《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM9和Linux的機(jī)械故障診斷儀的設(shè)計(jì)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
  張 偉, 周鳳星,, 嚴(yán)保康
(武漢科技大學(xué) 冶金自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心,, 湖北 武漢430081)
摘要: 針對(duì)機(jī)械早期故障的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于ARM9微處理器和Linux操作系統(tǒng)的便攜式機(jī)械故障診斷儀。數(shù)據(jù)采集模塊采用共振解調(diào)技術(shù)和24位高速A/D轉(zhuǎn)換器AD7760,,通過(guò)GPRS或以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸,。采用基于形態(tài)提升小波的自適應(yīng)多尺度算法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大、降噪,、自適應(yīng)多尺度濾波,提取出微弱的沖擊信號(hào),。通過(guò)故障軸承的實(shí)例分析,表明該診斷儀的診斷結(jié)果具有較高的可靠性,。
中圖分類(lèi)號(hào): TP216
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)08-0076-04
Design of mechanical fault diagnosis instrument based on ARM9 and Linux
Zhang Wei, Zhou Fengxing, Yan Baokang
Engineering Research Center of Ministry of Education of Metallurgical Automation and Detection Technology, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China
Abstract: A portable mechanical fault diagnosis instrument based on ARM9 and Linux was designed, according to the characteristics of mechanical early fault. Resonant demodulation technology and AD7760 that is 24 bits high speed A/D converter were designed in data acquisition module. The instrument transmits data to remote monitoring system by GPRS or Ethernet.Adaptive multi-scale filtering based on morphological lifting wavelet is introduced to amplify weak impulse and smooth the noise, and then the weak impulse could be extracted efficiently. High reliability of the diagnostic result has been proved by fault rolling bearing example.
Key words : S3C2440A; Linux; fault diagnosis; demodulated resonance; morphological lifting

  隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展,,企業(yè)對(duì)大型化、自動(dòng)化,、連續(xù)化的生產(chǎn)設(shè)備的依賴(lài)性與日俱增,。如何對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的管理以及如何對(duì)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(wèn)題[1],。

  目前在線(xiàn)設(shè)備故障診斷系統(tǒng)大多采用PC和采集卡的模式,通過(guò)PC軟件實(shí)時(shí)接收和處理采集卡傳來(lái)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(chǎng)工作環(huán)境惡劣的地方,。

  本文設(shè)計(jì)了基于ARM9 S3C2440A微處理器和Linux操作系統(tǒng)的便攜式點(diǎn)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(pán)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(hào),,識(shí)別出故障類(lèi)型。

1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

  1.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

 

001.jpg

  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)采用三星公司的16/32 位精簡(jiǎn)指令集(RISC)微處理器S3C2440A,,S3C2440A是基于ARM920T核心,ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA總線(xiàn)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(dú)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(hào)進(jìn)入獨(dú)立的信號(hào)調(diào)理電路,,根據(jù)需要選通多路開(kāi)關(guān),,調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)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(pán),交互界面提供了豐富的操作信息,,可顯示時(shí)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(chǔ)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(hào)調(diào)理電路

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  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(hào)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(shí)的微沖擊信號(hào);另外一路對(duì)常規(guī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大,、隔離,、低通濾波處理,,可以對(duì)設(shè)備中后期故障進(jìn)行預(yù)測(cè)。信號(hào)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(hào)特征是產(chǎn)生幅度很小,、寬度很窄的沖擊脈沖。脈沖信號(hào)自身包含無(wú)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(hào)經(jīng)過(guò)放大,,然后經(jīng)過(guò)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(guò)高通濾波器,濾掉低頻振動(dòng)信號(hào)及部分噪聲,,獲取信號(hào)中的高頻成分,,再經(jīng)過(guò)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(hào),通過(guò)上述的共振解調(diào)技術(shù)就可以實(shí)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(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、專(zhuān)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(guò)串口將AT指令發(fā)給MG323,,MG323將數(shù)據(jù)幀通過(guò)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(kāi)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(guò)該管腳輸出的脈沖信號(hào)來(lái)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(shí),還利用GSM網(wǎng)絡(luò)的SMS通信機(jī)制發(fā)送短信,,實(shí)現(xiàn)了與手機(jī)的聯(lián)動(dòng)告警和監(jiān)控,。

