，兩者結(jié)合可以更好地處理采集數(shù)據(jù)。傳感器采用壓電型加速度傳感器，結(jié)合前端的模擬信號處理電路能夠?qū)鞲衅鞯哪M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后使用NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳到云端。如果網(wǎng)絡(luò)通信故障無法上傳數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)保存到本地SD卡中。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

該監(jiān)測系統(tǒng)可安裝在被監(jiān)測設(shè)備旁邊，通過采集設(shè)備的振動信號可以診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。監(jiān)測系統(tǒng)的安裝和數(shù)據(jù)傳輸途徑如圖2所示，監(jiān)測設(shè)備將設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過NB-IoT通信技術(shù)傳輸?shù)礁浇\營商基站，基站將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫，然后移動端從云端獲取采集數(shù)據(jù)。NB-IoT通信采用SIM7020C模組，NB-IoT是一種低功耗廣域網(wǎng)技術(shù),具有覆蓋范圍廣、海量連接、低功耗的優(yōu)點[6-7]。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸途徑

2 模擬電路設(shè)計

2.1 傳感器

傳感器采用601A11壓電加速度傳感器,該傳感器輸出為模擬電壓信號，正常使用時需要恒流源供電。在無外部信號輸入時，傳感器輸出8～12 V范圍內(nèi)的恒定電壓，當有加速度作用于傳感器時，傳感器輸出在靜態(tài)工作電壓基礎(chǔ)上加載±5 V的動態(tài)電壓?？梢酝ㄟ^對動態(tài)電壓的讀取獲得加速度數(shù)值。

2.2 電源電路

整個系統(tǒng)由外部總電源供電，內(nèi)部設(shè)計有各種電源轉(zhuǎn)換模塊，整體的電源結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個系統(tǒng)外部供電為24 V、1 A的電源適配器供電。24 V總電源由TPS5430芯片生成±12 V恒壓源，由LM334芯片生成恒流源?！?2 V電壓經(jīng)過LM7805和LM7905生成±5 V電壓。±5 V電壓再分別經(jīng)過ASM1117-3.3、ASM1117-2.5和ASM1117-1.2芯片生成3.3 V、2.5 V和1.2 V電壓。

圖3 電源結(jié)構(gòu)

恒流源為傳感器提供工作電源，根據(jù)LM334具體配置計算得恒流源電流為2.7 mA，符合傳感器工作電流要求?！?2 V電壓源為模數(shù)轉(zhuǎn)換器和部分集成運算放大器提供工作電源?！? V電壓源為模數(shù)轉(zhuǎn)換器、集成運算放大器和濾波芯片提供工作電源。FPGA芯片正常工作需要3.3 V、2.5 V、和1.8 V電源供電，STM32單片機正常工作需要3.3 V電源供電。

2.3 隔直濾波電路

傳感器輸出電壓信號為加載在偏置電壓上的交流電壓信號，在后續(xù)處理中只需要其中的交流電壓信號，因此需要過濾掉其中的直流電壓信號，濾波器選擇一階高通有源濾波器。

2.4 抗混疊濾波電路

由采樣定理可知，采樣頻率要大于采集信號中最高頻率的2倍。如果不滿足采樣定理，采集的信號就會發(fā)生信號混疊。為保證采集信號的準確性，需要將大于1/2采樣頻率模擬信號成分過濾掉。濾波芯片采用低通濾波芯片LTC1563，LTC1563可用外部電阻配置濾波芯片的截止頻率，根據(jù)電路具體配置計算截止頻率約為213 kHz。

2.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用具有16位輸出精度的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7610。本系統(tǒng)設(shè)計時采用±5 V電壓輸入，16位并行數(shù)字輸出模式。圖4為AD7610并行讀取數(shù)據(jù)的時序圖。從CNVST引腳電平下降沿開始，數(shù)據(jù)開始轉(zhuǎn)換，經(jīng)過t10時間后新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，并行數(shù)據(jù)輸出接口輸出新數(shù)據(jù)。

圖4 并行數(shù)據(jù)讀取時序

3 FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計

3.1 FPGA整體結(jié)構(gòu)

FPGA采用EP4CE10F17C8芯片。FPGA具有低延遲、可并行化的特性，可實現(xiàn)FPGA緩存數(shù)據(jù)和對時域指標的實時計算。

FPGA的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，F(xiàn)PGA芯片實現(xiàn)的主要功能有數(shù)據(jù)緩存、時域指標計算和為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供采樣時鐘。由單片機發(fā)送的控制信號控制PLL分頻所輸出的采樣時鐘，采樣時鐘為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供時鐘基準，控制采樣頻率。時域特征實時計算模塊對采集數(shù)據(jù)進行計算，并將監(jiān)測指標發(fā)送給單片機，如果計算值超過設(shè)定閾值將發(fā)送命令到數(shù)據(jù)緩存模塊。收到命令后，F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)緩存模塊將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的16 bit并行數(shù)字數(shù)據(jù)臨時存儲，等待單片機讀取數(shù)據(jù)。

