李夏青，張仁杰，陳雷亮，黎劍華

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

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基于LabVIEW的無線信號(hào)采集與分析系統(tǒng)

李夏青，張仁杰，陳雷亮，黎劍華

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中葉片損傷難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)與分析系統(tǒng)。系統(tǒng)包括加速度傳感器信號(hào)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、無線通信模塊、MSP430單片機(jī)控制模塊，利用LabVIEW軟件平臺(tái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與處理。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能對(duì)發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，發(fā)現(xiàn)葉片是否存在缺陷，在滿足設(shè)計(jì)要求同時(shí)使設(shè)備小型化。

無線通信；低功耗；MSP430；LabVIEW

由于一次性能源的大量使用，全球環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重[1]。風(fēng)力發(fā)電因沒有燃料問題，不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染，并可循環(huán)利用，因此，而被廣泛應(yīng)用[2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備經(jīng)常會(huì)因復(fù)雜的工況條件受到破損或者發(fā)生事故[3]。風(fēng)機(jī)葉片在運(yùn)行過程中受到外界作用力產(chǎn)生形變，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，最終葉片會(huì)出現(xiàn)裂紋[4]。葉片損壞會(huì)影響到正常工作運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失。葉片開始出現(xiàn)裂紋時(shí)，用肉眼難以觀察到，葉片安裝位置通常較高，給檢查帶來不便[5]。因此為了保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片振動(dòng)過程中出現(xiàn)的損傷[6]。本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片振動(dòng)檢測(cè)裝置，考慮到風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)過程中采集振動(dòng)信號(hào)不方便傳輸，本文將無線傳輸裝置和LabVIEW上位機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)相結(jié)合，能實(shí)時(shí)便捷地觀察到風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)[7]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

本文研究的對(duì)象是風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。首先對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件裝置需要固定在旋轉(zhuǎn)的葉片上，傳統(tǒng)的信號(hào)采集裝置無法滿足工作要求[8]，本系統(tǒng)采用無線通信模式，將模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)采用LabVIEW軟件，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號(hào)分析等。正常情況下，裝置處于休眠模式。工作時(shí)，上位機(jī)通過LabVIEW發(fā)送信號(hào)采集命令，單片機(jī)接收到上位機(jī)的命令后，從低功耗模式中被喚醒，開始信號(hào)采集。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

裝置采用低功耗設(shè)計(jì)模式，使用MSP430系列單片機(jī)作為主控芯片。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 單片機(jī)和A/D模塊

MSP430 系列的單片機(jī)是具有16位總線的超低能耗單片機(jī)，工作電壓一般在1.8～3.6 V之間，通常供電使用3.3 V[9]。低功耗模式時(shí)耗電量為0.1 μA，正常工作模式下耗電250 pA/MIPS。MSP430時(shí)鐘系統(tǒng)一般有基礎(chǔ)時(shí)鐘系統(tǒng)和DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)兩種。MSP430單片機(jī)有一種正常工作狀態(tài)和5 種低功耗狀態(tài)(LPM0～LPM4)，可通過矢量的方法去觸發(fā)系統(tǒng)中斷，且單片機(jī)片內(nèi)有10幾個(gè)中斷源可供選擇，各中斷相互搭配使用，通過中斷觸發(fā)發(fā)送請(qǐng)求命令喚醒CPU只需6 ps。

傳感器將采集到的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，需要把電信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才能被MSP430處理。MSP430帶有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC12，可實(shí)現(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換[10]。MSP430單片機(jī)通過定時(shí)器中斷采樣，采樣率可通過定時(shí)器來確定，代碼如下：

void Init_TimerA() //定時(shí)器A設(shè)置

{

TACTL |= TASSEL0 + TACLR;

//選擇輔助時(shí)鐘ACLK為時(shí)鐘源

CCTL0 =CCIE; //CCRO中斷允許

CCR0 = 33;//時(shí)間間隔為1 ms周期，采樣率1 kHz

TACTL |= MC0; //增計(jì)數(shù)模式，開始計(jì)數(shù)

return;

}

2.2 傳感器

在振動(dòng)檢測(cè)中，信號(hào)數(shù)據(jù)由加速度傳感器采集到的。加速度傳感器安裝在葉片表面上，要求裝置質(zhì)量輕并采用鋰電池供電。葉片的振動(dòng)加速度范圍在0.01g～1g(1g=9.81 m/s2)，要求傳感器的靈敏度至少為500 mV/g。

LIS344ALH是意法半導(dǎo)體一款高性能微機(jī)電系統(tǒng)加速度傳感器，包括一個(gè)傳感元件和一個(gè)集成電路接口，能將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)。LIS344ALH的靈敏度為660 mV/g，測(cè)量加速度范圍為0～6 g，頻率響應(yīng)范圍為0.2 Hz～6 kHz，質(zhì)量是0.04 g，采用鋰電池供電。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

