【導(dǎo)讀】在工業(yè)應(yīng)用中，基于振動檢測的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控(CbM)越來越重要。公司尋求優(yōu)化機(jī)械壽命和性能并降低擁有成本，同時有些企業(yè)試圖圍繞此類信息的提供開發(fā)新的業(yè)務(wù)模式。為了準(zhǔn)確表示需要監(jiān)控的機(jī)械，必須收集大數(shù)據(jù)集以確定設(shè)備在正常工作模式下和故障情況下的基線工作點(diǎn)。一旦收集到這些數(shù)據(jù)，便可創(chuàng)建算法或閾值檢測例程來為該設(shè)備提供正確的分析。
電路功能與優(yōu)勢
在工業(yè)應(yīng)用中，基于振動檢測的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控(CbM)越來越重要。公司尋求優(yōu)化機(jī)械壽命和性能并降低擁有成本，同時有些企業(yè)試圖圍繞此類信息的提供開發(fā)新的業(yè)務(wù)模式。為了準(zhǔn)確表示需要監(jiān)控的機(jī)械，必須收集大數(shù)據(jù)集以確定設(shè)備在正常工作模式下和故障情況下的基線工作點(diǎn)。一旦收集到這些數(shù)據(jù)，便可創(chuàng)建算法或閾值檢測例程來為該設(shè)備提供正確的分析。
CbM需要捕獲全帶寬數(shù)據(jù)，以確保時域和頻域中的所有諧波、混疊及其他機(jī)械相互作用都得到考慮。這種數(shù)據(jù)收集需要高性能傳感器和數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)，以便向數(shù)據(jù)分析工具或應(yīng)用程序提供高保真度的實(shí)時數(shù)據(jù)。
使用成熟的工具（如MATLAB®）或基于Python的較新工具（如Tensorflow），可以大大簡化數(shù)據(jù)分析、機(jī)械性能分析和智能決策算法的創(chuàng)建。
由于有傳感器，振動檢測傳統(tǒng)上已在大多數(shù)CbM應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，分析背后的科學(xué)原理得到了更好的理解。集成電子壓電(IEPE)標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)今工業(yè)中普遍使用的高端微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)和壓電傳感器的流行信號接口標(biāo)準(zhǔn)。
圖1. CN-0549系統(tǒng)框圖
電路描述
振動分析
由于有傳感器，振動檢測傳統(tǒng)上已在大多數(shù)CbM應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，分析背后的科學(xué)原理得到了更好的理解。然而，如果需要分析一臺新設(shè)備，或者需要更好地了解特定使用情況如何影響設(shè)備，該怎么辦？為了獲得必要的洞察，首先需要了解機(jī)器在最優(yōu)條件下和在誘發(fā)故障的條件下工作的行為方式。圖2提供了一個例子，說明了在有振動源的情況下工作時頻譜的樣子。
圖2.振動源的頻譜示例
振動傳感器—IEPE接口
IEPE是當(dāng)今工業(yè)中普遍使用的高端壓電振動傳感器的流行接口標(biāo)準(zhǔn)。IEPE接口是2線信令標(biāo)準(zhǔn)，僅包含信號和接地。DAQ卡（如CN-0540）通過信號線為CN-0532振動傳感器提供電流，而電壓為任意電壓，通常在10 V到30 V之間。由于信號線由電流源供電，故而傳感器可以調(diào)制電壓軌上的加速度數(shù)據(jù)。因此，單根導(dǎo)線同時用于提供傳感器的電源和調(diào)制輸出電壓。
MEMS與壓電
