一種分布式風力機信息采集和狀態監測系統的設計*

李月芳，梁瑞宇

（1.常州輕工職業技術學院電子電氣工程系，江蘇常州213164；2.南京工程學院通信工程學院，南京211167）

一種分布式風力機信息采集和狀態監測系統的設計*

李月芳1，2*，梁瑞宇1，2

（1.常州輕工職業技術學院電子電氣工程系，江蘇常州213164；2.南京工程學院通信工程學院，南京211167）

為了對風電機組實時遠程監控并實現分布式網絡化管理，設計了一種基于ARM嵌入式系統的風電機組振動監測系統。系統有24通道的模擬信號采集電路，并借助于FPGA對周圍電路進行邏輯控制和數據的實時采樣；FPGA與ARM通信應用EDMA技術，極大提高了數據傳輸速率，可滿足高速率采樣的數據傳輸要求；此外，上位機與目標板之間的數據通信采用TCP/IP協議。通過實驗觀察上位機輸出結果，驗證了數據的實時性和準確性，達到了對風電機運行的狀態信息監測和故障診斷的要求。

風電機組；ARM；FPGA；EDMA；實時監測

由于風力發電設備常地處惡劣的環境且機械結構復雜，發生故障的概率極大，一旦出現故障，不僅需要昂貴的維修費用，而且因此產生的停機也將帶來很大的損失。因此對風力發電機組的實時監測，及時診斷并排除故障有著重要的實際意義。但是目前風電機組的傳感器信號至狀態監測機柜都是電纜連接，信號衰減及噪聲干擾嚴重，數據采集傳輸速率都遠遠達不到實際需求，且狀態檢測機只是進行采集和簡單處理，無法將機械的運行狀態都將納入監控范圍，顯然，目前的狀態監測系統已經不能滿足信息化管理的需要。

本文根據實際需要，提出一種ARM嵌入式系統構建的旋轉機械分布式、網絡化、多種通信方式（風力機）的狀態監測與故障診斷系統。通過FPGA對采集的數據的高速處理和EDMA的高速數據傳輸獲取方式，實現了對多通道并行采集數據的實時獲取和監控，大大提高了采樣和處理的數據量。應用層軟件在獲取上位機指令后可以根據需求對信號采集速率，獲取信號類型，采集通道等參數進行調節。同時，ARM可通過USB、can總線、485總線和Internet等多種方式與外部計算機通信，方便進行調試，實現了網絡化，信息化管理。本文重點對FPGA邏輯控制模塊以及EDMA通信的實現進行介紹。

1　系統總體設計

系統總體框架圖如圖1所示。風電信號采集系統總體可以分為硬件和軟件兩個部分。其中，硬件部分主要包括前端對傳感器采集數據的處理模擬電路，A/D轉換電路，FPGA邏輯控制模塊以及ARM核心處理芯片。在硬件電路對數據采集的基礎上設計了應用層軟件程序，實現對數據的上傳，處理和跟蹤的功能，通過TCP/IP協議與上位機進行通信。應用層在接受到上位機的指令后可以對采樣速率，點數，周期，通道等參數進行控制。應用層還具有對采集信號實時跟蹤的功能，并對接收的數據進行FFT運算，以獲取數據的頻域信息以便能更加全面獲取風電機運行的狀態信息。

圖1　風電信號采集系統總體框架圖

2　硬件設計

2.1模擬信號采集電路與FPGA模塊設計

本文系統中主要有24通道信號同步采集，包括8路振動信號，8路4 mA～20 mA直流信號，4路三線熱信號以及4路慢變信號。其中振動可以通過位移、速度和加速度3種運動量來表示［1］。在實際測量工作中，由于傳感器，信號特性等方面的差別，需要對傳感器以及信號前端的模擬信號處理電路進行合理的選擇設計。其中振動信號是風電狀態監測中的關鍵，其模擬信號電路處理過程如圖2所示。信號均采用差分輸入，具備高共模抑制比，能有效減少噪聲干擾。在對加速度傳感器獲取的信號低通濾波和放大之后，可以得到間隙直流信號；對信號進行一次積分，二次積分之后可以分別獲得振動速度信號和振動位移信號，再經過MAX291八階濾波器進行抗混疊濾波。A/D轉換采用芯片AD7606，其中AD7606是16 bit 8通道信號同步采樣數據模數轉換芯片，是逐次逼近型模數轉換器，本系統中采用了八通道并行采樣輸出的工作模式，達到了每通道A/D采樣速率＞200 ksample/s。

圖2　振動信號處理電路框圖

對于4 mA～20 mA直流信號，三線熱信號以及慢變信號的處理主要包括分壓，放大和低通濾波等步驟。并使用12 bit A/D轉換芯片mcp3208，對信號進行模數轉換，其轉換速率可達到100 ksample/s。最后得到數字信號即可送入FPGA中。

FPGA處理器可以對外圍電路進行邏輯控制，并完成與ARM層通信的功能。其處理芯片采用Altera公司Cyclone IV E系列的EP4CE15F17C8，其內部資源豐富，有15 000多個邏輯單元，16 00多個寄存器，166個管腳，可以外部擴展SRAM，Flash等存儲器，能夠很好地滿足對大量信號的實時采集處理的要求。使用的硬件編程語言為VHDL語言，開發軟件為QuartusⅡ13.0版本。

