基于ARM9的機(jī)電設(shè)備檢測(cè)終端研究與設(shè)計(jì)

陳運(yùn)軍

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628040）

機(jī)電設(shè)備檢測(cè)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(jī)接口等模塊于一體，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的目的。

隨著生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，機(jī)電設(shè)備在很多大型設(shè)備中處于核心地位，漸趨復(fù)雜，對(duì)其維護(hù)的要求越來(lái)越高，若機(jī)電設(shè)備的故障得不到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，整個(gè)大型裝備的正常運(yùn)行將會(huì)受到影響。根據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)和故障診斷為基礎(chǔ)的維修具有針對(duì)性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)。從而達(dá)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(jī)電設(shè)備檢測(cè)終端系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)電設(shè)備檢測(cè)終端控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控模塊是機(jī)電設(shè)備檢測(cè)終端的核心，主要負(fù)責(zé)從信號(hào)采集模塊獲取機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析與處理，顯示機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，定時(shí)保存參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信接口將采集數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控制端。它主要包括ARM9的核心板、通信接口、信號(hào)采集、人機(jī)接口、輸出控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(wù)：將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示；通過(guò)通信模塊將采集的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控制機(jī)；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(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作；根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控制端通過(guò)通信接口傳來(lái)的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

作為機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)的重要組成部分，本文主要分析振動(dòng)檢測(cè)模塊、開(kāi)關(guān)／模擬信號(hào)采集模塊、溫度監(jiān)測(cè)模塊以及輸出控制模塊4部分。

1．1 振動(dòng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)電設(shè)備，由于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡、軸承的剛度、滾珠的缺陷、滑動(dòng)軸承的油膜振蕩等因素影響都會(huì)引起振動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生巨大的反復(fù)變動(dòng)的交變載荷，這不但會(huì)降低機(jī)器的使用壽命和可靠性，而且還會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞事故。將速度傳感器的外殼固定在振動(dòng)物體上，整個(gè)傳感器跟著振動(dòng)物體一起振動(dòng)，而處在空氣間隙內(nèi)的動(dòng)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(dāng)振動(dòng)物體的振動(dòng)頻率ω≥1.5 ωn時(shí)，動(dòng)線圈處在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，線圈與磁鋼之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)線圈切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E=BLV，公式中B為磁場(chǎng)強(qiáng)度、L為感應(yīng)線圈導(dǎo)線長(zhǎng)度、V為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)B、L一定時(shí)，輸出電勢(shì)E正比于振動(dòng)速度V。若要取得與振動(dòng)位移成正比的振動(dòng)信號(hào)，傳感器輸出的信號(hào)必須經(jīng)積分回路，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行電壓幅值調(diào)理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為S3C2440所能接收的0～3.3 V電壓。

1．2 開(kāi)關(guān)／模擬信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)／模擬信號(hào)采集電路包括直流模擬量采集電路、數(shù)字開(kāi)關(guān)量采集電路兩部分。

模擬量采集模塊：采集機(jī)電設(shè)備配電柜里面緩變的傳感器參數(shù)，因此需監(jiān)測(cè)直流模擬電壓或電流值。本監(jiān)測(cè)終端要求提供兩路采集通道，其中一路為直流電壓，其測(cè)量范圍為0～5 V；另一路為直流電流，其測(cè)量范圍為4～20 mA。考慮到機(jī)電設(shè)備配電柜的運(yùn)行環(huán)境，模擬信號(hào)采集之后需進(jìn)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(zhuǎn)換芯片，其通信接口選用具有SPI通信接口的串行A/D轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)量采集模塊：采集開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。本監(jiān)測(cè)終端要求提供四路數(shù)字開(kāi)關(guān)量采集通道，數(shù)字開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)量之間選用光耦合進(jìn)行電氣隔離。其中一路數(shù)字開(kāi)關(guān)量采集電路如圖3所示。

圖3 數(shù)字開(kāi)關(guān)量采集電路Fig.3 Digital switch quantity acquisition circuit

如圖3所示，當(dāng)輸入的數(shù)字開(kāi)關(guān)量（D-INl）為低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，核心板采集到光耦輸出信號(hào)（DOUT1）為低電平：當(dāng)輸入的數(shù)字開(kāi)關(guān)量（D-INl）為高電平時(shí)，光耦斷開(kāi)，核心板采集到光耦輸出信號(hào)（DOUTl）為高電平。由此可知，核心板采集到的光耦輸出信號(hào)（DOUTl）正確反映了數(shù)字開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)。

1.3 輸出控制電路設(shè)計(jì)

機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)終端要求提供兩路輸出控制，輸出控制電路利用繼電器驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)設(shè)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(jìn)行電氣隔離。其中一路輸出控制電路如圖4所示，當(dāng)控制信號(hào)（K1）為低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，光耦輸出信號(hào)（RELAY_1）為低電平，繼電器控制開(kāi)關(guān)閉合；當(dāng)控制信號(hào)（K1）為高電平時(shí)，光耦斷開(kāi)，光耦輸出信號(hào)（RELAY_1）為高電平，繼電器控制開(kāi)關(guān)為常開(kāi)狀態(tài)。

