基于Cortex-M3的齒輪傳動軸損傷動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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)應力和扭矩等重要信息，一些關(guān)鍵設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]，感知局域強信號的變化。由于局域強信號距離信號發(fā)生源近，感知的信號強度遠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?，實現(xiàn)了監(jiān)測“零距離”局域強信號從箱體內(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機進行數(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1 MHz)，實現(xiàn)4路扭矩信號的采樣,精度達到12 bit，采樣頻率達到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)采集電路由應變元件和橋電路兩部分組成。采用精度很高的應變元件制成的復雜傳感器來測量形變，應變元件被放置在需要測量的基體之上，當基體受力發(fā)生應力變化時，應變元件會隨基體變化發(fā)生相應的物理形變，該形變會導致應變元件的阻值發(fā)生相應變化。通過惠斯通橋電路將應變元件阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。由于應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，為低功耗無線電應用而設計。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，當干擾嚴重時可導致 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，CC1101作為從機掛接在SPI總線上，LPC1768通過SPI接口對CC1101進行配置和數(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全速設備控制器,以DMA方式實現(xiàn)和PC機之間數(shù)據(jù)的傳輸。

3 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，根據(jù)不同的功能模塊設計相應的軟件，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)動和接口應用，整個下位機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TX FIFO中裝滿64 bit的數(shù)據(jù)后，CC1101將自動對數(shù)據(jù)進行打包并發(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)中斷服務程序會調(diào)用A/D采樣函數(shù)進行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)接收端軟件設計

設備與PC機的通信采用自定義的幀傳輸方式，命令幀通過LPC1768內(nèi)部USB設備控制器的邏輯端點1進行傳輸，數(shù)據(jù)幀通過邏輯端點2進行傳輸。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，如果接收到PC機發(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)動機的傳動軸在不同工況和轉(zhuǎn)速的條件下進行動態(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)進行改善。

本系統(tǒng)成功解決了某型汽車發(fā)動機傳動軸的扭振測試難題。實際測試結(jié)果證明該系統(tǒng)的設計思路和方法是成功的。本系統(tǒng)以關(guān)鍵傳動設備為研究對象，其方法、原理和技術(shù)可擴展到旋轉(zhuǎn)機械、往復機械等設備的故障預報，具有廣闊的應用前景。