圖5 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)緩存模塊

數(shù)據(jù)緩存模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號連接到FPGA芯片，使用FIFO緩存器將采集數(shù)據(jù)臨時保存。收到采集信號時通過寫控制模塊將采集數(shù)據(jù)寫入FIFO緩存器，緩存2 048個采樣點，采集完成輸出存滿信號，等待讀取。收到讀取信號時，通過FIFO讀控制模塊將FIFO中數(shù)據(jù)讀出，并通過SPI接口傳給單片機，SPI傳輸協(xié)議有主機和從機之分，這里將FPGA配置成從機，便于單片機采集控制。

圖6 數(shù)據(jù)緩存模塊結(jié)構(gòu)

3.3 時域特征實時計算模塊

實時處理模塊是通過對采集信號的時域特征計算，對機械設(shè)備的狀態(tài)進行初步診斷，具體計算的指標為信號的峭度指標、裕度指標和脈沖指標，在設(shè)備故障初期這些指標往往有增大的趨勢。具體計算見式(1)～式(3)：

(1)

(2)

(3)

時域特征實時計算模塊的結(jié)構(gòu)如圖7所示，F(xiàn)PGA接收到模數(shù)轉(zhuǎn)換器緩存的數(shù)據(jù)，將2 048個采樣點保存到RAM模塊中。然后進入根據(jù)峭度指標、裕度指標和脈沖指標公式設(shè)計的數(shù)字計算電路，將計算結(jié)果與設(shè)置的閾值指標相比較，若大于設(shè)置閾值指標則發(fā)出控制信號到數(shù)據(jù)緩存模塊。

圖7 時域特征實時計算模塊結(jié)構(gòu)

4 單片機系統(tǒng)設(shè)計

單片機采用的是Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6芯片，該芯片基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有低功耗、控制能力強和豐富的外設(shè)資源等優(yōu)點[8-9]。

4.1 SPI接口連接

單片機和FPGA芯片通過SPI接口通信，其連接如圖8所示。SPI通信有主機和從機之分，將FPGA設(shè)置為從機，將STM32設(shè)置為主機讀取數(shù)據(jù)。CS為片選信號，通信前主機需要將此引腳拉低，當CS拉低時說明從機被選中。SCK為SPI通信的時鐘信號，為信號傳輸提供時鐘參考。MISO為數(shù)據(jù)傳輸引腳，對于主機是信號輸入引腳，對于從機為信號輸出引腳。MOSI也是數(shù)據(jù)傳輸引腳，對于主機是信號輸出引腳，對于從機為信號輸入引腳。

圖8 SPI接口連接

4.2 單片機程序流程

單片機的內(nèi)部程序流程如圖9所示，單片機上電，開始初始化配置各接口的模式和參數(shù)。通過FPGA芯片發(fā)送的信號判斷數(shù)據(jù)是否緩存完成，若有緩存完成標志則讀取數(shù)據(jù)，若無緩存完成標志，判斷是否達到定時采集時間，若達到定時時間則向FPGA發(fā)送采集信號，若未達到定時時間則進行下一次循環(huán)。獲得FPGA緩存的數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)進行處理，由16 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成加速度數(shù)據(jù)。接下來判斷NB-IoT的通信是否正常，若通信正常則將數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊發(fā)送到云端，若通信發(fā)生故障，則將數(shù)據(jù)保存到SD卡。

圖9 單片機程序流程圖

5 實驗測試

5.1 數(shù)字系統(tǒng)驗證

使用Modelsim軟件對FPGA的時域處理模塊進行仿真驗證，取0～65 535范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)模擬A/D轉(zhuǎn)換后的16 bit數(shù)字數(shù)據(jù)輸入，驗證結(jié)果如圖10所示。data為輸入數(shù)據(jù)，峭度指標kurtosis、脈沖指標impulse和裕度指標margin為輸出信號，數(shù)據(jù)輸出正常說明該數(shù)字系統(tǒng)工作正常。

圖10 Modelsim仿真結(jié)果

5.2 SPI數(shù)據(jù)傳輸測試

測試FPGA與STM32F103的通信是否正常，使用SignalTap II在線邏輯分析儀對FPGA的SPI接口波形進行采樣，采樣波形如圖11所示。由圖11可知，輸入信號引腳的波形與數(shù)據(jù)接收寄存器rdata數(shù)據(jù)一致，輸出信號引腳的波形與數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器tdata數(shù)據(jù)一致，說明FPGA和單片機的SPI接口通信正常。

圖11 SignalTap II采樣波形

5.3 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

用單片機控制NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，以O(shè)NENET為云端接收平臺。上傳的數(shù)據(jù)有采集的加速度數(shù)據(jù)acc和監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)信息state，如圖12所示。

圖12 上傳數(shù)據(jù)類型

每個數(shù)據(jù)可以展開顯示具體數(shù)值，圖13為采集的加速度數(shù)據(jù)?？梢圆榭礆v史發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)以Excel文件格式導出，對數(shù)據(jù)進行進一步的分析。

圖13 上傳的加速度數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)對采集的機械設(shè)備振動信號進行實時處理，當時域特征指標超出閾值時，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?。即實現(xiàn)了對機械設(shè)備的實時監(jiān)測，又減少了數(shù)據(jù)上傳量。而且該系統(tǒng)具有安裝方便、適用范圍廣、可擴展能力強等優(yōu)點。