史文武，崔建峰，賀紹琪，申 飛，杜紅棉

(中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，太原 030051)

隨著科學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械在大型設(shè)備中占有越來越重要的地位[1],其健康程度將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作性能產(chǎn)生極大的影響,甚至?xí)P(guān)系到生產(chǎn)過程中的安全性[2]。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況,分析其運(yùn)行過程中的振動(dòng)信號(hào),根據(jù)振動(dòng)信號(hào)某些特征變化來判定機(jī)械健康[3]狀況,對(duì)于提高生產(chǎn)效率和減少重大安全事故具有積極的意義[4]。

文獻(xiàn)[5-7]中振動(dòng)信號(hào)通過RS485、RS232和CAN總線傳輸存在布線繁瑣、維護(hù)性差[8]等問題。文獻(xiàn)[9]中使用藍(lán)牙傳輸方案存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、通信距離近等問題。文獻(xiàn)[10]中使用Zigbee傳輸存在通信速率低、大批量數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)傳輸需經(jīng)基站轉(zhuǎn)換等問題。此外，旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)離線監(jiān)測(cè)時(shí)，存在節(jié)點(diǎn)處理器內(nèi)存無法滿足大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求問題[11]。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的測(cè)試環(huán)境存在空間狹小、潮濕、高溫等問題[12-13]。

針對(duì)上述問題，本研究設(shè)計(jì)了一種基于WiFi實(shí)時(shí)傳輸?shù)恼駝?dòng)終端測(cè)試節(jié)點(diǎn)。該測(cè)試節(jié)點(diǎn)將WiFi傳輸技術(shù)與存儲(chǔ)測(cè)試方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和歷史回放功能。其中存儲(chǔ)測(cè)試作為一種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)完成信息快速采集與記憶，事后回收數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法[14]，具有抗高溫、抗潮濕和抗干擾[15-16]等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足旋轉(zhuǎn)機(jī)械不同測(cè)試環(huán)境應(yīng)用需求。此外，還對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了低功耗策略，有效降低了節(jié)點(diǎn)功耗。

1 節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的無線終端測(cè)試節(jié)點(diǎn)，以微型化、低功耗和高效率為基準(zhǔn)，總體架構(gòu)框圖如圖1。該節(jié)點(diǎn)主要由MEMS數(shù)字三軸加速度傳感器、集成有無線射頻系統(tǒng)的微處理器芯片和大容量并行輸出的閃存芯片組成。MEMS數(shù)字三軸加速度傳感器不需要復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路，并且自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，能夠有效減少節(jié)點(diǎn)體積與功耗。集成有無線射頻系統(tǒng)的微處理器芯片，可以在作為節(jié)點(diǎn)處理核心的同時(shí)兼有無線通訊功能，這樣的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步降低功耗、減小節(jié)點(diǎn)體積。大容量的并行閃存芯片具有可靠性高、體積小、低功耗的特點(diǎn)，其較高的傳輸速率能夠提高測(cè)試節(jié)點(diǎn)整體工作效率。

圖1 無線終端測(cè)試節(jié)點(diǎn)架構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控?zé)o線模塊設(shè)計(jì)

無線終端測(cè)試節(jié)點(diǎn)主控芯片選取集成高性能ARM Cortex-M4內(nèi)核(MCU)、WiFi網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(WNP)的CC3200R1M2微控制器，有效地減輕了微處理器的工作負(fù)擔(dān)。其中WNP支持TCP/IP協(xié)議棧、Socket編程接口，在此基礎(chǔ)上可根據(jù)需求進(jìn)行二次開發(fā)。電源管理模式包括休眠、深度睡眠和活躍3種，其合理轉(zhuǎn)換可保證系統(tǒng)低功耗工作。此外，該芯片具有豐富GPIO引腳、片上和外設(shè)資源，在本設(shè)計(jì)中，主要使用SPI(傳輸速率可達(dá)20 MHz)、定時(shí)中斷和TCP Sockets等功能。并且考慮到旋轉(zhuǎn)機(jī)械不同測(cè)試環(huán)境的需求，進(jìn)行了雙天線設(shè)計(jì)，留出了SPI接口、4路12位的ADC接口。主控外圍部分電路如圖2。