圖4 輸出控制電路Fig.4 Output control circuit

1.4 溫度監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作之后，機(jī)電設(shè)備的整體溫度將上升，特別是機(jī)電設(shè)備的摩擦部位。通過(guò)對(duì)摩擦部位溫度的監(jiān)測(cè)可發(fā)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)故障。溫度監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)機(jī)電設(shè)備溫度的測(cè)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(guò)I/O口（P1.0）與DSl8B20進(jìn)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(guò)UART口與核心板擴(kuò)展的RS232接口進(jìn)行通訊，將采集的溫度參數(shù)傳遞。

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

2 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)主要包括以下3部分：嵌入式WinCE系統(tǒng)搭建、設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，在此重點(diǎn)介紹應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。

監(jiān)測(cè)終端的WinCE應(yīng)用程序?qū)臋C(jī)電設(shè)備信號(hào)采集模塊采集到的機(jī)電設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)經(jīng)過(guò)分析處理后，及時(shí)顯示到監(jiān)測(cè)終端的TFT屏上，供用戶查看當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)。同時(shí)還會(huì)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(xún)。

監(jiān)測(cè)終端的主控模塊通過(guò)SPI、RS232、通信接口與信號(hào)采集模塊進(jìn)行通信，通過(guò)RS485、IrDA通信接口與其它監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行通信，兩路輸出控制為控制兩路繼電器的斷開(kāi)與閉合。從物理結(jié)構(gòu)上，應(yīng)用程序主要分為邏輯層、接口層、系統(tǒng)層這3個(gè)層次，其體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Application architecture diagram

1）邏輯層

電能計(jì)量采集：向SPI接口順序下達(dá)一組采集命令。獲得電能參數(shù)后，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示接口。溫度／濕度／噪聲／振動(dòng)監(jiān)測(cè)：向RS232接口下達(dá)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(gè)字節(jié)FEH，以喚醒溫度監(jiān)測(cè)模塊，然后發(fā)送2個(gè)字節(jié)AEH，開(kāi)始讀取溫度參數(shù)（共2個(gè)字節(jié)），參數(shù)讀取完畢之后，再發(fā)送2個(gè)字節(jié)AAH，結(jié)束此次操作。獲得溫度／濕度／噪聲／振動(dòng)參數(shù)后，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示接口。

2）接口層

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

3）系統(tǒng)層

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

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)終端的測(cè)試包括：電能計(jì)量模塊的測(cè)試；故障診斷測(cè)試；開(kāi)關(guān)／模擬信號(hào)采集模塊的測(cè)試。

3.1 電能計(jì)量模塊的測(cè)試

電能計(jì)量模塊測(cè)量對(duì)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(shè)計(jì)負(fù)載為370 ohm，由3個(gè)100 ohm、1個(gè)50 ohm及1個(gè)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(cè)量結(jié)果，計(jì)算出的三相電參數(shù)測(cè)量精度如表1所示。

3.2 故障診斷測(cè)試

故障診斷主要完對(duì)端口分析，成對(duì)數(shù)據(jù)的高頻消噪、積分、時(shí)域分析和頻域分析等。得出各方面的性能。通過(guò)ARM9對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同通道狀態(tài)數(shù)據(jù)的預(yù)處理和特征值計(jì)算。程序前面板界面如圖7所示。進(jìn)入“故障診斷”界面，單擊時(shí)域分析和頻域分析按鈕，效果如下所示：時(shí)域分析包括時(shí)域波形，如圖8所示。通過(guò)以上的仿真實(shí)驗(yàn)，可以看出整個(gè)系統(tǒng)連機(jī)正常，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、結(jié)果顯示，以及可以對(duì)仿真出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，頻域分析，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，故障診新。所有功能正常，可以完成各個(gè)動(dòng)作，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表1 電能計(jì)量模塊參數(shù)測(cè)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(shí)域波形Fig.8 Time domain waveform

3.3 振動(dòng)檢測(cè)模塊的測(cè)試

在對(duì)一大型機(jī)電設(shè)備安裝檢測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)其終端進(jìn)行測(cè)試時(shí)，速度傳感器安裝于垂直方向。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。測(cè)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(cè)試圖Fig.9 Vertical test chart

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于ARM9 3C2440為硬件平臺(tái)的機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)終端實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電參數(shù)采集與處理、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)以及終端實(shí)時(shí)顯示等功能。可對(duì)機(jī)電設(shè)備的相關(guān)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握，確保機(jī)電設(shè)備的正常、安全運(yùn)行。使機(jī)電設(shè)備整個(gè)系統(tǒng)智能化、實(shí)時(shí)性顯著增加。

[1]賈永軍.煤礦機(jī)電設(shè)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(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù) [M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[3]崔彥平，傅其風(fēng)，葛杏衛(wèi)，等.機(jī)械設(shè)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(jìn).大型設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)一現(xiàn)狀與發(fā)展[J].動(dòng)態(tài)分析與測(cè)試技術(shù)，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(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展多串口設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)，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(lè)年，王雷，員玉良，等.智能型RS485總線接口設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)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.