高速公路機電設備狀態監測的應用

李品

（石家莊市公路橋梁建設集團有限公司，河北 石家莊 050000）

高速公路機電系統運營質量直接影響高速公路服務質量，因此，隨著我國高速公路通車里程不斷增加，提升機電設備可靠性是增強高速公路運營水平的必要條件，而機電設備的狀態監測是保障其有效的重要環節，本文以溫濕度、振動和電壓作為監測參數，分析了采集各個監測參數樣本的方法，以期為同行參考借鑒。

一、監測參數與采樣方案分析

（一）電壓參數

當前，我國高速公路照明系統中的問題多出現于控制回路中，因此本文面向隧道配電回路開展電壓采樣，使用ATT7022通用三相交流電采集卡，采集有電壓值及功率因數等數據。采集卡基于電源、采集對象的電壓和電源阻抗關系，能夠快速計算隧道配電回路工作負載數量，從而有效監測各個照明回路運作情況。

（二）振動參數

面向風機開展振動數據監測。風機運轉時約有10Hz～10KHz的振動頻率，因此風機振動信號在該區間范圍內有最大的振動幅度，且在技術層面也比較容易監測，進而判斷風機工作狀態。為確保振動采樣接口有跟節點其他接口一致的情況，保證硬件使用的可靠性，振動采樣時，首先需要使用振動傳感器采集模擬信號，再使用PCF8591芯片轉換A/D，并基于I2C接口讀取所得數據。在預處理振動信號時，所得數據中的振動分量可使用FFT變換提取，將重點振動分量看做預處理結果。

（三）濕度、溫度參數

需基于設備類型、測量范圍和精度等角度，并結合節點通用性考慮濕度和溫度的測量過程。本文所討論系統中使用的是SM1910 B型傳感器，測量測溫范圍較為寬泛約為-40°C～124°C，測量相對濕度的范圍約為0RH～100RH，且抗震性能和測量精度均有效符合測量要求。

二、監測節點系統的應用優化

（一）硬件系統結構

傳感器、接口、模數轉換等模塊共同組成監控節點的硬件系統結構。通過A/D轉換模塊將得到的模擬信號轉換后，即可得到數字信號，再將信號通過I2C接口轉發給FPGA開展預處理，即可確保以太網接口和SPI接口功能充分發揮作用，有效保障系統集成度和可靠性。

濕溫度緩存單元、電壓緩存單元和振動數據緩存單元共同構成了FPGA數據采集結構。該結構中的各項緩存單元均為環形結構，各FIFO依次采集各測量點的數據，所采集數據通過分復用控制器即可保存到外部儲存器中。顯示、存儲及通信等主要由FPGA執行。FPGA系統板對應每一個監測節點，且有唯一的IP地址與其對應，基于無線網絡技術連接通信網絡。

（二）軟件系統結構

使用NIOS II嵌入式處理器作為監控節點的操作平臺，其功能主要包含采集數據、預處理和接口等。在啟動NIOS II系統后，采集數據的系統會初始化FPGA電路，并采集溫濕度、電壓和振動數據。當一個數據包被FPGA采集并結束融合后，則會中斷并聯系預處理模塊讀取該數據包，數據經過處理后，即可由網絡通信和SPI接口兩個模塊共同打包最后輸出。在網絡通信模塊中，將DM9000芯片控制寄存器配置到FGPA中，保持其工作狀態，并形成獨有的IP和MAC地址，實現以太網中數據的傳輸。

（三）FPGA嵌入式系統構建

在主控電路中安裝嵌入式鎖相環，為CPU提供100MHz的穩定時鐘，并將其他硬件資源連接到CPU接口中。配置NIOS II處理器和接口時，嵌入式處理器由SOPC Bulider軟件配置，確保其具有儲存、定時中斷等必要功能。設計軟件系統時，主控流程、接口協議及預處理數據等軟件均由NIOS II EDS平臺設計，且采用C語言編寫程序，確保其執行力高效。

本文所用系統軟硬件的調試和下載不同于傳統系統，該系統需使用Quartus II軟件編譯，并將結果保存到FPGA中開展相應的配置設置，以得到硬件設計的最終電路；最后，還需基于該硬件電路在FLASH芯片中保存NIOS II EDS軟件調試的代碼，以在該硬件的電路中執行。

（四）采樣控制電路設計

該系統基于FPGA設計采樣控制電路，相關控制模塊功能使用硬件描述語言設計，以確保各自間工作的開展可協調聯動。各模塊設計方案如下：

1.I2C通信模塊

傳感器中得到的數據和送達FPGA的各項數據，監控節點都將基于I2C通信協議傳輸。在運行系統前，傳感器和FPGA系統板寄存器必須經過接口配置，具體設計測試成果如圖1所示。數據經過RESETn和STARTn后將被傳輸至寄存器中，從測試波形來看，數據傳輸基于協議正常運行。

圖1 I2C控制模塊測試結果

2.FIFO存儲器模塊

由于FPGA通信接口與傳感器數據傳輸速率不同，為使兩者的傳輸速率相匹配，必須將FIFO存儲器添加到兩者中。此外，FIFO存儲器還可將數據來源提給時分復用控制模塊，該模塊的測試如圖2所示。

圖2 FIFO存儲器模塊測試結果

從結果可知，該電路與預計目標的邏輯功能一致，但考慮到100MHz以上時鐘頻率會導致芯片延遲，進而破壞所設計電路邏輯，推薦使用50MHz以下的時鐘頻率。

3.時分復用模塊

因振動傳感器有較高的采樣頻率，因此在時分復用模塊里根據順序讀取1024個datain-a、1個datain-b、1個datain-c，并將所得數據合并。所得測試結果說明，通過時分復用使該模塊能夠成功融合三部分數據。

（五）現場實測結果

為確保現場環境參數可有效反映出采樣節點數據，本文以某高速公路隧道PLC控制箱為研究對象開展測量工作。針對控制箱內溫濕度、電壓及振動情況，使用安裝傳感器的方式開展檢測。從結果來看，節點所處地點可通過采樣節點有效檢測環境參數，并可有效保存所得數據或將所得數據傳輸到上位機中，以便于后續的數據分析。

三、結語

本文針對當前高速公路機電設備中缺乏狀態監測的情況，基于運行環境的角度，從機電設備狀態的各監測參數入手，制定采樣和數據融合方法，通過FPGA硬件和NIOS II軟件實現數據采樣模塊，監測結果與預期相符，可有效采集機電設備運行時的相關數據。