世界各國的政府舉措正在加快制造業(yè)朝向普遍網(wǎng)絡自動化發(fā)展的趨勢。此外，智能傳感器系統(tǒng)正在提高自動化程度，提供更多的數(shù)據(jù)來監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程。例如包括電動汽車、新一代信息技術(IT)和電信、先進機器人和人工智能在內(nèi)的高科技產(chǎn)業(yè)，有了更先進的系統(tǒng)之后，就需要采用更先進的方法來確保系統(tǒng)的可靠性。
對機器人和旋轉機器（例如渦輪機、風扇、泵和電機）實施的基于狀態(tài)的監(jiān)控會記錄與機器的健康和性能相關的實時數(shù)據(jù)，以便有針對性地實施預測維護和優(yōu)化控制。在機器生命周期的 早期進行有針對性的預測維護，可以減少生產(chǎn)停機的風險，從而提高可靠性、顯著節(jié)約成本和提高工廠的生產(chǎn)率。
如何實施基于狀態(tài)的有線監(jiān)控解決方案？
要對工業(yè)機器實施基于狀態(tài)的監(jiān)控，可以利用一系列傳感器數(shù)據(jù)，如電氣測量、振動、溫度、油品質量、聲學和流程測量（如流量和壓力）。但是，振動測量是目前最常見的，因為它可以最可靠地指示出機械問題，例如不平衡和軸承故障。本文主要研究振動傳感的應用，但該方法同樣適用于來自其他傳感器的數(shù)據(jù)。
這種傳輸意味著將來自感測節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制器或者云高度依賴應用。在許多應用中，一些本地數(shù)據(jù)會在終端節(jié)點處理，匯總數(shù)據(jù)隨后通過無線方式發(fā)送至網(wǎng)絡網(wǎng)關，或者 直接通過蜂窩鏈路發(fā)送至云或分析服務器。在這些情況下，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量通常都相當?shù)停乙驗榻K端節(jié)點是由電池供電，所有通常要求保持低功耗。在其他應用中，需要進行原始傳感器數(shù)據(jù)傳輸。例如，在分析之前可能需要對來自多個傳感器的數(shù)據(jù)進行調(diào)整和融合。在使用數(shù)據(jù)進行實時控制的應用中，也需要進行原始數(shù)據(jù)傳輸。在這些應用中，更可能采用有線接口作為數(shù)據(jù)傳輸解決方案。
工業(yè)應用的 CbM 可以使用 ADI 經(jīng)過優(yōu)化的微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計、低功耗微控制器和有線 iCoupler? 隔離接口信號鏈來提取、調(diào)整來自遠程 CbM 從機的機器健康狀況數(shù)據(jù)，并將其可靠回傳至主控制器進行分析。隨著時間的推移，可以使用機器健康數(shù)據(jù)創(chuàng)建基于軟件的模型來確定機器行為的變化，并主動維護機器健康。在一些應用中，如數(shù)控機床，數(shù)據(jù)也可以用來實時優(yōu)化系統(tǒng)性能。
實現(xiàn)有線 CbM 接口的挑戰(zhàn)包括：在長電纜上運行時 EMC 的穩(wěn)健性、以高波特率傳輸時數(shù)據(jù)的完整性（用于實時傳輸 CbM 數(shù)據(jù)流），以及通信物理層 / 協(xié)議的不匹配。ADI 信號鏈和系統(tǒng)級專業(yè)知識為實現(xiàn)有線 CbM 接口提供了幾種可能的選擇。
有線 CbM 設計實現(xiàn)
設計和部署基于狀態(tài)的有線監(jiān)控解決方案需要考量多個系統(tǒng)性能因素，并進行權衡取舍。
首先，在選擇合適的 MEMS 加速度計時，必須考慮需要測量的故障類型，從而選擇合適的帶寬和噪聲性能 MEMS 來滿足系統(tǒng)的要求。邊緣節(jié)點處理需要仔細匹配所選的處理器，以確保最高的系統(tǒng)靈活性。