圖2 主控外圍部分電路

2.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊選用MEMS三軸加速度數(shù)字傳感器ADXL345。該傳感器單軸最高采樣率3 200 Hz，帶寬最大1 600 Hz，13位分辨率，測(cè)量范圍±16 g。自帶SPI(最高傳輸速率支持5 MHz)、I2C外設(shè)總線。本設(shè)計(jì)中，為提升數(shù)據(jù)傳輸速率，使用SPI總線與主控芯片進(jìn)行通訊。并且可根據(jù)測(cè)試需求，更換其他支持SPI總線的MEMS加速度傳感器。此外，用戶可以在測(cè)試三軸振動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，選擇一路ADC接口，進(jìn)行轉(zhuǎn)速跟蹤測(cè)試，進(jìn)而避免由于多節(jié)點(diǎn)WIFI傳輸?shù)难訒r(shí)因素造成階次跟蹤精度的降低。該設(shè)計(jì)方式具有一定的靈活性。

2.3 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)模塊選用Winbond公司的W29N02GV芯片，屬于NAND型閃存芯片。該芯片內(nèi)存大小為256 MBytes，數(shù)據(jù)以并行方式傳輸，相對(duì)于串行傳輸，速率提升。由于NAND型閃存儲(chǔ)器具有相同的接口規(guī)范，故可根據(jù)測(cè)試需求，選取存儲(chǔ)容量更大的NAND型閃存芯片。

3 實(shí)時(shí)傳輸及低功耗設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)時(shí)傳輸策略

為保證無線實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，本研究選用基于TCP協(xié)議的Socket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通過WiFi作為傳輸媒體構(gòu)建無線通訊鏈路。其鏈路構(gòu)建與數(shù)據(jù)通訊過程如圖3所示。

圖3 無線鏈路構(gòu)建與數(shù)據(jù)通訊過程示意圖

其中，SYN、ACK和FIN為TCP協(xié)議報(bào)文中的標(biāo)志位，分別代表同步連接建立請(qǐng)求、應(yīng)答回復(fù)和連接斷開請(qǐng)求；Seq、Ack為序列號(hào)和確認(rèn)號(hào)，分別代表Client(Server)發(fā)送到Server(Client)報(bào)文中的身份標(biāo)識(shí)符字段和應(yīng)答標(biāo)識(shí)符字段；Data為報(bào)文中數(shù)據(jù)存放字段，用于填充采集的數(shù)據(jù)，本文定義每次傳輸填充數(shù)據(jù)量為 1 024字節(jié)；A、B、X和Y表示協(xié)議自動(dòng)生成的隨機(jī)數(shù)，并填充到報(bào)文中Seq、Ack字段。

無線通信過程主要包括3部分，通信鏈路建立、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和通信鏈路關(guān)閉。對(duì)于通信鏈路建立需經(jīng)過3次握手操作。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸中，每傳輸一包數(shù)據(jù)包括一次應(yīng)答和一次確認(rèn)操作，Server負(fù)責(zé)應(yīng)答、Client負(fù)責(zé)確認(rèn)。通信鏈路關(guān)閉需經(jīng)過4次揮手操作。為避免采集數(shù)據(jù)周期與處理數(shù)據(jù)周期不一致造成的數(shù)據(jù)丟失等問題，本文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸設(shè)計(jì)選用“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”架構(gòu)模式。其中Client在不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集代表“生產(chǎn)者”，Server在不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理代表“消費(fèi)者”。該模式具有降低Client與Server之間數(shù)據(jù)傳輸強(qiáng)耦合、提高Client傳輸效率等的優(yōu)點(diǎn)。Client與Server實(shí)時(shí)傳輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)傳輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

3.2 低功耗設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械測(cè)試環(huán)境復(fù)雜，某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，無線終端測(cè)試節(jié)點(diǎn)供電相對(duì)困難。而電池電量有限，因此降低節(jié)點(diǎn)能量消耗速度對(duì)提高節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間至關(guān)重要。

本文在設(shè)計(jì)低功耗硬件架構(gòu)的同時(shí)，主要采用動(dòng)態(tài)能量管理技術(shù)[17]來降低節(jié)點(diǎn)的功耗。在保證節(jié)點(diǎn)工作性能可靠的前提下，主要以減少CMOS器件的工作頻率為原則，合理規(guī)劃程序中各模塊執(zhí)行順序和時(shí)間，進(jìn)而降低節(jié)點(diǎn)的整體功耗。工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示。其中，LPDS表示低功耗深度睡眠模式，MCU和WNP有各自的LPDS模式，在該模式下MCU和WNP配置被保存,可通過網(wǎng)絡(luò)指令、定時(shí)器中斷等機(jī)制喚醒。

