ARM9 ve Linux tabanlı mekanik bir arıza teşhis cihazının tasarımı
Zhang Wei, Zhou Fengxing, Yan Baokang
(Metalurji Otomasyon ve Test Teknolojisi Mühendislik Araştırma Merkezi, Eğitim Bakanlığı, Wuhan Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Wuhan 430081, Hubei)
: Erken mekanik arızaların özelliklerini hedef alan, ARM9 mikroişlemci ve Linux işletim sistemine dayalı taşınabilir bir mekanik arıza teşhis cihazı tasarlanmıştır. Veri toplama modülü, rezonans demodülasyon teknolojisini ve 24 bit yüksek hızlı A / D dönüştürücü AD7760'ı benimser ve GPRS veya Ethernet üzerinden uzaktan izleme sistemi ile gerçek zamanlı veri iletimini gerçekleştirir. Morfolojik kaldırma dalgacıklarına dayanan uyarlanabilir çok ölçekli algoritma, gürültüyü yükseltmek, azaltmak ve titreşim sinyallerinin uyarlanabilir çok ölçekli filtrelemesini yapmak ve zayıf şok sinyallerini çıkarmak için kullanılır. Hatalı bir yatağın örnek bir analizi, diyagnostik aletin teşhis sonuçlarının yüksek güvenilirliğe sahip olduğunu gösterir.
: S3C2440A; Linux; hata teşhisi; rezonans demodülasyonu; şekil iyileştirme
: TP216 Belge tanımlama kodu: A Ürün numarası: 0258-7998 (2014) 08-0076-04
Modern endüstrinin sürekli gelişimi ile şirketler, büyük ölçekli, otomatik ve sürekli üretim ekipmanlarına giderek daha fazla bağımlı hale geliyor. Ekipmanın nasıl etkili bir şekilde yönetileceği ve ekipmanın çalışma durumunun öngörülebilir ve öngörülebilir bir aralık dahilinde olması için ekipmanın çalışma durumunun nasıl etkin bir şekilde izleneceği modern endüstriyel işletmeler için acil bir sorundur.
Şu anda, çevrimiçi ekipman arıza teşhis sistemlerinin çoğu, PC modunu ve edinme kartını benimsiyor ve veri edinme kartından PC yazılımı aracılığıyla gerçek zamanlı olarak veri alıyor ve işliyor. Bu tür bir sistem, hacimli, veri aktarımında karmaşık ve pahalıdır.Üretim ekipmanlarının dağınık olduğu ve yerinde çalışma ortamının ağır olduğu yerlerde uygulama için uygun değildir.
Bu makale, ARM9 S3C2440A mikroişlemci ve Linux işletim sistemine dayalı taşınabilir bir nokta inceleme makine arıza teşhis sistemi tasarlar. Donanım bölümü rezonans demodülasyon teknolojisi, Ethernet, GPRS, RS485, elektronik etiketler, AD7760 ve U disk vb. Kullanır. Yazılım bölümü kullanır Morfolojik kaldırma dalgacıklarına dayalı uyarlanabilir çok ölçekli algoritma. Cihaz, mekanik ekipmanın erken mikro şok darbe sinyallerini etkili bir şekilde çıkarabilir ve arızanın türünü belirleyebilir.