為了保證信號數據采樣的高速性和同步性，對FPGA編程配置的靈活性和適應性提出了更高的要求。其主要包括了兩個重要模塊：（1）由數字鎖相環構成的數字倍頻器模塊，它是一個相位反饋控制系統，其功能是對采集的鍵相信號進行倍頻操作，通過和提取的參考相位比較，使得最后得到的倍頻和所需要的頻率十分接近。其輸出的倍頻信號一方面作為濾波器MAX291芯片的時鐘頻率，實現跟隨輸入頻率的變化實現跟蹤濾波的功能，另一方面作為AD7606采樣頻率，這是完成8通道振動信號同步整周期采樣的關鍵環節；（2）是數據采集控制模塊，其中設置了兩種采樣觸發方式，當有鍵相信號時為整周期采樣，即外部采樣觸發方式輸出A/D觸發信號并控制數據的存儲。當處于無鍵相或鍵相失效狀態時，采用內部觸發方式，由軟件產生A/D轉換觸發信號，由上位機設定采樣頻率，以等時間間隔方式進行采集。對采集的數據寫入RAM緩存中，以供ARM層對數據的接收獲取。FPGA主要模塊框圖見圖3。

圖3FPGA功能模塊框圖

此外，FPGA中還開辟了相關的寄存器空間，上層可以通過對寄存器內容的設置來控制FPGA的定時計數，采集頻率，以適應不同數字信號的頻率要求［2］。

2.2FPGA與ARM的通信設計

在硬件電路板中，ARM微控制器作為核心主控單元，不但要完成A/D采樣數據的讀取，還需要實現FPGA與上位機通信的功能，可以說起到了承接上下模塊的關鍵作用。本系統中核心處理器選用TI公司的ARM芯片AM335x，它是基于ARM? Cortex?-A8技術的一款32 bit高性能的微控制器，其內部資源非常豐富，包括集成了GPMC通用存儲控制器并行總線接口，便于連接外部存儲設備，例如NOR FLASH、NAND FLASH、SRAM等，并支持EDMA數據通信方式，時鐘控制，通用異步收發器等功能，有利于實現數據的高速傳輸。

根據設計以及數據采集速率需求，實際GPMC與FPGA硬件連接方案如圖4所示。其中包括13根地址線和16根數據線，即對振動信號的采樣數據在RAM中開辟213（即8192）個地址空間，每個采樣點為 16位數據；Gpmc_REn為讀使能信號；Gpmc_WEn為寫使能信號；Gpmc_WAIT0為busy或ready狀態信號；Gpmc_CS為片選信號；Gpmc_CLK為GPMC工作時鐘信號。

圖4GPMC與FPGA硬件連接關系

系統中FPGA與ARM主芯片的數據傳輸采用了EDMA的通信方式，這也是實現高速率數據傳輸的關鍵技術環節。EDMA（Enhanced Direct Memory Access）是增強型的DMA控制器，用于控制存儲器與存儲器、存儲器與外設、外設與外設之間的數據傳輸，具有獨立于CPU批量處理大量數據的能力。其結構主要包含TPCC（Third-Party Channel Controller）與TPTC（Third-Party Transfer Controller）兩大部分，即通道控制器與傳輸控制器。通道控制器主要功能是進行通道選擇和事件管理，向傳輸控制器遞交傳輸請求，并向CPU發出完成中斷，其中EDMA包括64個DMA通道，8個快速DMA通道和95個事件；傳輸控制器則負責接收通道控制器的傳輸請求，產生讀寫命令，負責數據傳送，傳輸完成回交給通道控制器。

EDMA的工作流程主要包括：向CPU發出EDMA請求使EDMA控制器獲得總線控制權，CPU繼續執行內部操作同時EDMA控制器負責數據傳輸，數據傳輸完成向CPU發出完成中斷，將總線控制權交還CPU。本系統EDMA使用外部觸發工作方式：FPGA在RAM中寫滿數據以后給ARM一個觸發信號，這時EDMA開始按配置的地址及方式來進行數據的傳輸。具體工作流程參見圖5。

圖5EDMA工作流程圖

3　軟件設計

應用層軟件服務采用常規的Client/Server模式，其設計主要在于完成與上位機的通信，并監聽和處理上位機指令，完成對采集數據的上傳工作。同時需要對采集到的原始數據進行一些算法處理，提取相關的振動特征參數，達到對風電機組運行狀態信息更全面地監控的目的。應用層軟件設計系統環境為Linux操作系統，在Eclipse IDE for C/C++平臺下采用C語言編寫。鑒于傳輸數據量大，且對數據實時性和穩定性有較高要求，因此通信采用TCP/IP協議，一種面向鏈接的，可靠的服務，具體實現采用了Linux中的套接字（Socket）通信。為了對上位機進行實時監聽請求，采用了創建子進程的方式實現對收到的通信命令進行并行分析和處理，保證了傳輸數據的準確性和穩定性。軟件運行開始后，首先完成對配置文件的讀取和基本參數的處理，然后創建綁定一個Socket，就可以實現應用層和上位機之間網絡數據的通信，通過對指令的監聽獲取上位機指令，并創建子進程用于對指令進行解析處理操作，給予相關回應。其運行流程見圖6。

