隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，企業(yè)對大型化、自動化、連續(xù)化的生產(chǎn)設(shè)備的依賴性與日俱增。如何對設(shè)備進(jìn)行有效的管理以及如何對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)控，讓設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)在可知以及可預(yù)知的范圍之內(nèi)，是現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)亟待解決的問題[1]。

　　目前在線設(shè)備故障診斷系統(tǒng)大多采用PC和采集卡的模式，通過PC軟件實時接收和處理采集卡傳來的數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)體積龐大、數(shù)據(jù)傳輸復(fù)雜、成本昂貴，不適合應(yīng)用在生產(chǎn)設(shè)備分散和現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣的地方。

　　本文設(shè)計了基于ARM9 S3C2440A微處理器和Linux操作系統(tǒng)的便攜式點巡檢機(jī)械故障診斷系統(tǒng)，硬件部分采用共振解調(diào)技術(shù)、以太網(wǎng)、GPRS、RS485、電子標(biāo)簽、AD7760和U盤等，軟件部分采用基于形態(tài)提升小波的自適應(yīng)多尺度算法。儀器能夠有效提取機(jī)械設(shè)備早期的微沖擊脈沖信號，識別出故障類型。

1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

　　1.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。根據(jù)設(shè)計要求，診斷儀需要豐富的片上資源和運(yùn)算大量數(shù)據(jù)，一般微處理器不具有上述能力，本設(shè)計采用三星公司的16/32 位精簡指令集(RISC)微處理器S3C2440A，S3C2440A是基于ARM920T核心,ARM920T實現(xiàn)了MMU、AMBA總線和哈佛結(jié)構(gòu)高速緩沖體系結(jié)構(gòu),這一結(jié)構(gòu)具有獨立的16 KB指令高速緩存和16 KB數(shù)據(jù)高速緩存。其主頻在1.3 V下高達(dá)400 MHz，數(shù)據(jù)處理能力很強(qiáng)。4路傳感器的信號進(jìn)入獨立的信號調(diào)理電路，根據(jù)需要選通多路開關(guān)，調(diào)制后的信號通過A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量，送給微處理器S3C2440A。人機(jī)交互界面采用TFT觸摸屏，內(nèi)嵌入軟鍵盤，交互界面提供了豐富的操作信息，可顯示時域波形、自相關(guān)、互相關(guān)、倒頻譜、功率譜和基于形態(tài)提升小波的自適應(yīng)多尺度頻譜圖。存儲部分?jǐn)U展了128 MB的NandFlash和64 MB的SDRAM。

　　1.2 數(shù)據(jù)采集

　　1.2.1信號調(diào)理電路

　　組合傳感器是由加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器組成。信號調(diào)理電路如圖2所示，有兩路調(diào)制:一路采用共振解調(diào)技術(shù)提取機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障時的微沖擊信號；另外一路對常規(guī)振動信號進(jìn)行放大、隔離、低通濾波處理，可以對設(shè)備中后期故障進(jìn)行預(yù)測。信號調(diào)理部分需要注意選擇合適的器件帶寬BW、濾波參數(shù)、放大倍數(shù)。

　　1.2.2 共振解調(diào)技術(shù)

　　機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)早、中期故障的信號特征是產(chǎn)生幅度很小、寬度很窄的沖擊脈沖。脈沖信號自身包含無限次諧波的脈沖，高頻分量尤其豐富[2]，其數(shù)學(xué)模型可表示為：ke-t(k1sinw1t+k2cosw2t+…)。把傳感器輸出信號經(jīng)過放大，然后經(jīng)過中心頻率f0與加速度傳感器的諧振頻率相等的帶通濾波器UAF42達(dá)到共振，再經(jīng)過高通濾波器，濾掉低頻振動信號及部分噪聲，獲取信號中的高頻成分，再經(jīng)過調(diào)制器進(jìn)行包絡(luò)檢波,就得到與脈沖沖擊發(fā)生頻率相同的低頻信號，通過上述的共振解調(diào)技術(shù)就可以實現(xiàn)高信噪比的故障診斷。

　　1.3 通信模式

　　根據(jù)診斷儀應(yīng)用的環(huán)境不同，采用了4種通信模式：GPRS通信、以太網(wǎng)通信、RS485、RS232。遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)與每一種通信模式之間都有一套通信協(xié)議，診斷儀將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)給遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析與處理，進(jìn)而實現(xiàn)更精準(zhǔn)、專業(yè)的遠(yuǎn)程故障診斷。