1 donanım tasarımı ve uygulaması
1.1 Sistem donanım yapısı blok şeması
Sistem donanım yapısı blok şeması Şekil 1'deki gibi gösterilmektedir. Tasarım gereksinimlerine göre, tanılama cihazı çok sayıda yonga üzerinde kaynağa ve büyük miktarda hesaplama verisine ihtiyaç duyar. Genel mikroişlemci yukarıdaki özelliklere sahip değildir. Bu tasarım, Samsungun ARM920T tabanlı 16/32 bit azaltılmış komut seti (RISC) mikroişlemcisi S3C2440A kullanır. ARM920T, özünde MMU, AMBA veriyolu ve Harvard yapılı yüksek hızlı arabellek mimarisini uygular.Bu yapıda bağımsız 16 KB komut önbelleği ve 16 KB veri önbelleği vardır. Ana frekansı 1.3 V'ta 400 MHz'e kadardır ve güçlü veri işleme yeteneklerine sahiptir. 4 kanallı sensörlerin sinyalleri bağımsız sinyal koşullandırma devresine girer ve çoklu anahtarlar gerektiği gibi kapatılır Modüle edilmiş sinyal, A / D dönüştürücü vasıtasıyla dijital bir değere dönüştürülür ve mikroişlemci S3C2440A'ya gönderilir. İnsan-bilgisayar etkileşimi arabirimi, yerleşik yumuşak klavyeye sahip bir TFT dokunmatik ekranı benimser.Etkileşimli arabirim, zaman etki alanı dalga biçimlerini, otokorelasyonu, çapraz korelasyonu, cepstrumu, güç spektrumunu ve şekil geliştirici dalgacıklara dayalı uyarlanabilir çok ölçekli spektrumu görüntüleyebilen çok sayıda işletim bilgisi sağlar. Şekil. Depolama bölümü 128 MB NandFlash ve 64 MB SDRAM ile genişletildi.
1.2 Veri toplama
1.2.1 Sinyal koşullandırma devresi
Birleşik sensör bir ivme sensörü, bir hız sensörü ve bir yer değiştirme sensöründen oluşur. Sinyal koşullandırma devresi Şekil 2'de gösterilmektedir: biri mekanik ekipman arızalandığında mikro darbe sinyalini çıkarmak için rezonans demodülasyon teknolojisini kullanır; diğeri ise ekipman için kullanılabilen geleneksel titreşim sinyalinin amplifikasyonunu, izolasyonunu ve düşük geçişli filtrelemesini gerçekleştirir. Orta-geç başarısızlığı tahmin edin. Sinyal koşullandırma bölümünde, uygun cihaz bant genişliği BW, filtreleme parametreleri ve büyütme seçimine dikkat edilmelidir.
1.2.2 Rezonans demodülasyon teknolojisi
Mekanik ekipmanların erken ve orta vadeli arızalarının sinyal özelliği, çok küçük genlik ve dar genişliğe sahip şok darbelerinin üretilmesidir. Darbe sinyalinin kendisi sonsuz harmonik darbeleri içerir ve yüksek frekanslı bileşenler özellikle zengindir.Matematik modeli şu şekilde ifade edilebilir: ke-t (k1sinw1t + k2cosw2t + ...). Sensörün çıkış sinyalini yükseltin ve ardından rezonans elde etmek için hızlanma sensörünün rezonans frekansına eşit merkez frekansı f0 ile bant geçiş filtresinden UAF42 geçirin ve ardından düşük frekanslı titreşim sinyallerini ve sinyaldeki yüksek frekanslı bileşenleri elde etmek için bazı sesleri filtrelemek için yüksek geçişli bir filtreden geçin. Modülatör aracılığıyla zarf tespiti gerçekleştirildikten sonra, darbe şokuyla aynı frekansta düşük frekanslı bir sinyal elde edilir ve yukarıda bahsedilen rezonans demodülasyon teknolojisi ile yüksek sinyal-gürültü oranına sahip arıza teşhisi gerçekleştirilebilir.
1.3 İletişim modu
Teşhis cihazının farklı uygulama ortamına göre, 4 iletişim modu benimsenmiştir: GPRS iletişimi, Ethernet iletişimi, RS485, RS232. Uzaktan akıllı izleme sistemi ile her iletişim modu arasında bir dizi iletişim protokolü vardır ve teşhis cihazı, toplanan verileri analiz ve işleme için uzak akıllı izleme sistemine gönderir, böylece daha doğru ve profesyonel uzaktan arıza teşhisi gerçekleştirir.