LIS344ALH加速度傳感器轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號(hào)微弱，并伴隨著直流信號(hào)、噪聲等干擾信號(hào)。為提高采樣的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)A/D采集前，將電壓信號(hào)放大并濾除掉噪聲等干擾信號(hào)。

濾波電路如圖3所示。電阻R2、R3，電容C4、C5與運(yùn)算放大TL084組成二階有源低通濾波器，起到抗混疊作用。將該濾波器的上截止頻率設(shè)定在

則f0=79 Hz，低通濾波器的截止頻率設(shè)定在80 Hz，保留有用信號(hào)同時(shí)濾掉高頻干擾成分。

圖3 濾波電路

采用的低功耗運(yùn)算放大器AD627完成信號(hào)放大[11]，AD627可提供單電源供電，工作過程中最大損耗只有85 μA。由芯片手冊(cè)可知，Gain=5+(200 kΩ/RG)，R1=33 kΩ，放大倍數(shù)約為11倍。LIS344ALH加速度傳感器在零加速度的情況下會(huì)產(chǎn)生VCC/2的直流電壓，應(yīng)在輸出電壓中減去VCC/2，輸出電壓直接反映了加速度的數(shù)值。

圖4 放大電路

2.4 電壓調(diào)整及控制模塊

此模塊負(fù)責(zé)給各個(gè)電路提供電源。將鋰電池電壓穩(wěn)定在3.3 V，一路輸出為Vout供CPU及無線通信模塊使用，另一路VCC供振動(dòng)加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)電平位移電路使用。為減少功率損耗，Vout始終供電，而VCC在進(jìn)入測(cè)量后由CPU控制命令開啟，這樣可以延長(zhǎng)裝置的使用壽命。

圖5 電源調(diào)整及控制原理圖

2.5 無線通信模塊

采用SV610無線模塊作為上、下位機(jī)的無線通信模塊。SV610是一款具有高集成的無線信號(hào)收發(fā)模塊，空間結(jié)構(gòu)小巧、靈敏度高、功耗低，輸出功率達(dá)100 mW以上，在業(yè)界處于領(lǐng)先地位。模塊有多個(gè)頻段、信道和網(wǎng)絡(luò)ID可供選擇，增加了信號(hào)傳輸性能，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)到幾千米?？赏ㄟ^控制上位機(jī)軟件或者在線的方式去重置端口和射頻的相關(guān)參數(shù)。工作頻段選為433 MHz，工作電壓為2.8～ 6.0 V ，由鋰電池直接供電。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)LabVIEW軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，整體構(gòu)架主要包括串口通訊、參數(shù)圖形化顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信號(hào)分析與顯示。

3.1 串口通訊

LabVIEW提供了完善的串口通訊模塊[12]，在上位機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)只需要設(shè)置VISA的相關(guān)參數(shù)即可完成與下位機(jī)的通信，包括VISA參數(shù)配置、VISA讀取、VISA寫入、VISA關(guān)閉等。采用該方式設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：每個(gè)函數(shù)開始接收一個(gè)端口號(hào)，結(jié)束后輸出一個(gè)其復(fù)制的口號(hào)，這樣在設(shè)計(jì)中就不會(huì)出現(xiàn)對(duì)于一個(gè)端口有遺忘或重復(fù)的操作。

串口通訊程序波特率為9 600 bit·s-1， 8個(gè)數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位，1個(gè)停止位。下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)格式是十六進(jìn)制的ASCII形式，需要將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)字形式代能保存并顯示，可以通過Extract Number轉(zhuǎn)換成為數(shù)字形式。

3.2 參數(shù)圖形化顯示

專門建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫，保存輸入的風(fēng)機(jī)基本參數(shù)，方便數(shù)據(jù)的查詢調(diào)用，數(shù)據(jù)庫依據(jù)時(shí)間排序來保存本次數(shù)據(jù)參數(shù)。將系統(tǒng)的當(dāng)前獲取時(shí)間放入表中作為存儲(chǔ)順序，這樣只需輸入時(shí)間便可調(diào)出該時(shí)間段的所有數(shù)據(jù)[13]。

如圖6所示，參數(shù)設(shè)置主要記錄本次實(shí)驗(yàn)的基本信息，包括傳感器安裝位置、模擬失效類型、葉片長(zhǎng)度、葉片安裝角度、葉片質(zhì)量、葉片旋轉(zhuǎn)速度以及葉片質(zhì)量分布等[14]。其中兩個(gè)選項(xiàng)采用復(fù)選框的格式：傳感器安裝位置設(shè)了葉尖部位、葉中部位和葉根部位3個(gè)選項(xiàng)；模擬失效類型用戶可自身設(shè)置。其他均采用文本輸入格式。輸入本次實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)，點(diǎn)擊<確定>，就會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集主界面。

圖6 風(fēng)機(jī)參數(shù)錄入

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

使用NI公司提供的LabVIEW SQL Toolkit進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問，采用微軟的Access創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。