其次，有線 CbM 系統(tǒng)的設計需要精心選擇合適的有線通信協(xié)議和物理層，以實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)流傳輸。實現(xiàn)有線接口需要仔細考慮 EMC 性能、數(shù)據(jù)傳輸電纜、連接器和電纜上的電源傳輸。
選擇合適的 MEMS 加速度計
選擇合適的 MEMS 振動傳感器涵蓋幾個方面：
軸數(shù)
被監(jiān)測的軸數(shù)通常與故障類型和傳感器的安裝布置呈函數(shù)關系。如果能明顯看出故障涉及一個主導軸，并且在該軸上有一個清晰的傳輸路徑，那么采用單軸傳感器就足夠了。三軸傳感對 于多軸中包含能量的故障或故障能量傳輸路徑不明確的故障是有用的。
故障類型
被監(jiān)測的故障類型對傳感器選擇有重要影響。傳感器的噪聲密度和帶寬是這方面的重要指標，因為它們決定了能夠可靠提取的振動水平和頻率范圍。例如，對于低轉速機器的不平衡和失調(diào)故障，可能需要一個低噪聲密度傳感器，但帶寬要求相當?shù)停X輪故障檢測需要傳感器兼具低噪聲密度和高帶寬。
性能要求
除了故障類型外，了解 CbM 的性能要求也很重要。對基本交通燈類型的狀態(tài)指示器實施報警檢測，需要通過不同水平的性能來進行復雜的預測。這顯然適用于正在部署的分析和算法，但 也會影響傳感器的選擇。傳感器在帶寬、噪聲密度和線性度方面的性能水平越高，分析能力就越強。
選擇合適的信號處理
設計考量因素包括：
加速度計輸出
加速度計的輸出一般是模擬或串行數(shù)字信號，通常是 SPI。模擬輸出傳感器將需要一個數(shù)字轉換階段，也需要進行一些信號調(diào)理。這可以是一個支持前置放大器調(diào)理的分立 ADC，也可以是微控制器中的嵌入式 ADC。
邊緣節(jié)點處理要求
為了減輕數(shù)據(jù)鏈路和 / 或中央控制器 / 服務器的負擔，邊緣節(jié)點上可能需要一些基本的 FFT 或信號處理算法。
數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議要求
ADC 或傳感器的輸出通常是 SPI 接口。它本身并不提供任何機制用于實施數(shù)據(jù)完整性檢查、確定時間戳、混合來自不同傳感器的數(shù)據(jù)等。在傳輸之前，將傳感器數(shù)據(jù)封裝在邊緣節(jié)點的高級 協(xié)議中是非常有用的。這可以提高傳感器接口的穩(wěn)健性和靈活性，但是要求在邊緣節(jié)點上妥當處理和封裝數(shù)據(jù)流。
將加速度計輸出移植到有線通信總線
如前所述，加速度計的輸出一般是模擬或串行數(shù)字信號，通常是 SPI。SPI 輸出可以在本地處理（允許協(xié)議靈活性），然后添加到物理層接口，或者直接移植到物理層。
SPI 是一個不平衡的單端串行接口，用于短距離通信。要在更長的距離內(nèi)直接將 SPI 移植到物理層，需要使用 RS-485 線路驅動器和接收器。RS-485 信號傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾，且通過長線纜長度時具有穩(wěn)健性。
在 SPI 主機和從機之間的較長距離上使用 SPI 時，存在一些挑戰(zhàn)。SPI 從本質上是同步的，具有一個由 SPI 主機啟動的時鐘(SCLK)。SPI 數(shù)據(jù)線路——主機輸出從機輸入(MOSI)和主機輸入從機輸出(MISO)——與 SCLK 同步，在短距離范圍內(nèi)這是可以實現(xiàn)的。SPI 還有一個有效的、低使能芯片選擇(CS)信號，如果需要，它允許單獨的從機尋址。