壓電加速度計因其寬帶頻率響應(yīng)和對振動激勵的敏感性而在當(dāng)今的CbM市場上占主導(dǎo)地位。但是，MEMS技術(shù)的最新發(fā)展讓壓電和MEMS加速度傳感器之間的差距比以往任何時候都更小。
CN-0532 IEPE MEMS振動傳感器基于ADXL1002。噪聲和帶寬可與壓電傳感器媲美，同時ADXL1002在溫度靈敏度、直流至低頻響應(yīng)、相位響應(yīng)（因而群延遲）、抗沖擊性和沖擊恢復(fù)性方面具有優(yōu)異的性能。該傳感器的線性（±0.1%滿量程比(FSR)范圍內(nèi)）測量范圍為±50 g，足以支持各種振動應(yīng)用。有關(guān)ADXL1002及其在IEPE接口中如何使用的更多信息，請訪問CN-0532網(wǎng)頁。
當(dāng)使用CN -0549時，可以直接將壓電傳感器性能與基于MEMS的傳感器解決方案性能進(jìn)行比較。
機(jī)械傳感器安裝
CbM應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)是要在模擬和數(shù)字世界之間架起橋梁。從被監(jiān)測的機(jī)器獲取可靠的傳感器數(shù)據(jù)并送入處理器具有挑戰(zhàn)性。首先也是最重要的是，必須在傳感器和被監(jiān)測設(shè)備之間建立連接。一旦安裝到機(jī)器上，務(wù)必確保振動頻譜不會因安裝傳感器所引起的任何機(jī)械異常或影響而改變。
圖3. EVAL-XLMOUNT1和EVAL-CN0532-EBZ
EVAL-XLMOUNT1是一個五邊安裝立方體，允許用戶將CN-0532連接到一臺設(shè)備，而傳感器不會影響數(shù)據(jù)。EVAL-XLMOUNT1的設(shè)計和測試確保了機(jī)械安裝所引起的所有誤差源都被移除到20 kHz的頻率。另外還對安裝立方體進(jìn)行了陽極氧化處理，以在鋁表面上形成非導(dǎo)電層，防止短路。
數(shù)據(jù)采集—IEPE
典型的數(shù)據(jù)采集是直接獲取電壓和電流，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼。但是，IEPE接口不同，需要更特殊的DAQ板。DAQ板必須能夠以正確的電流和激勵電壓電平為傳感器供電，并且能夠回讀傳感器收集到的數(shù)據(jù)（其在相同激勵電壓上進(jìn)行調(diào)制）。
CN-0540是一款24位單通道DAQ系統(tǒng)，已針對與IEPE傳感器接口進(jìn)行了優(yōu)化（參見圖4）。該DAQ系統(tǒng)能夠為傳感器提供大約26 V的最大激勵電壓。 AD7768-1 ADC以256 KSPS采樣，這意味著每秒有6.144 Mbps的數(shù)據(jù)被送到處理器。 有關(guān)所用數(shù)據(jù)采集的更多詳細(xì)信息，請訪問CN-0540網(wǎng)頁。
現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)主機(jī)
CN-0540硬件的外形尺寸為標(biāo)準(zhǔn)Arduino®尺寸，因此任何能夠支持必要的數(shù)據(jù)速率、電氣引腳排列和Arduino尺寸的機(jī)械外形尺寸的處理系統(tǒng)都能支持CN-0540。它支持兩家主要FPGA制造商的開發(fā)系統(tǒng)，即Intel DE10-Nano片上系統(tǒng)(SoC)平臺和Xilinx Cora Z7-07S SoC平臺，并提供完整的參考設(shè)計。硬件設(shè)備語言(HDL)參考設(shè)計作為開源軟件提供。因此，根據(jù)客戶的偏好，這些設(shè)計可以輕松移植到其他平臺。有關(guān)HDL文件和文檔的更多信息，請訪問CN0540 HDL用戶指南頁面。
之所以明確選擇基于FPGA的SoC，是因為CN-0540可以產(chǎn)生大量的高精度數(shù)據(jù)。與CPU處理相比，F(xiàn)PGA邏輯能以低得多的功耗高效執(zhí)行固定處理，使得嵌入式ARM®有時間來執(zhí)行其他任務(wù)。