　　1.3.1 GPRS通信

　　GPRS通信采用華為的MG323模塊,MG323與S3C2440A之間通信采用AT指令, S3C2440A通過串口將AT指令發(fā)給MG323，MG323將數(shù)據(jù)幀通過Internet傳到遠(yuǎn)端的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上。MG323外圍電路如圖3所示，MG323_TXD和MG323_RXD分別接S3C2440A的串口3的TXD3和RXD3。TERM_ON、MG_RST分別是MG323的開關(guān)機(jī)和復(fù)位接口。ESDALC6V 1W5是ESD防護(hù)器件，保護(hù)SIM卡。LPG是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示管腳，通過該管腳輸出的脈沖信號來控制三極管Q1的導(dǎo)通與關(guān)斷，LED是網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)指示燈。同時，還利用GSM網(wǎng)絡(luò)的SMS通信機(jī)制發(fā)送短信，實現(xiàn)了與手機(jī)的聯(lián)動告警和監(jiān)控。

　　1.3.2 以太網(wǎng)通信

　　以太網(wǎng)具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定等特點，被廣泛使用。網(wǎng)絡(luò)接口芯片選用高度集成的、低成本的以太網(wǎng)MAC控制器DM9000，支持MII/RMII接口和8/16/32位的處理器接口方式，10 M/100 M收發(fā)器。S3C2440A與DM9000的連接圖如圖4所示。

　　1.4 單總線1-Wire技術(shù)

　　一般被檢測設(shè)備較多，且分布在不同的位置，為了規(guī)范巡檢操作過程、提高效率和避免差錯，采用了基于單總線技術(shù)的具有64位注冊碼的電子標(biāo)簽iButton DS1990R自動識別檢測點。為了防止設(shè)備故障點溫度過高，采用溫度傳感器DS18B20實時監(jiān)控,借助溫度變化反應(yīng)故障情況。為了保證通信的連續(xù)性并創(chuàng)建可靠的單總線網(wǎng)絡(luò)，采用串口接口轉(zhuǎn)換器DS2480B，DS2480B會自動產(chǎn)生精確的單總線數(shù)據(jù)傳輸時序，保證數(shù)據(jù)傳輸可靠，DS2480B與 1-Wire器件連接電路如圖5所示。

　　1.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7760

　　AD7760是一款高性能、24位∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，融合了寬輸入帶寬、高速特性與∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)勢，2.5 MS/s時信噪比可達(dá)100 dB，使其廣泛地應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、振動分析系統(tǒng)[5]。AD7760內(nèi)置用來驅(qū)動基準(zhǔn)電壓的緩沖、用于信號緩沖和電平轉(zhuǎn)換的差分放大器、超量程標(biāo)志、內(nèi)部增益與失調(diào)寄存器以及低通數(shù)字FIR濾波器，是一款高度集成的緊湊型數(shù)據(jù)采集器件，只需選擇極少的外圍元件。AD7760與S3C2440A的連接圖如圖6所示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　2.1嵌入式Linux操作系統(tǒng)

　　診斷儀以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，在Linux環(huán)境下使用C和匯編語言編程，使用Qtopia2.2.0開發(fā)了一套圖形界面。嵌入式Linux操作系統(tǒng)開發(fā)包括開發(fā)環(huán)境的搭建(Ubuntu、交叉編譯工具arm-linux-gcc)、U-Boot的移植、Linux內(nèi)核的移植(修改頂層Makefile中的ARCH和CROSS_COMPILE、修改MTD分區(qū)、移植YAFFS文件系統(tǒng))、構(gòu)建根文件系統(tǒng)(移植根文件系統(tǒng)制作工具busybox)、內(nèi)核調(diào)試、設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)。

　　2.2設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)

　　嵌入式開發(fā)的難點在于設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)，Linux內(nèi)核雖然有85%的驅(qū)動程序，但都是些常見的設(shè)備驅(qū)動，對于用戶板載的非常見設(shè)備，就需要自己編寫驅(qū)動程序加載進(jìn)內(nèi)核。Linux操作系統(tǒng)將所有的設(shè)備都看成文件，以操作文件的方式訪問設(shè)備，應(yīng)用程序必須使用統(tǒng)一的接口函數(shù)調(diào)用硬件驅(qū)動程序。接口函數(shù)集合在file_operations類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，struct file_operations的成員全部是函數(shù)指針，這些指針指出了設(shè)備驅(qū)動程序所提供的入口點位置，即函數(shù)跳轉(zhuǎn)表。對于不需要的函數(shù)接口可以直接初始化為NULL，也可不定義，但此時將會調(diào)用缺省函數(shù)[4]。當(dāng)應(yīng)用程序使用read、write、ioctl等函數(shù)讀寫、控制設(shè)備時，驅(qū)動程序的file_operations結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)成員就會被調(diào)用。因此編寫驅(qū)動程序就是為具體硬件的file_operations結(jié)構(gòu)編寫各個函數(shù)。

