摘  要： 針對傳統(tǒng)的齒輪傳動軸監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的局限性,，提出了在封閉小體積環(huán)境下局域強(qiáng)信號的采集與傳輸機(jī)制,。詳細(xì)論述了系統(tǒng)的工作原理、硬件及軟件設(shè)計,，給出了系統(tǒng)的測試結(jié)果,。該系統(tǒng)已經(jīng)成功用于某型汽車發(fā)動機(jī)傳動軸損傷動態(tài)監(jiān)測，對齒輪傳動系統(tǒng)的損傷動態(tài)監(jiān)測起到了巨大的推動作用,。
關(guān)鍵詞： Cortex-M3,； 局域強(qiáng)信號； 齒輪傳動軸,； 動態(tài)監(jiān)測

    傳統(tǒng)的齒輪傳動軸監(jiān)測與診斷系統(tǒng)一般是將用于分析和監(jiān)測的加速度等傳感器安裝在齒輪箱的軸承座上,，采用廣域信號進(jìn)行診斷與分析。如果僅是簡單將現(xiàn)有傳感器安裝在大功率小體積的重要裝備齒輪箱中,，不僅加速度,、溫度和應(yīng)變等傳感器安裝困難，而且所測信號很難向外傳輸,。因此,，無法實時獲取齒輪和軸承實際工況條件下的真實動態(tài)應(yīng)力和扭矩等重要信息，一些關(guān)鍵設(shè)備的齒輪傳動軸的實時動態(tài)監(jiān)測就無法有效實現(xiàn),。
　本文為解決上述問題,，創(chuàng)新性地提出了“局域強(qiáng)信號”新概念，將傳感器直接安裝在所需檢測和監(jiān)測的位置[1],，感知局域強(qiáng)信號的變化,。由于局域強(qiáng)信號距離信號發(fā)生源近，感知的信號強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他位置測取的信號,，故信號可靠度與可信度高,，從而大幅度提高齒輪傳動系統(tǒng)損傷動態(tài)監(jiān)測與判斷的成功率。突破了傳統(tǒng)廣域信號在箱體外采集信號與數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒扌裕瑢崿F(xiàn)了監(jiān)測“零距離”局域強(qiáng)信號從箱體內(nèi)部向箱體外部的高速和低誤碼率的傳輸,，具有鮮明的“零距離接觸”特色,，是本系統(tǒng)的重要創(chuàng)新點。
1 損傷動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理
　本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端兩部分構(gòu)成,。數(shù)據(jù)采集端以LPC1768微控制器為控制核心,，包括前端數(shù)據(jù)采集電路、信號調(diào)理電路（放大和濾波）,、RF發(fā)射模塊和電源電路,。數(shù)據(jù)接收端包括LPC1768微處理器、數(shù)據(jù)存儲電路,、RF接收模塊和電源電路,。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　本系統(tǒng)采用無線RF方式傳輸數(shù)據(jù),。在數(shù)據(jù)采集端,，首先由前端數(shù)據(jù)采集電路測得與扭矩成正比的電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路處理后送入LPC1768微控制器進(jìn)行A/D變換,，最后通過RF發(fā)射模塊將經(jīng)過MSK調(diào)制過后的數(shù)字信號通過天線發(fā)射出去,。在數(shù)據(jù)接收端，通過LPC1768微控制器的控制,，將RF接收模塊接收到的數(shù)據(jù)通過USB接口實時傳入PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,，同時將接收數(shù)據(jù)存入外部存儲器。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    采用NXP公司的基于第二代ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器LPC1768作為系統(tǒng)的核心單元,。通過LPC1768內(nèi)部ADC(轉(zhuǎn)換頻率高達(dá)1 MHz),，實現(xiàn)4路扭矩信號的采樣,精度達(dá)到12 bit，采樣頻率達(dá)到4 kHz,。LPC1768通過控制CC1101實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā),控制NAND Flash實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲,，控制內(nèi)部USB設(shè)備控制器實現(xiàn)與PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能,，同時保證了系統(tǒng)在體積,、功耗、性能上的最優(yōu)化,。