1.3.1 GPRS iletişimi
GPRS iletişimi, Huawei'nin MG323 modülünü kullanır ve MG323 ile S3C2440A arasındaki iletişim AT komutlarını kullanır.S3C2440A, seri bağlantı noktası üzerinden MG323'e AT komutları gönderir ve MG323, veri çerçevelerini İnternet üzerinden uzak ana bilgisayar izleme sistemine iletir. MG323 çevresel devresi Şekil 3'te gösterilmektedir. MG323_TXD ve MG323_RXD, S3C2440A'nın 3. seri portunun TXD3 ve RXD3'üne bağlanır. TERM_ON ve MG_RST, sırasıyla MG323'ün anahtar ve sıfırlama arayüzleridir. ESDALC6V 1W5, SIM kartı korumak için bir ESD koruma cihazıdır. LPG, bir ağ durumu gösterge pinidir Bu pin tarafından verilen darbe sinyali çıkışı, Q1 transistörünün açılıp kapanmasını kontrol etmek için kullanılır ve LED, bir ağ bağlantısı durum göstergesidir. Aynı zamanda, cep telefonu ile bağlantı alarmı ve izleme elde etmek için kısa mesajlar göndermek için GSM şebekesinin SMS iletişim mekanizmasını da kullanır.
1.3.2 Ethernet iletişimi
Ethernet, hızlı veri aktarım hızı, uzun aktarım mesafesi ve kararlılık özelliklerine sahiptir ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Ağ arabirim yongası, son derece entegre, düşük maliyetli Ethernet MAC denetleyicisi DM9000'i seçer, MII / RMII arabirimlerini ve 8/16/32-bit işlemci arabirim modlarını ve 10 M / 100 M alıcı-vericileri destekler. S3C2440A ve DM9000'in bağlantı şeması Şekil 4'teki gibi gösterilmektedir.
1.4 Tek veriyolu 1-Wire teknolojisi
Genel olarak incelenecek birçok cihaz vardır ve farklı konumlara dağıtılırlar.Teftiş işlem sürecini standartlaştırmak, verimliliği artırmak ve hataları önlemek için, tek veriyolu teknolojisine dayalı 64 bit kayıt kodlu elektronik etiket iButton DS1990R, denetim noktalarını otomatik olarak tanımlamak için kullanılır. Ekipman arıza noktasının sıcaklığının çok yüksek olmasını önlemek için, gerçek zamanlı izleme için sıcaklık sensörü DS18B20, arıza durumunu yansıtmak için sıcaklık değişimi kullanılır. İletişimin sürekliliğini sağlamak ve güvenilir bir tek yollu ağ oluşturmak için, DS2480B seri arabirim dönüştürücü benimsenmiştir.DS2480B, güvenilir veri iletimini sağlamak için otomatik olarak doğru tek yollu veri iletim zamanlaması üretecektir.DS2480B ve 1-Wire cihazlar arasındaki bağlantı devresi Şekil 5'te gösterilmektedir. Göstermek.
1.5 Analogdan dijitale dönüştürücü AD7760
AD7760, geniş giriş bant genişliği, yüksek hız özellikleri ve - dönüştürme teknolojisinin avantajlarını bir araya getiren yüksek performanslı, 24 bit - analogdan dijitale dönüştürücü ADC'dir. Sinyal-gürültü oranı 2,5 MS / s'de 100 dB'ye ulaşabilir. Yüksek hızlı veri toplama sistemlerinde ve titreşim analiz sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Referans voltajı sürmek için AD7760 dahili tampon, sinyal tamponlama ve seviye dönüştürme için diferansiyel amplifikatör, aralık üstü bayrak, dahili kazanç ve ofset kaydı ve düşük geçişli dijital FIR filtresi.Yüksek entegre kompakt veri toplama cihazıdır. , Yalnızca birkaç harici bileşen seçmeniz gerekir. AD7760 ve S3C2440A'nın bağlantı şeması Şekil 6'daki gibi gösterilmektedir.
2 Sistem yazılım tasarımı
2.1 Gömülü Linux işletim sistemi
Teşhis aracı, yazılım platformu olarak gömülü Linux işletim sistemini kullanır, Linux ortamında C ve assembly dili programlamasını kullanır ve bir dizi grafik arayüz geliştirmek için Qtopia 2.2.0 kullanır. Gömülü Linux işletim sistemi geliştirme, geliştirme ortamının inşasını (Ubuntu, çapraz derleme aracı arm-linux-gcc), U-Boot transplantasyonunu, Linux çekirdek transplantasyonunu (üst düzey Makefile'da ARCH ve CROSS_COMPILE'ı değiştirme, MTD bölümünü değiştirme ve YAFFS bağlantı noktasını içerir. Dosya sistemi), kök dosya sistemi (transplant kök dosya sistemi üretim aracı busybox) oluşturma, çekirdek hata ayıklama, aygıt sürücüsü geliştirme.
