基于ARM9的機電設(shè)備檢測終端研究與設(shè)計

陳運軍

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

機電設(shè)備檢測終端系統(tǒng)集微處理器、數(shù)據(jù)采集、控制執(zhí)行、通信接口、人機接口等模塊于一體，達到實時監(jiān)測機電設(shè)備狀態(tài)的目的。

隨著生產(chǎn)自動化水平的提高，機電設(shè)備在很多大型設(shè)備中處于核心地位，漸趨復(fù)雜，對其維護的要求越來越高，若機電設(shè)備的故障得不到及時的發(fā)現(xiàn)，整個大型裝備的正常運行將會受到影響。根據(jù)設(shè)備實時檢測數(shù)據(jù)和故障診斷為基礎(chǔ)的維修具有針對性強，實時性高的優(yōu)點。從而達到降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)效益的目的，極具研究前景。

1 機電設(shè)備檢測終端系統(tǒng)硬件設(shè)計

機電設(shè)備檢測終端控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控模塊是機電設(shè)備檢測終端的核心，主要負責(zé)從信號采集模塊獲取機電設(shè)備的運行參數(shù)，對獲得的數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析與處理，顯示機電設(shè)備的運行參數(shù)，定時保存參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過通信接口將采集數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測系統(tǒng)主控制端。它主要包括ARM9的核心板、通信接口、信號采集、人機接口、輸出控制、數(shù)據(jù)存儲、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)進行存儲和顯示；通過通信模塊將采集的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測系統(tǒng)主控制機；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)行動作；根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主控制端通過通信接口傳來的控制命令，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

作為機電設(shè)備監(jiān)測終端系統(tǒng)的重要組成部分，本文主要分析振動檢測模塊、開關(guān)／模擬信號采集模塊、溫度監(jiān)測模塊以及輸出控制模塊4部分。

1．1 振動檢測電路設(shè)計

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

1．2 開關(guān)／模擬信號采集電路設(shè)計

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

模擬量采集模塊：采集機電設(shè)備配電柜里面緩變的傳感器參數(shù)，因此需監(jiān)測直流模擬電壓或電流值。本監(jiān)測終端要求提供兩路采集通道，其中一路為直流電壓，其測量范圍為0～5 V；另一路為直流電流，其測量范圍為4～20 mA。考慮到機電設(shè)備配電柜的運行環(huán)境，模擬信號采集之后需進行電氣隔離，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

開關(guān)量采集模塊：采集開關(guān)的狀態(tài)。本監(jiān)測終端要求提供四路數(shù)字開關(guān)量采集通道，數(shù)字開關(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)字開關(guān)量之間選用光耦合進行電氣隔離。其中一路數(shù)字開關(guān)量采集電路如圖3所示。

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

1.3 輸出控制電路設(shè)計

機電設(shè)備監(jiān)測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)動控制開關(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（K1）為低電平時，光耦導(dǎo)通，光耦輸出信號（RELAY_1）為低電平，繼電器控制開關(guān)閉合；當(dāng)控制信號（K1）為高電平時，光耦斷開，光耦輸出信號（RELAY_1）為高電平，繼電器控制開關(guān)為常開狀態(tài)。

圖4 輸出控制電路Fig.4 Output control circuit

1.4 溫度監(jiān)測模塊設(shè)計

經(jīng)過長時間的連續(xù)工作之后，機電設(shè)備的整體溫度將上升，特別是機電設(shè)備的摩擦部位。通過對摩擦部位溫度的監(jiān)測可發(fā)現(xiàn)機電設(shè)備的運轉(zhuǎn)故障。溫度監(jiān)測模塊負責(zé)機電設(shè)備溫度的測量，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I/O口（P1.0）與DSl8B20進行單總線通信，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UART口與核心板擴展的RS232接口進行通訊，將采集的溫度參數(shù)傳遞。

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

2 軟起動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

機電設(shè)備監(jiān)測終端軟件設(shè)計主要包括以下3部分：嵌入式WinCE系統(tǒng)搭建、設(shè)備驅(qū)動開發(fā)、應(yīng)用程序的開發(fā)，在此重點介紹應(yīng)用程序的開發(fā)。