圖6　應用層運行流程圖

為了更好地實現應用層軟件和上位機的通信交互，在網絡傳輸的數據格式上制定了一套嚴格的通信規約，傳輸的指令報文需要按照既定的通信規約數據格式進行發送。表1為具體的通信規約格式。

表1　通信報文格式

4　測試結果

按照上述的硬件和軟件模塊設計，并完成對相關板極驅動編譯和軟件調試之后，對系統進行了測試驗證。上位機采用網絡調試助手模擬，配置完協議類型、IP地址和端口號之后，即可通過以太網與ARM端的應用層軟件建立通信鏈接。如圖7所示。

圖7　網絡調試助手

按照圖7的報文命令發送后，應用層可以獲得通道1中的間隙去直流原始信號，并將接受到的數據按格式存入當前采集數據的存放文件，文件依據當前UNIX系統時間命名。因此通過對數據存放文件中的數據進行提取和仿真分析，即可驗證采集的數據的正確性。使用MATLAB數學處理工具，對采集的數據截取2 048個點（即1/4個周期）進行繪圖，可以觀察到一個很完美的正弦波形，幅值范圍也符合預期結果，表明結果準確可靠。如圖8所示結果。

圖8　間隙去直流原始信號波形圖

5　結論

通過對硬件模塊和軟件模塊的設計，使用FPGA+ARM的結構系統，實現了對風電機組遠程實時監測的目的。由于在數據的傳輸過程中采用了FPGA自動跟蹤處理和ARM端的EDMA高速數據傳輸技術，在保證了大數據量的同時，也確保了數據的穩定性和準確性，對以往的風電監測系統數據量小，實時性不高的缺點進行了突破。此外，系統本身還有體積小，占用資源小，成本低，可移植性強，可分布式管理和功能豐富的優點，這在實際應用中具有很強的推廣價值。

［1］王惠中，沈燕妮.基于DSP+ARM的風電機組狀態監測系統的研究［J］.電氣自動化，2011（6）：26-28.

［2］唐文俊，李維波，賀洪，等.一種基于ARM的遠程監控系統的設計與實現［J］.船電技術，2011（11）：61-66.

［3］王效，劉曉光.基于ARM的風電齒輪箱振動監測系統設計［J］.發電與空調，2013（2）：16-19.

［4］郭欣，曹國華.基于STM32的風電機組振動監控系統設計［J］.儀表技術，2011（9）：61-63，70.

［5］呂躍剛，關曉慧，劉俊承.風力發電機組狀態監測系統研究［J］.自動化與儀表，2012（1）：6-10.劉勝玉.風電機組嵌入式監測系統研究［D］.大連：大連理工大學，2009.

［6］方連航，楊俊華，楊夢麗，等.分布式風電場設備多智能體狀態監測系統［J］.廣東電力，2013（5）：76-81.

［7］路遙，江漢紅，芮萬智.基于ARM的風電機組遠程監測系統的設計［J］.船電技術，2015（2）：9-12，66.

［8］AM335x：ARM Cortex-A8微處理器開發方案［J］.世界電子元器件，2014（3）：19-21.

［9］韓宏宇.基于FPGA的風電監測系統數據采集單元設計［D］.北京：北京化工大學，2011.

李月芳（1975-），女，江蘇金壇人，副教授，碩士，研究方向為電子與自動控制；

梁瑞宇（1978-），男，南京工程學院，副教授，研究方向為語音信號處理，助聽器信號處理。

Design of the Distributed Wind Turbines Information Acquisition and State Monitoring System*

LI Yuefang1，2*，LIANG Ruiyu1，2
（1.Changzhou Institute of Light Industry Technology，Department of Electronic and Electrical Engineering，Changzhou Jiangsu 213164，China；2.School of Communication Engineering，Institute of Nanjing Technology，Nanjing 211167，China）

To realize real-time monitoring and distributed network management，a wind turbines vibration monitoring system based on ARM embedded system was designed.The system includes 24 channels of analog signal acquisition circuit，the FPGA is applied to realize the logic control of the peripheral circuitincluding real-time sampling of data；to meet data transmission requirement for high speed sampling，the EDMA technology is adopted to access the data communication between FPGA and ARM，which extremely improve the data transmission rate；besides，TCP/IP protocol is used in the data communication between the object board and the upper computer.Test results verify the real-time and accuracy of data，and indicate that it reaches the requirements of the state monitoring and fault diagnosis of the wind turbines.

wind turbines；ARM；FPGA；EDMA；real-time monitoring

TM614；TK830

A

1005-9490（2016）05-1270-05

項目來源：國家自然科學基金項目（61301219）；江蘇省自然科學基金項目（ZKJ201202）

2016-04-18修改日期：2016-05-10

EEACC:720010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.048