　　AD7760的驅(qū)動程序中定義的file_operations為:

　　static  struct file_operations  AD7760_fops =

　　{

　　.owner  = THIS_MOUDLE,

　　.write = AD7760_write,

　　.read = AD7760_read,

　　.open = AD7760_open,

　　.release = AD7760_release,

　　};

　　2.3主程序流程圖

　　系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入功能菜單頁面，按照面向操作對象的原則，功能菜單以樹的形式展開頁面。主程序流程圖如圖7所示，圖7(b)是圖7(a)的E樹枝。

3 形態(tài)提升的自適應(yīng)多尺度算法

　　目前小波分析應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷方面取得了很好地效果，但是對不同的故障信號，小波基的選擇具有一定的難度，同時閾值選擇得不當(dāng)也使其抑制噪聲效果不明顯?；谛螒B(tài)提升小波的自適應(yīng)多尺度算法是利用形態(tài)提升小波保留脈沖信號的特點將微弱脈沖在一定程度上放大，減少低頻信號的干擾，再利用自適應(yīng)多尺度濾波對沖擊進(jìn)行匹配，這樣提取脈沖信號效果更加明顯[6]。形態(tài)提升采用非下采樣的方式進(jìn)行移不變擴(kuò)展。

　　3.1多尺度形態(tài)濾波

　　定義s為多尺度形態(tài)膨脹和腐蝕，sg為s尺度下的結(jié)構(gòu)元素，故多尺度形態(tài)梯度MGs(x)為:

　　3.2 自適應(yīng)多尺度形態(tài)梯度算法

　　當(dāng)機(jī)械發(fā)生損傷性故障時,會產(chǎn)生突變的沖擊信號,其數(shù)學(xué)模型如下：

　　其中,,s為尺度因子，u為位移因子，v為頻率因子，w為相位因子。

　　參考文獻(xiàn)[6]提出了自適應(yīng)多尺度變換后的信號fg(n)為：

　　其中，sk為第k個尺度，wk為權(quán)重函數(shù)。

4 實例分析

　　為驗證診斷儀在實際應(yīng)用中的效果，采用實驗室故障診斷平臺中的軸承作為故障信號來源，軸承節(jié)徑為39.5 mm，滾動體直徑為7.5 mm，滾動體個數(shù)為12個，采樣頻率設(shè)為10 kHz，轉(zhuǎn)頻選為15 Hz。根據(jù)軸承故障特征頻率公式計算得到外圈故障頻率72.9 Hz，內(nèi)圈故障頻率107.09 Hz。圖8是軸承外圈時域波形和頻譜圖，從頻譜圖可以明顯看到故障信號72.63 Hz，這與計算的外圈故障特征頻率理論值吻合，故可斷定為外圈故障。由實驗結(jié)果可以證明診斷儀采用的共振解調(diào)技術(shù)和基于形態(tài)提升小波的自適應(yīng)多尺度算法能夠有效提取微沖擊信號，準(zhǔn)確判斷機(jī)械的故障類型。

　　本文將ARM和嵌入式Linux操作系統(tǒng)應(yīng)用于便攜式點巡檢機(jī)械故障診斷儀，該儀器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、多任務(wù)實時調(diào)度和高穩(wěn)定性，具有豐富的外設(shè)接口，通信方式多樣化，滿足了高可靠性、批量數(shù)據(jù)實時處理的要求。數(shù)據(jù)采集的硬件部分采用共振解調(diào)技術(shù)，從硬件上消除噪聲,有效地提取沖擊信號，24位高速A/D轉(zhuǎn)換器AD7760使得轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)精度高達(dá)0.178 8 μV。 在軟件上采用了基于形態(tài)提升小波的自適應(yīng)多尺度算法，該方法改善了形態(tài)小波閾值選擇的難度并擺脫了沖擊信號先驗知識的限制。故障實例分析很好地證明了該診斷儀對故障信號提取的有效性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 王旭,高立新.基于共振解調(diào)的嵌入式數(shù)據(jù)采集分析儀的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造,2009(9):57-59.

　　[2] 周鳳星,程耕國,梁巍.共振解調(diào)和小波分析在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2005,27(6):1128-1131.

　　[3] 韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社,2008.

　　[4] 曹毅,何慎學(xué),陳會鴿.ARM-Linux外擴(kuò)AD驅(qū)動程序的研究與實現(xiàn)[J].自動化與儀表,2010,25(9):45-48.

　　[5] 劉勝洋,魏星.高精度高速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器[J].電子技術(shù),2008，45(4):34-37.

　　[6] 嚴(yán)保康,周鳳星. 一種基于形態(tài)提升的自適應(yīng)軸承微沖擊提取方法[J].振動與沖擊,2013,32(24):198-203.