圖5 節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

4 節(jié)點(diǎn)固件設(shè)計(jì)

無線終端測(cè)試節(jié)點(diǎn)通過WiFi將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。節(jié)點(diǎn)上電后，初始化CC3200中MCU和WiFi網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，將Simplelink配置為網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)(STA)工作模式。并且通過程序中設(shè)定的WiFi接入點(diǎn)名稱、接入密碼、IP地址、網(wǎng)關(guān)等參數(shù)來連接WiFi接入點(diǎn)(AP)。接入本地局域網(wǎng)成功后，進(jìn)行Socket創(chuàng)建、數(shù)據(jù)傳輸、Socket斷開等操作。主程序流程框圖如圖6。其中Buffer_1、Buffer_2表示內(nèi)存中創(chuàng)建的兩個(gè)緩沖空間。

圖6 主程序流程框圖

5 實(shí)時(shí)傳輸功能驗(yàn)證

設(shè)計(jì)的無線終端測(cè)試節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖7。

本文主要從數(shù)據(jù)傳輸過程中是否存在丟包和誤碼，進(jìn)行驗(yàn)證WiFi實(shí)時(shí)傳輸?shù)目煽啃?。?shù)據(jù)編幀協(xié)議信息定義如表1所示。

將ADXL345加速度傳感器采樣率設(shè)置為3 200 Hz,分辨率設(shè)置為13位。首先，CC3200使用兩個(gè)定時(shí)器定時(shí)，第一個(gè)定時(shí)器定時(shí)采集時(shí)間，本次采集時(shí)間設(shè)置為30 s。第二個(gè)定時(shí)器定時(shí)采樣間隔時(shí)間，本次采樣率選取3 200 Hz，故采樣時(shí)間設(shè)置313 μs，每次采樣讀出ADXL345加速度傳感器中X軸、Y軸和Z軸數(shù)據(jù)。在節(jié)點(diǎn)工作期間，采集數(shù)據(jù)要進(jìn)行存儲(chǔ)、向網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手界面實(shí)時(shí)傳輸。然后，等待采集結(jié)束，使用串口將W29N02GV中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀出到串口調(diào)試助手界面，對(duì)比數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸過程中是否存在丟包。并且使用UltraCompare軟件對(duì)比數(shù)據(jù)是否存在誤碼。網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手和串口接收數(shù)據(jù)如圖8所示。誤碼率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。對(duì)比結(jié)果表明：WiFi實(shí)時(shí)傳輸中數(shù)據(jù)完全正確，且無數(shù)據(jù)丟包、誤碼現(xiàn)象。無線終端測(cè)試節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)傳輸設(shè)計(jì)具有可靠性。

圖7 無線終端測(cè)試節(jié)點(diǎn)

表1 編幀協(xié)議信息

信息名稱幀頭(AA)X軸數(shù)據(jù)Y軸數(shù)據(jù)Z軸數(shù)據(jù)幀尾(BB)字節(jié)長(zhǎng)度12221

圖8 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手和串口接收數(shù)據(jù)

圖9 誤碼率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

將WiFi傳輸技術(shù)與存儲(chǔ)測(cè)試相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的無線終端測(cè)試節(jié)點(diǎn)。對(duì)該節(jié)點(diǎn)整體架構(gòu)進(jìn)行了微型化設(shè)計(jì)，在體積減小的同時(shí)降低了功耗。根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械測(cè)試環(huán)境不同需求，成功移植了TCP/IP協(xié)議棧，對(duì)其應(yīng)用層、傳輸層進(jìn)行修改，添加并優(yōu)化了與硬件相匹配的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和存儲(chǔ)功能。通過雙緩沖策略和中斷資源的合理規(guī)劃使用，實(shí)現(xiàn)了在存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，采樣點(diǎn)不丟失的功能。并且利用動(dòng)態(tài)能量管理技術(shù)、WiFi休眠機(jī)制進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間。通過多次實(shí)驗(yàn)證明，該節(jié)點(diǎn)能夠保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸過程中可靠性，其通用性、靈活性的設(shè)計(jì)具有應(yīng)用價(jià)值與參考價(jià)值。后續(xù)可通過軟件算法進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)功耗。