003.jpg

  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(diǎn),,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。

004.jpg

  1.4 單總線(xiàn)1-Wire技術(shù)

  一般被檢測(cè)設(shè)備較多,,且分布在不同的位置,,為了規(guī)范巡檢操作過(guò)程、提高效率和避免差錯(cuò),,采用了基于單總線(xiàn)技術(shù)的具有64位注冊(cè)碼的電子標(biāo)簽iButton DS1990R自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)點(diǎn),。為了防止設(shè)備故障點(diǎn)溫度過(guò)高,采用溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò),,采用串口接口轉(zhuǎn)換器DS2480B,DS2480B會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生精確的單總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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。

005.jpg

  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(shì),,2.5 MS/s時(shí)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(dòng)分析系統(tǒng)[5],。AD7760內(nèi)置用來(lái)驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)電壓的緩沖,、用于信號(hào)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,。

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2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  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(tái),在Linux環(huán)境下使用C和匯編語(yǔ)言編程,使用Qtopia2.2.0開(kāi)發(fā)了一套圖形界面,。嵌入式Linux操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)包括開(kāi)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(dòng)的開(kāi)發(fā),。

  2.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

  嵌入式開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)在于設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā),,Linux內(nèi)核雖然有85%的驅(qū)動(dòng)程序,但都是些常見(jiàn)的設(shè)備驅(qū)動(dòng),,對(duì)于用戶(hù)板載的非常見(jiàn)設(shè)備,,就需要自己編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)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(wèn)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(dòng)程序。接口函數(shù)集合在file_operations類(lèi)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(dòng)程序所提供的入口點(diǎn)位置,即函數(shù)跳轉(zhuǎn)表,。對(duì)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(shí)將會(huì)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(xiě),、控制設(shè)備時(shí),,驅(qū)動(dòng)程序的file_operations結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)成員就會(huì)被調(diào)用。因此編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序就是為具體硬件的file_operations結(jié)構(gòu)編寫(xiě)各個(gè)函數(shù),。

  AD7760的驅(qū)動(dòng)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(yè)面,按照面向操作對(duì)象的原則,,功能菜單以樹(shù)的形式展開(kāi)頁(yè)面,。主程序流程圖如圖7所示,圖7(b)是圖7(a)的E樹(shù)枝,。

007.jpg

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(duì)不同的故障信號(hào),小波基的選擇具有一定的難度,同時(shí)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(hào)的特點(diǎn)將微弱脈沖在一定程度上放大,減少低頻信號(hào)的干擾,,再利用自適應(yīng)多尺度濾波對(duì)沖擊進(jìn)行匹配,,這樣提取脈沖信號(hào)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RT%7%G)ZU%]D93N0{@3])MG.jpgs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:

  D@`$8XRH11_$}$V0PU`}76P.png

  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(shí),會(huì)產(chǎn)生突變的沖擊信號(hào),其數(shù)學(xué)模型如下:

  GP]8YP(G%%V(~KZOY~2BDQH.png

  其中,P2VSMEY6_9O%U%FB~IM`RE5.png,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(hào)fg(n)為:

  {JD1$G})A}O]FYGH}N{9T0D.png

  其中,,sk為第k個(gè)尺度,wk為權(quán)重函數(shù),。

4 實(shí)例分析

  為驗(yàn)證診斷儀在實(shí)際應(yīng)用中的效果,,采用實(shí)驗(yàn)室故障診斷平臺(tái)中的軸承作為故障信號(hào)來(lái)源,,軸承節(jié)徑為39.5 mm,,滾動(dòng)體直徑為7.5 mm,滾動(dòng)體個(gè)數(shù)為12個(gè),,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(jì)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(shí)域波形和頻譜圖,從頻譜圖可以明顯看到故障信號(hào)72.63 Hz,,這與計(jì)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(shí)驗(yàn)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(hào),,準(zhǔn)確判斷機(jī)械的故障類(lèi)型,。

  本文將ARM和嵌入式Linux操作系統(tǒng)應(yīng)用于便攜式點(diǎn)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(shí)時(shí)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(mǎn)足了高可靠性,、批量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(hào),,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(hào)先驗(yàn)知識(shí)的限制,。故障實(shí)例分析很好地證明了該診斷儀對(duì)故障信號(hào)提取的有效性,。

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