2.2 Aygıt sürücüsünün geliştirilmesi
Gömülü geliştirmenin zorluğu, aygıt sürücülerinin geliştirilmesinde yatmaktadır.Linux çekirdeği sürücülerin% 85'ine sahip olmasına rağmen, hepsi ortak aygıt sürücüleridir.Yerleşik nadir aygıtlar için, kendi sürücülerinizi yazmanız ve onları çekirdeğe yüklemeniz gerekir. Linux işletim sistemi tüm cihazları dosya olarak ele alır ve cihazlara işletim dosyaları ile erişir Uygulama programı, donanım sürücüsünü çağırmak için birleşik bir arayüz işlevi kullanmalıdır. Arabirim işlevi toplama dosya_işlemleri türü veri yapısında, struct dosya_işlemlerinin üyelerinin tümü işlev işaretçileridir.Bu işaretçiler, aygıt sürücüsü tarafından sağlanan giriş noktasının, yani işlev atlama tablosunun konumunu gösterir. İhtiyaç duyulmayan işlev arabirimi doğrudan NULL olarak başlatılabilir veya tanımlanmayabilir, ancak bu durumda varsayılan işlev çağrılacaktır. Uygulama, cihazı okumak, yazmak ve kontrol etmek için okuma, yazma, ioctl vb. Gibi işlevleri kullandığında, sürücünün dosya_işlemleri yapısındaki ilgili üyeler çağrılacaktır. Bu nedenle, bir sürücü yazmak, belirli donanımın file_operations yapısı için çeşitli işlevler yazmaktır.
AD7760 sürücüsünde tanımlanan dosya işlemleri şunlardır:
statik yapı file_operations AD7760_fops =
{
.owner = THIS_MOUDLE,
.write = AD7760_write,
.read = AD7760_read,
.open = AD7760_open,
.release = AD7760_release,
};
2.3 Ana program akış şeması
Sistem başlatıldıktan sonra fonksiyon menüsü sayfasına giriniz Nesne yönelimli çalışma prensibine göre fonksiyon menüsü sayfayı ağaç şeklinde genişletir. Ana program akış şeması, Şekil 7'de gösterilmektedir ve Şekil 7 (b), Şekil 7 (a) 'daki E ağaç dalıdır.
3 Şekil iyileştirme için uyarlanabilir çok ölçekli algoritma
Şu anda, dalgacık analizinin uygulanması, dönen makinelerin arıza teşhisinde iyi sonuçlar elde etmiştir, ancak farklı arıza sinyalleri için, dalgacık tabanının seçimi zordur ve eşiğin yanlış seçimi de gürültü bastırma etkisini açık hale getirmez. Morfolojik kaldırma dalgacıklarına dayanan uyarlanabilir çok ölçekli algoritma, zayıf darbeleri belirli bir dereceye kadar yükseltmek, düşük frekanslı sinyallerin parazitini azaltmak için nabız sinyalini korumak için morfolojik kaldırma dalgacık karakteristiğini kullanmak ve ardından darbeye uyması için uyarlanabilir çok ölçekli filtreleme kullanmaktır, böylece darbe çıkarılır. Sinyal etkisi daha belirgindir. Morfolojik terfi, kayma ile değişmeyen genişleme için aşağı-olmayan örnekleme yöntemini kullanır.
3.1 Çok ölçekli morfolojik filtreleme
S'yi çok ölçekli morfolojik genişleme ve korozyon olarak ve sg'yi s-ölçeğinde yapısal eleman olarak tanımlayın, bu nedenle çok ölçekli morfolojik gradyan MGs (x):
3.2 Uyarlanabilir çok ölçekli morfolojik gradyan algoritması
Mekanik hasar oluştuğunda, ani bir şok sinyali üretilecektir.Matematiksel model aşağıdaki gibidir:
Bunlar arasında s ölçek faktörü, u yer değiştirme faktörü, v frekans faktörü ve w faz faktörüdür.
Referanslar, uyarlamalı çok ölçekli dönüşümden sonra fg (n) sinyalinin:
Bunlar arasında sk, k'inci ölçek ve wk, ağırlık fonksiyonudur.