在長電纜中傳輸時，SCLK 信號會在電纜中產(chǎn)生傳播延遲，100 米長的電纜會延遲 500 ns。對于 MOSI 數(shù)據(jù)傳輸，MOSI 和 SCLK 會被電纜延遲同等時間。然而，從從機 MISO 發(fā)送到主機的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)兩倍傳播延遲，因而不再同步。
為了恢復主機和從機之間的同步，可以將來自從機的時鐘信號反饋給主機，或者使用時鐘相移補償主控制器的電纜延遲。時鐘的相移必須與系統(tǒng)的總延遲匹配。AN-1397 提供主微控制器 延遲補償?shù)膶崿F(xiàn)細節(jié)。
有線通信物理層
進行長距離通信時，需要采用穩(wěn)健可靠的物理層。如前所述，RS-485 信號傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾。系統(tǒng)噪聲均等地耦合到 RS-485 雙絞線電纜中的每條導線。一個信號的發(fā)射與另一個信號相反，耦合到 RS-485 總線的電磁場彼此抵消。這降低了系統(tǒng)的電磁干擾(EMI)。讓 RS-485 非常適合 CbM 系統(tǒng)的一些額外關鍵優(yōu)點包括：
更高的數(shù)據(jù)速率，電纜長度較短（小于 100 米）時可達 50 Mbps
數(shù)據(jù)速率較低時，線纜長度可達 1000 米
全 / 半雙工 RS-485 和 RS-422 多驅動器 / 接收器對可以使用最小量的組件，將雙向 SPI 轉換為 RS-485 總線信號
較寬的共模輸入范圍允許主機和從機之間具備接地電位差異
有線接口的 EMC 性能
在長電纜中傳輸時，通信網(wǎng)絡可能會受到危害影響，例如較大的共模噪聲、接地電位差異和高壓瞬態(tài)。
傳導和輻射噪聲源可影響 100 米線纜長度內(nèi)的通信可靠性。采用 ADI iCoupler 芯片級變壓器隔離技術可以提高對這些噪聲源的抗干擾能力。AN-1398 概述了利用 iCoupler 技術可以實現(xiàn)的對常見工業(yè)瞬態(tài)的抵抗力。
共模瞬變抗擾度(CMTI)是隔離器抑制高壓 / 高壓擺率噪聲瞬態(tài)，并保持無誤差通信的能力。 信號和 isoPower?隔離器件 提供最低 25 kV/μs 的共模瞬變抗擾度，也可以在不造成永久閂鎖或損壞的情況下承受最大 100 kV/μs。
在工廠自動化環(huán)境中，系統(tǒng)設計人員通常無法控制提供通信網(wǎng)絡的電氣裝置。最好的做法是假定存在接地電位差異。在運動控制系統(tǒng)中，可能會產(chǎn)生數(shù)百伏的接地電位差異。RS-485 通信 節(jié)點需要電流隔離電源和數(shù)據(jù)線路能在這些環(huán)境中可靠地運行。信號和 isoPower 隔離器件提供峰值可達 600 V（基礎）或 353 V（增強型）的最大連續(xù)工作電壓。在存在較大接地電位差異的情況下，基礎絕緣支持實現(xiàn)可靠的通信。增強型絕緣保護操作人員免于在廠區(qū)受到電擊。
在有線通信網(wǎng)絡中，暴露在外的連接器和電纜可能遭受許多嚴苛的高壓瞬態(tài)影響。與變速電力驅動系統(tǒng)的 EMC 抗擾度要求相關的系統(tǒng)級 IEC 61800-3 標準，要求最低±4 kV（接觸）/±8 kV（空氣）的 IEC 61000-4-2 ESD 保護。ADI 新一代 RS-485 收發(fā)器 提供高于±8 kV（接觸）/±8 kV（空氣）IEC 61000-4-2 ESD 保護。
數(shù)據(jù)線路上的幻象電源
在主控制器和遠程 CbM 傳感器節(jié)點之間分配電力和數(shù)據(jù)線路需要采用創(chuàng)新的解決方案來降低電纜成本。將數(shù)據(jù)和電力線路融合在單一雙絞線上意味著可以大幅節(jié)省系統(tǒng)成本，以及可以在 空間有限的終端傳感器節(jié)點位置采用更小的印刷電路板(PCB)連接器解決方案。