首先創(chuàng)建一個(gè)文件夾，命名shujuku，在文件夾下創(chuàng)建一個(gè)shujucunchu.accdb數(shù)據(jù)庫文件，然后采用DSN連接數(shù)據(jù)庫。連接完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的搭建。為了直觀驗(yàn)證波形數(shù)據(jù)的正確性，將波形數(shù)據(jù)完整保存，同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)波形的圖片，存儲(chǔ)順序是按系統(tǒng)的時(shí)間來存儲(chǔ)。用戶只需要根據(jù)時(shí)間便可找出該時(shí)間段的所有數(shù)據(jù)，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的讀取。波形數(shù)據(jù)與參數(shù)設(shè)置都放在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，建立兩個(gè)表來存儲(chǔ)，與之前的參數(shù)設(shè)置匹配。圖7所示為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的程序框圖。

圖7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)框圖

3.4 信號(hào)分析模塊

獲取的信號(hào)往往含有多種頻域成分，為了利于信號(hào)的進(jìn)一步處理與分析，將其中需要的頻率成分提取出來，將不需要的頻率成分衰減掉。信號(hào)采集需要較好的高頻衰減特性，選用巴特沃斯濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

時(shí)域測(cè)量模塊調(diào)用信號(hào)源選擇模塊的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)量，本模塊主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的周期平均值、周期均方根、正反峰以及均方根等參數(shù)測(cè)量。通過時(shí)域分析對(duì)設(shè)備故障給出簡(jiǎn)單診斷，如設(shè)備運(yùn)行中有異常發(fā)生，時(shí)域信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng)。將時(shí)域信號(hào)變換成頻域信號(hào)稱為頻譜分析，頻譜分析模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的FFT，通過頻譜分析可得到信號(hào)的幅值譜和相位譜，可進(jìn)一步觀察信號(hào)狀態(tài)。

4 測(cè)試結(jié)果分析

葉片振動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)分為無損傷葉片振動(dòng)檢測(cè)和有損傷葉片振動(dòng)檢測(cè)[15]，將振動(dòng)結(jié)果進(jìn)行比較。正常風(fēng)機(jī)葉片的時(shí)域波形以隨機(jī)信號(hào)為主，伴有一定的調(diào)幅現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)葉片設(shè)計(jì)材料為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，葉片頻域上的第一峰值約在16 Hz，第二個(gè)峰值約在45 Hz[16]。從圖8(a)時(shí)域圖難以看出正常振動(dòng)信號(hào)的特征，通過信號(hào)的頻譜圖可知，第一峰值在17 Hz左右，第二峰值約在46 Hz，與理論值上的值極為接近，證明檢測(cè)裝置是可靠的。

實(shí)驗(yàn)以葉片裂紋為研究對(duì)象，采用兩個(gè)同型號(hào)的葉片進(jìn)行模擬裂紋實(shí)驗(yàn)，用切割方式分別在距離葉根部位1/4和3/4處切割裂紋。從圖8中可得，損傷葉片與正常葉片振動(dòng)信號(hào)之間差別較小，但損傷葉片比正常葉片振幅大。損傷葉片頻譜圖中的峰值所在的頻率段與正常葉片相比有明顯減小。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的時(shí)域、頻域波形圖

通過實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)葉片出現(xiàn)裂紋時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片時(shí)域波形有一定的變化，通常這種變化并不明顯，而在頻域內(nèi)的峰值出現(xiàn)明顯的變化。缺陷的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片的剛度減小，造成葉片的振動(dòng)頻率降低。所以當(dāng)葉片振動(dòng)的振幅發(fā)生變化時(shí)，葉片可能出現(xiàn)異常情況，再查看葉片振動(dòng)的頻域信號(hào)，如果頻域中的峰值出現(xiàn)明顯變化，則可以判定葉片產(chǎn)生缺陷。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)操作簡(jiǎn)單、功能齊全的風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。其采用低功耗的MSP430微處理器，使得硬件運(yùn)算速度快，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。無線傳輸裝置克服了振動(dòng)信號(hào)通過有線方式傳輸困難的問題。LabVIEW圖形化編程軟件成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的采集與分析功能。

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Wireless Signal Acquisition and Analysis System Based on LabVIEW

LI Xiaqing，ZHANG Renjie，CHEN Leiliang，LI Jianhua

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Considering blade damage difficult be discovered during the operation of the wind turbine, a fan blade vibration signal detection and analysis system was designed in this paper. The system includes acceleration sensor signal acquisition module, signal conditioning module, wireless communication module and MSP430 MCU control module, using LabVIEW software platform for signal analysis and processing. Tests show that the system can analyze the vibration signal in real time, and find out whether there are defects in the blades, thus meeting the design requirements and miniaturizing equipment.

wireless communication; low-power consumption; MSP430 microcontroller; LabVIEW

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.010

2016- 02- 04

李夏青(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：測(cè)試信息獲取與處理。

TN92；TM614

A

1007-7820(2016)12-033-04