4 Vaka analizi
Pratik uygulamalarda teşhis aletinin etkisini doğrulamak için laboratuvar arıza teşhis platformundaki yatak, arıza sinyalinin kaynağı olarak kullanılır.Yatak hatve çapı 39,5 mm, yuvarlanma elemanı çapı 7,5 mm, yuvarlanan eleman sayısı 12 ve örnekleme frekansı ayarlanır. 10 kHz ve dönüştürme frekansı 15 Hz'dir. Yatak arızası karakteristik frekans formülüne göre, dış halka arıza frekansı 72.9 Hz ve iç halka arıza frekansı 107.09 Hz'dir. Şekil 8, yatağın dış halkasının zaman alanlı dalga formu ve frekans spektrum diyagramıdır. 72.63 Hz arıza sinyali, dış halka arızasının karakteristik frekansının hesaplanan teorik değeri ile tutarlı olan frekans spektrumundan açıkça görülebilir, bu nedenle bir dış halka arızası olarak sonuçlandırılabilir. Deneysel sonuçlar, teşhis cihazı tarafından benimsenen rezonans demodülasyon teknolojisinin ve şekil kaldırma dalgacıklarına dayalı uyarlanabilir çok ölçekli algoritmanın mikro darbe sinyalini etkili bir şekilde çıkarabileceğini ve mekanik arızanın türünü doğru bir şekilde belirleyebileceğini kanıtlayabilir.
Bu makale, taşınabilir bir nokta inceleme makinesi arıza teşhis cihazına ARM ve gömülü Linux işletim sistemini uygular. Bu cihaz, güçlü veri işleme yeteneklerine, çok görevli gerçek zamanlı zamanlamaya ve yüksek kararlılığa, zengin çevresel arayüzlere ve çeşitli iletişim yöntemlerine sahiptir. Toplu verilerin yüksek güvenilirliği ve gerçek zamanlı işlenmesi gereksinimlerini karşılar. Veri toplamanın donanım bölümü, donanımdan gelen gürültüyü ortadan kaldırmak ve darbe sinyalini etkin bir şekilde çıkarmak için rezonans demodülasyon teknolojisini kullanır.24 bit yüksek hızlı A / D dönüştürücü AD7760, dönüştürülen veri doğruluğunu 0,1788 V'ye kadar çıkarır. Yazılımda, morfolojik kaldırma dalgacıklarına dayalı uyarlanabilir çok ölçekli bir algoritma kullanılmaktadır.Bu yöntem morfolojik dalgacık eşiği seçiminin zorluğunu arttırmakta ve çarpma sinyali ile ilgili önceden bilgi sınırlamasından kurtulmaktadır. Arıza örneklerinin analizi, teşhis cihazının arıza sinyallerinin çıkarılmasındaki etkinliğini kanıtlamıştır.
Referanslar
Wang Xu, Gao Lixin Rezonans demodülasyonuna dayalı gömülü veri toplama analizörü üzerine araştırma Mekanik Tasarım ve Üretim, 2009 (9): 57-59.
Zhou Fengxing, Cheng Gengguo, Liang Wei Mekanik arıza teşhisinde rezonans demodülasyonu ve dalgacık analizinin uygulanması Sistem Mühendisliği ve Elektronik Teknolojisi, 2005, 27 (6): 1128-1131.
Wei Dongshan. Gömülü Linux Uygulama Geliştirmenin Tam Bir El Kitabı. Beijing: People's Posts and Telecommunications Press, 2008.
Cao Yi, He Shenxue, Chen Huige, ARM-Linux harici genişleme AD sürücüsünün araştırılması ve uygulanması Otomasyon ve Enstrümantasyon, 2010, 25 (9): 45-48.
Liu Shengyang, Wei Xing. Yüksek hassasiyetli ve yüksek hızlı analogdan dijitale dönüştürücü Elektronik Teknoloji, 2008, 45 (4): 34-37.
Yan Baokang, Zhou Fengxing.Şekil geliştirmeye dayalı uyarlanabilir bir rulman mikro şok ekstraksiyon yöntemi Titreşim ve Şok, 2013, 32 (24): 198-203.