功率和數(shù)據(jù)通過電感電容網(wǎng)絡分布在雙絞線對上。高頻數(shù)據(jù)通過串聯(lián)電容與數(shù)據(jù)線路耦合，同時保護 RS-485 收發(fā)器免受直流總線電壓影響。主控制器上的電源通過電感器連接到數(shù)據(jù)線路，然后使用電纜遠端的 CbM 從傳感器節(jié)點上的電感器進行濾波。
電纜兩端的電感應良好匹配，以避免產(chǎn)生差分模式噪聲，自諧振頻率應至少達到 10 MHz，避免對 ADI 新一代振動測量系統(tǒng)的實時突發(fā)模式產(chǎn)生干擾。注意，電源和數(shù)據(jù)耦合解決方案必須添加到不需要直流數(shù)據(jù)內(nèi)容的數(shù)據(jù)線路中，例如 MOSI 或 MISO 到 RS-485 的擴展件。
推薦的解決方案和性能取舍
基于所提出的設計考量，以下組件為穩(wěn)健的有線工業(yè)振動測量解決方案提供了最佳路徑。
ADcmXL3021, 寬帶寬、低噪聲、三軸振動傳感器
ADuM5401/ADuM5402, 四通道、2.5 kV 隔離器，采用集成 DC/DC 轉換器
ADM3066E, 50 Mbps 半雙工 RS-485 收發(fā)器
ADM4168E, 30 Mbps 雙通道 RS-422 收發(fā)器
LTC2858-1, 20 Mbps 全雙工 RS-485 收發(fā)器
ADP7104, 20 V、500 mA、低噪聲 CMOS LDO 穩(wěn)壓器
推薦解決方案
ADcmXL3021 MEMS 加速度計對于這三種解決方案都是通用的。這個加速度計具備超低噪聲密度(25 μg/√Hz，支持出色的分辨率。ADcmXL3021 也具備寬帶寬（從直流一直到 10 kHz，5%平坦度），可以跟蹤許多機器平臺上的關鍵振動特征。ADcmXL3021 為客戶提供一個經(jīng)過機械優(yōu)化的鋁封裝，可以在廣泛的頻率范圍內(nèi)提供與集成 MEMS 傳感器的穩(wěn)定耦合。這就保證了可以可靠提取和調(diào)理從受測設備獲得的振動特征。
ADcmXL3021 可以提供 SPI 輸出，可以直接與 RS-485/RS-422 器件連接，也可以通過微處理器和 / 或 iCoupler 信號和功率隔離與 RS-485/RS-422 器件連接，如圖 1 所示。為了實時監(jiān)測工業(yè)設備上的振動特征，ADcmXL3021 提供實時流傳輸模式，其工作速率約為 12 Mbps SPI。
圖 1. 實現(xiàn)可靠、高度集成、有線 MEMS 加速度計基于狀態(tài)監(jiān)測的解決方案的選項。
為了將實時流傳輸 SPI 模式連接到 RS-485 總線，必須選擇數(shù)據(jù)速率出色的組件。
對于圖 1 所示的選項 1 和選項 2（可以經(jīng)由 SPI 直接與 RS-485 連接），ADM3066E 和 ADM4168E 提供一個可靠的接口，在從機振動傳感器節(jié)點實現(xiàn) SPI 3 接收、1 發(fā)射(3+1)配置。SPI CS 接收信號 使用 ADM3066E、SPI CLK 和 MOSI 實現(xiàn)，MISO 信號使用 ADM4168E 實現(xiàn)。在實時流傳輸模式下運行時，ADcmXL3021 向主微控制器發(fā)送一個中斷信號，以在新數(shù)據(jù)突發(fā)可以捕獲時進行標記。中斷信號(/BUSY)也可以使用 ADM4168E 傳輸給主機。
完整的解決方案由主機發(fā)送至 ADcmXL3021 的三個信號（MOSI、CS、CLK），以及從 ADcmXL3021 發(fā)回主機的兩個信號（MISO、/BUSY）組成。5×單端信號僅用 ADM4168E 和 ADM3066E 兩個組件 就可以轉換為差分信號。差分信號可以使用 RJ50 連接器和插頭轉換，與工業(yè)標準 RJ45 以太網(wǎng)連接器相比，這兩者占用的 PCB 面積幾乎相同。ADM3066E 和 ADM4168E 收發(fā)器提供大于±8 kV 的 （接觸）/±8 kV（空氣）IEC 61000-4-2 ESD 保護，在直接連接到有線電纜接口時，提供必需的可靠性。