軟件架構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)
DE10-Nano和Cora Z7-07Ss SoC平臺均運(yùn)行Linux來連接和控制CN-0540。Linux通過ADI公司Kuiper Linux發(fā)行版提供，該發(fā)行版基于Raspbian，包括用于嵌入式開發(fā)和調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)軟件工具，例如標(biāo)準(zhǔn)編譯器，甚至有Python之類的解釋器。隨同此發(fā)行版提供的內(nèi)核包括控制CN-0540不同器件所需的驅(qū)動程序。
CN-0540的驅(qū)動程序在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核驅(qū)動框架中提供，該框架稱為工業(yè)輸入輸出(IIO)框架。IIO框架支持ADI公司及許多其他供應(yīng)商生產(chǎn)的產(chǎn)品，例如轉(zhuǎn)換器、放大器、傳感器和其他幾個器件。
圖4.CN-0540簡化功能框圖
底層控制
IIO驅(qū)動程序既能控制CN-0540，也能處理數(shù)據(jù)或緩沖區(qū)收集方面的任務(wù)。若要與最底層的驅(qū)動程序（包括寄存器訪問）接口，可以使用IIO庫(libIIO)。libIIO本身可以直接在SoC板上運(yùn)行代碼，或從主機(jī)PC遠(yuǎn)程運(yùn)行代碼，從而與驅(qū)動程序通信。它提供了一個用于調(diào)試IIO器件的標(biāo)準(zhǔn)圖形界面IIO-Oscilloscope。該工具標(biāo)配移動快速傅立葉變換(FFT)，允許用戶將傳感器帶寬內(nèi)發(fā)生的任何振動異常可視化，這樣即使不連接外部PC也能進(jìn)行基本的調(diào)試和分析。
IIO-Oscilloscope支持可定制插件以簡化與特定驅(qū)動程序集合的交互。CN-0540有一個特定插件來幫助通過校準(zhǔn)消除IEPE偏置誤差，并使電路的放大器增益最大化。此校準(zhǔn)一般可以通過IIO-Oscilloscope完成，但該插件使用戶的校準(zhǔn)過程更加簡單。
圖5.CN-0540 IIO-Oscilloscope插件圖形用戶界面
算法開發(fā)—MATLAB和Python
一旦通過IIO-Oscilloscope完成驗證，確認(rèn)系統(tǒng)運(yùn)行符合預(yù)期，用戶就可以遷移到其他用于數(shù)據(jù)分析的語言和工具的接口。CN-0540可以與C/C ++接口。但是，主要的工具集成是以Python和MATLAB提供的，目的是簡化工作流程，讓數(shù)據(jù)輕松進(jìn)入Python端的Tensorflow和PyTorch之類的框架，或進(jìn)入MATLAB的不同工具箱中。
CN-0540的Python支持通過pyadi-iio模塊提供。該模塊提供了易于使用的應(yīng)用程序編程接口(API)，適合數(shù)據(jù)科學(xué)家和算法開發(fā)人員使用。該模塊預(yù)裝了Kuiper Linux，也可以通過Python軟件包索引PyPI獲得。圖6是連接裝有ADXL1002的CN-0540并從中獲取數(shù)據(jù)的簡單示例。
圖6.CN-0540 Python示例
CN-0540的MATLAB支持通過Analog Devices Sensor Toolbox提供，這是一個獨(dú)立自足的工具箱，包含示例、接口類以及針對傳感器等硬件的目標(biāo)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。MATLAB接口類（如Python類）遵循一個通用API，該API基于MathWorks的歷史API。同Python一樣，接口類提供易于使用的API，適合數(shù)據(jù)科學(xué)家和算法開發(fā)人員使用。圖7是連接裝有ADXL1002的CN-0540并從中獲取數(shù)據(jù)的簡單示例。