2.1 前端數(shù)據(jù)采集電路
　數(shù)據(jù)采集電路由應(yīng)變元件和橋電路兩部分組成,。采用精度很高的應(yīng)變元件制成的復(fù)雜傳感器來測量形變，應(yīng)變元件被放置在需要測量的基體之上,，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時,，應(yīng)變元件會隨基體變化發(fā)生相應(yīng)的物理形變，該形變會導(dǎo)致應(yīng)變元件的阻值發(fā)生相應(yīng)變化,。通過惠斯通橋電路將應(yīng)變元件阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化,。由于應(yīng)變片粘貼過后會存在阻值上的偏差,，并且另外3個橋臂電阻阻值存在誤差，故惠斯通橋電路在測量開始前很難保證精確平衡,，本系統(tǒng)在橋電路中加入數(shù)字電位器,，通過程序控制，保證電橋在測量開始前零點精確平衡并且在測量過程中不出現(xiàn)零漂,。前端采集電路如圖2所示,。

2.2 信號調(diào)理電路
　 經(jīng)由橋電路采集輸出的信號具有較小的差模信號(幾毫伏)和較大的共模信號(幾伏)，需要放大電路具有很高的共模抑制比,、高增益,、低噪聲和高輸入阻抗[2],。本系統(tǒng)采用ADI公司的AD8221儀表放大器來放大橋電路的輸出信號,。AD8221是一款增益可編程的高性能儀表放大器，低電壓失調(diào),、低失調(diào)漂移,、低增益漂移、高增益精度和高共模抑制比特性,，使AD8221成為橋式信號調(diào)理的絕佳選擇,。AD8221采用±5 V供電，通過一只外部電阻設(shè)置增益(1~1 000),，參考電壓VREF由雙通道Rail-to-Rail放大器AD8032精確提供,。圖3中電容C318起到旁路電壓噪聲、提高電路的抗干擾性能作用,。通過增益和VERF的調(diào)節(jié),，可將AD8221的輸出電壓控制在0~3.3 V之間，滿足ADC輸入電壓范圍,。圖中輸出端的電阻R504,、R508和電容C504、C510組成RC濾波電路,，可濾除高頻干擾信號,。

2.3 RF發(fā)射和接收模塊
　CC1101是Chipcon公司一款高性價比單片UHF收發(fā)器，為低功耗無線電應(yīng)用而設(shè)計,。具有體積小,、接收靈敏度高、傳輸速度快,、工作電壓范圍寬,、功耗低及輸出功率高等特點，同時擁有卓越的數(shù)據(jù)包處理能力,、自動的前向糾錯,、CRC校驗,、交織以及白化等功能[3]。
　RF電路對電源噪聲干擾十分敏感,，尤其是高次諧波和電壓毛刺,，當(dāng)干擾嚴(yán)重時可導(dǎo)致 RF器件無法正常工作。因此,，本系統(tǒng)對RF收發(fā)電路單獨制版,，并用金屬罩對其進(jìn)行電磁屏蔽，同時電源部分加上耦合電路,，以保證RF收發(fā)模塊可靠工作,。RF發(fā)射和接收模塊如圖4所示。CC1101與LPC1768之間的通信采用SPI總線接口實現(xiàn),，CSN(片選),、SCLK(串行時鐘)、SO(串行輸出),、SI(串行輸入)分別與LPC1768的P0.6,、P0.7、P0.8和P0.9引腳相連,。LPC1768作為主機(jī),，CC1101作為從機(jī)掛接在SPI總線上，LPC1768通過SPI接口對CC1101進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)交互,。另外,，GDO0引腳與LPC1768的P0.4引腳相連，用于指示是否已完整地接收或發(fā)送了一個數(shù)據(jù)包,，它可作為LPC1768的外部中斷源信號,。C607、C608,、C609,、L600和L601組成了一個非平衡變壓器，用于在差分信號和單端RF信號之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，C613,、C615、C616,、L602和L603組成了一個LC濾波器,，它與非平衡變壓器一起實現(xiàn)與50 Ω的天線相匹。