對于選項 3，微控制器可以預先處理 ADcmXL3021 SPI 輸出，也可以在 SPI 和其他串行接口（例如 UART）之間執(zhí)行協(xié)議轉換。UART 是 RS-485 接口常用的一種異步協(xié)議。UART 由發(fā)射和接收信號以 及發(fā)射使能信號組成，所有這些信號都可以直接連接到全雙工 RS-485 收發(fā)器，例如 LTC2858-1。在全雙工模式下，LTC2858-1 允許同時進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，這與 SPI 雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笙嗥ヅ?。該微控制器可以處理同?SPI 到異步 UART 協(xié)議的轉換。
ADuM5401/ADum5402 是業(yè)界體積最小的信號和電源隔離器件。它們包含一個集成式 DC/DC 轉換器，采用 5.0 V 或 3.3 V 電壓時（5.0V 輸入電源），可提供最高 500 mW 調(diào)節(jié)隔離功率。
在圖 1 中，選項 2 包含 ADuM5401，它從數(shù)據(jù)總線獲取 5 V DC，然后為 ADcmXL3021 提供 3 V 隔離電源。ADuM5401 還包括 4 個信號隔離通道，采用支持 3+1 SPI 隔離的配置。
圖 1 中的選項 3 包含 ADuM5402，它與 ADuM5401 相似。關鍵的區(qū)別在于 ADuM5402 提供 2 個發(fā)射和 2 個接收數(shù)字隔離通道。
如前所述，ADuM5401/ADuM5402 可以提高有線 CbM 接口的 EMC 抗擾度，保護 ADcmXL3021 免受 RS-485 電纜接口上的高壓干擾和接地電位差異。
性能取舍
表 1 使用許多關鍵指標比較了這三種解決方案，包括設計靈活性、PCB 面積、解決方案成本、復雜性和 EMC 性能。
表 1. CbM 選項之間的取舍比較
在 CbM 傳感器節(jié)點集成一個微控制器將增加設計的靈活性，但會增大 PCB 面積，且增加軟件復雜性。由于主 CbM 節(jié)點將配有一個處理器，這意味著圖 1 中的選項 3 本質上將是一個雙微控制器 系統(tǒng)，與主 CbM 節(jié)點上的單個微控制器相比，該系統(tǒng)的啟動和運行速度將更慢。
選項 1 和選項 2 的設計靈活性較低，但是提供了一種更快速部署的路徑，因為它們支持在 RS-485 鏈路上集成復雜度低且透明的 SPI。選項 1 和選項 2 還可以采用比選項 3 體積更小的 PCB，這需要額外的 PCB 區(qū)域來敷設微控制器和相關電路（例如，一個時鐘振蕩器和幾個無源組件）。
將 i 信號和電源隔離添加到選項 2 和選項 3 會占用最小的 PCB 面積，且可以提高 EMC 性能（超過使用 RS-485/RS-422 收發(fā)器的片內(nèi)保護可以實現(xiàn)的性能）。
數(shù)據(jù)速率較低的解決方案
對于以較低的數(shù)據(jù)速率（小于 2 Mbps）運行的有線應用， LTC4332SPI 擴展器提供了一種替代方案，用于加固主從傳感器節(jié)點之間的 SPI 鏈接。LTC4332 可以傳輸 SPI 數(shù)據(jù)，包括通過兩條雙絞線傳輸?shù)闹袛嘈盘?。該解決方案可以顯著節(jié)約成本，因為與標準解決方案相比，它最多可節(jié)省 50%的總線線纜。
圖 2. LTC4332 SPI 擴展接口幫助節(jié)省線纜成本。