圖7.CN-0540 MATLAB示例
該工具箱可直接從MATLAB的Addon Explorer或通過GitHub的安裝程序安裝。
常見變化
添加更多傳感器需要有更多DAQ通道可用。如需更多輸入通道，AD7768-4最多有4個通道，而AD7768最多有8個輸入通道可用。
如需不同帶寬或G值范圍的MEMS振動傳感器，可以使用ADXL1003、ADXL1004和ADXL1005 MEMS加速度計。
電路評估與測試
設(shè)備要求
需要以下設(shè)備：
•EVAL-CN0532-EBZ
•EVAL-CN0540-ARDZ
•EVAL-XLMOUNT1
•DE10-Nano FPGA開發(fā)板
•超小型 A (SMA)電纜
•高清多媒體接口(HDMI)電纜
•安裝有Kuiper Linux映像的16 GB MicroSD卡
•USB on the go (OTG)適配器
•帶有USB加密狗的無線鍵盤和鼠標(biāo)
系統(tǒng)設(shè)置
系統(tǒng)設(shè)置參見圖8。
圖8.CN-0540連接到裝有CN-0532傳感器的DE10-Nano
開始使用
以下是測試系統(tǒng)和啟動運(yùn)行所需的基本步驟。
1.使用Analog Devices Kuiper Linux網(wǎng)頁上的最新軟件映像來準(zhǔn)備microSD卡。（請注意，此步驟未在圖9中顯示。）
2.使用Arduino引腳連接器將CN-0540 DAQ板和DE10-Nano FPGA平臺連接在一起。
3.使用SMA連接器將CN-0532連接到CN-0540。請注意，CN-0532上沒有SMA連接器，因此請剪斷電纜并直接焊接至該板。
4.使用安裝模塊隨附的螺釘將CN-0532連接到EVAL-XLMOUNT1的一側(cè)。
5.在DE10-Nano上，插入microSD卡，連接USB OTG適配器，然后從監(jiān)視器插入HDMI電纜。
6.通過DE10-Nano評估套件隨附的5 V直流壁式電源為DE10-Nano供電。
圖9.CN-0540連接到帶外設(shè)的DE10-Nano
有關(guān)使用DE10-Nano或其他支持的平臺來使系統(tǒng)運(yùn)行的詳細(xì)步驟，請參閱CN0549用戶指南。
測試結(jié)果
請執(zhí)行以下步驟來測試系統(tǒng)：
1.使用EVAL-XLMOUNT1將CN-0532安裝到可編程振動源上。最好使用振動臺或等效設(shè)備。
2.打開CN-0540 IIO-Oscilloscope插件，校準(zhǔn)傳感器偏移并使用校準(zhǔn)例程寫入偏移電壓。
3.啟動振動源并創(chuàng)建2 kHz的振動音。
4.轉(zhuǎn)到IIO-Oscilloscope上的捕捉窗口，設(shè)置包含16384個樣本且進(jìn)行3樣本平均的頻域圖。
5.點(diǎn)擊Capture（捕捉）窗口中的Play（播放）按鈕（參見左上方）。
6.確保像預(yù)期一樣，頻譜中有2 kHz信號音。請注意，由于振動源或非理想機(jī)械附件，圖中可能會看到其他一些雜散信號。
圖10.使用CN-0532和CN-0540的IIO-Oscilloscope捕捉畫面
了解更多
CN0549設(shè)計支持包：https://www.analog.com/CN0549-DesignSupport
數(shù)據(jù)手冊和評估板
CN-0540參考設(shè)計板(EVAL-CN0540-ARDZ)
CN-0532參考設(shè)計板(EVAL-CN0532-EBZ)
MEMS機(jī)械安裝模塊(EVAL-XLMOUNT1)
DE10-Nano FPGA開發(fā)板
I2C指最初由Philips Semiconductors（現(xiàn)為NXP Semiconductors）開發(fā)的一種通信協(xié)議。
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