2.4 數(shù)據(jù)存儲和傳輸
　本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計選用三星公司的K9NBG08U5A NandFlash芯片實現(xiàn),。容量為2 GB,讀寫速度極快,；I/O引腳為地址、數(shù)據(jù),、命令總線復(fù)用,；內(nèi)部為每一頁留有多余字節(jié)空間,可用作ECC校驗數(shù)據(jù)的存放[4],。
　由于USB具有熱插拔、傳輸速度快和攜帶方便等優(yōu)點,非常適合用于嵌入式系統(tǒng)中,。本系統(tǒng)采用LPC1768內(nèi)嵌的USB2.0全速設(shè)備控制器,以DMA方式實現(xiàn)和PC機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳輸,。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
　系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，根據(jù)不同的功能模塊設(shè)計相應(yīng)的軟件,，這樣系統(tǒng)有很好的裁剪性,。每個模塊軟件驅(qū)動分為底層驅(qū)動和接口應(yīng)用，整個下位機(jī)軟件采用前后臺系統(tǒng)實現(xiàn)[5],。
3.1數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計
　數(shù)據(jù)采集端軟件主要實現(xiàn)扭矩采集,，通信時需注意A/D采樣速率和CC1101發(fā)送速率的匹配。CC1101以包為單位收發(fā)數(shù)據(jù),，當(dāng)TX FIFO中裝滿64 bit的數(shù)據(jù)后,，CC1101將自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并發(fā)送，經(jīng)實驗測得本系統(tǒng)CC1101完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送需近2 ms的時間,，所以要求在2 ms時間內(nèi)將A/D采集的數(shù)據(jù)存入CC1101的TX FIFO中,，以便實時發(fā)送,。通過定時器每隔0.25 ms產(chǎn)生一次中斷（從而實現(xiàn)4 kHz的采樣頻率）,，相關(guān)中斷服務(wù)程序會調(diào)用A/D采樣函數(shù)進(jìn)行4路通道采樣，因為每一路模擬信號被量化為12 bit,，所以用2 B存儲一路的采樣結(jié)果,，則每2 ms獲得64 bit(正好是CC1101的TX FIFO大小)數(shù)據(jù)送入CC1101的TX FIFO進(jìn)行發(fā)送，從而實現(xiàn)了A/D采樣速率和CC1101發(fā)送速率的最佳匹配,。數(shù)據(jù)采集端軟件流程如圖5所示,。
3.2數(shù)據(jù)接收端軟件設(shè)計
    設(shè)備與PC機(jī)的通信采用自定義的幀傳輸方式，命令幀通過LPC1768內(nèi)部USB設(shè)備控制器的邏輯端點1進(jìn)行傳輸,，數(shù)據(jù)幀通過邏輯端點2進(jìn)行傳輸,。接收端每隔2 ms接收一次采集端傳來的64 B數(shù)據(jù)并將其存入外部存儲器中，如果接收到PC機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)讀取幀,，則實時地將數(shù)據(jù)通過USB接口傳入PC機(jī),，如果接收到PC機(jī)發(fā)送來的讀取停止幀，則停止向PC傳數(shù),。數(shù)據(jù)接收端軟件流程如圖6所示,。

4 測試結(jié)果與分析
　使用本系統(tǒng)對某型汽車發(fā)動機(jī)的傳動軸在不同工況和轉(zhuǎn)速的條件下進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，測試結(jié)果如圖7,、圖8所示,。在工況1和工況2中，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加,，輸出扭矩增大,，分別在3 500 r/m和3 000 r/m時達(dá)到最大,，隨后輸出扭矩迅速減小，說明傳動軸在轉(zhuǎn)動過程中存在明顯的共振現(xiàn)象,，需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善,。

　本系統(tǒng)成功解決了某型汽車發(fā)動機(jī)傳動軸的扭振測試難題。實際測試結(jié)果證明該系統(tǒng)的設(shè)計思路和方法是成功的,。本系統(tǒng)以關(guān)鍵傳動設(shè)備為研究對象,，其方法、原理和技術(shù)可擴(kuò)展到旋轉(zhuǎn)機(jī)械,、往復(fù)機(jī)械等設(shè)備的故障預(yù)報,，具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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