監(jiān)測終端的WinCE應(yīng)用程序?qū)臋C電設(shè)備信號采集模塊采集到的機電設(shè)備各項運行參數(shù)經(jīng)過分析處理后，及時顯示到監(jiān)測終端的TFT屏上，供用戶查看當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)。同時還會將采集到的數(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。

監(jiān)測終端的主控模塊通過SPI、RS232、通信接口與信號采集模塊進行通信，通過RS485、IrDA通信接口與其它監(jiān)測終端進行通信，兩路輸出控制為控制兩路繼電器的斷開與閉合。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

電能計量采集：向SPI接口順序下達一組采集命令。獲得電能參數(shù)后，將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示接口。溫度／濕度／噪聲／振動監(jiān)測：向RS232接口下達一組采集命令，通信的數(shù)據(jù)格式為：在發(fā)送幀信息之前，先發(fā)送4個字節(jié)FEH，以喚醒溫度監(jiān)測模塊，然后發(fā)送2個字節(jié)AEH，開始讀取溫度參數(shù)（共2個字節(jié)），參數(shù)讀取完畢之后，再發(fā)送2個字節(jié)AAH，結(jié)束此次操作。獲得溫度／濕度／噪聲／振動參數(shù)后，將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示接口。

2）接口層

SPI接口：對四線制SPI通信協(xié)議進行了封裝，主控模塊可以調(diào)用該SPI接口與電能計量模塊進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)操作。4路RS232接口：對RS232通信協(xié)議進行了封裝，用于與溫度／濕度／噪聲／振動監(jiān)測模塊進行通信。數(shù)據(jù)存儲：將收到的數(shù)據(jù)編碼為存儲格式，調(diào)用系統(tǒng)文件管理模塊寫入到文件。

3）系統(tǒng)層

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

3 試驗結(jié)果分析

對機電設(shè)備監(jiān)測終端的測試包括：電能計量模塊的測試；故障診斷測試；開關(guān)／模擬信號采集模塊的測試。

3.1 電能計量模塊的測試

電能計量模塊測量對象：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)計負載為370 ohm，由3個100 ohm、1個50 ohm及1個20 ohm的電阻串聯(lián)組成，電阻的額定功率均為50 W）。根據(jù)測量結(jié)果，計算出的三相電參數(shù)測量精度如表1所示。

3.2 故障診斷測試

故障診斷主要完對端口分析，成對數(shù)據(jù)的高頻消噪、積分、時域分析和頻域分析等。得出各方面的性能。通過ARM9對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)對不同通道狀態(tài)數(shù)據(jù)的預(yù)處理和特征值計算。程序前面板界面如圖7所示。進入“故障診斷”界面，單擊時域分析和頻域分析按鈕，效果如下所示：時域分析包括時域波形，如圖8所示。通過以上的仿真實驗，可以看出整個系統(tǒng)連機正常，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、結(jié)果顯示，以及可以對仿真出來的信號進行時域分析，頻域分析，對信號進行分析處理，故障診新。所有功能正常，可以完成各個動作，達到預(yù)期目標。

表1 電能計量模塊參數(shù)測量精度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 時域波形Fig.8 Time domain waveform

3.3 振動檢測模塊的測試

在對一大型機電設(shè)備安裝檢測設(shè)備監(jiān)測其終端進行測試時，速度傳感器安裝于垂直方向。測試結(jié)果如圖9所示。測得最大振幅值為 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 垂直方向測試圖Fig.9 Vertical test chart

4 結(jié)束語

綜上所述，基于ARM9 3C2440為硬件平臺的機電設(shè)備監(jiān)測終端實現(xiàn)了機電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測、電參數(shù)采集與處理、機電設(shè)備運行參數(shù)存儲以及終端實時顯示等功能。可對機電設(shè)備的相關(guān)狀況進行實時掌握，確保機電設(shè)備的正常、安全運行。使機電設(shè)備整個系統(tǒng)智能化、實時性顯著增加。

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