基于Cortex-M3的齿轮传动轴损伤动态监测系统的设计与实现

传统的齿轮传动轴监测与诊断系统一般是将用于分析和监测的加速度等传感器安装在齿轮箱的轴承座上，采用广域信号进行诊断与分析。如果仅是简单将现有传感器安装在大功率小体积的重要装备齿轮箱中，不仅加速度、温度和应变等传感器安装困难，而且所测信号很难向外传输。因此，无法实时获取齿轮和轴承实际工况条件下的真实动态应力和扭矩等重要信息，一些关键设备的齿轮传动轴的实时动态监测就无法有效实现。

本文为解决上述问题，创新性地提出了“局域强信号”新概念，将传感器直接安装在所需检测和监测的位置[1]，感知局域强信号的变化。由于局域强信号距离信号发生源近，感知的信号强度远高于其他位置测取的信号，故信号可靠度与可信度高，从而大幅度提高齿轮传动系统损伤动态监测与判断的成功率。突破了传统广域信号在箱体外采集信号与数据传输的局限性，实现了监测“零距离”局域强信号从箱体内部向箱体外部的高速和低误码率的传输，具有鲜明的“零距离接触”特色，是本系统的重要创新点。

1 损伤动态监测系统的工作原理

本系统由数据采集端和数据接收端两部分构成。数据采集端以LPC1768微控制器为控制核心，包括前端数据采集电路、信号调理电路（放大和滤波）、RF发射模块和电源电路。数据接收端包括LPC1768微处理器、数据存储电路、RF接收模块和电源电路。系统总体结构如图1所示。

本系统采用无线RF方式传输数据。在数据采集端，首先由前端数据采集电路测得与扭矩成正比的电压信号，经信号调理电路处理后送入LPC1768微控制器进行A/D变换，最后通过RF发射模块将经过MSK调制过后的数字信号通过天线发射出去。在数据接收端，通过LPC1768微控制器的控制，将RF接收模块接收到的数据通过USB接口实时传入PC机进行数据分析，同时将接收数据存入外部存储器。

2 系统的硬件设计

采用NXP公司的基于第二代ARM Cortex-M3内核的微控制器LPC1768作为系统的核心单元。通过LPC1768内部ADC(转换频率高达1 MHz)，实现4路扭矩信号的采样,精度达到12 bit，采样频率达到4 kHz。LPC1768通过控制CC1101实现数据收发,控制NAND Flash实现数据存储，控制内部USB设备控制器实现与PC之间的数据传输，从而实现系统的基本功能，同时保证了系统在体积、功耗、性能上的最优化。

2.1 前端数据采集电路

数据采集电路由应变元件和桥电路两部分组成。采用精度很高的应变元件制成的复杂传感器来测量形变，应变元件被放置在需要测量的基体之上，当基体受力发生应力变化时，应变元件会随基体变化发生相应的物理形变，该形变会导致应变元件的阻值发生相应变化。通过惠斯通桥电路将应变元件阻值的变化转换成电压的变化。由于应变片粘贴过后会存在阻值上的偏差，并且另外3个桥臂电阻阻值存在误差，故惠斯通桥电路在测量开始前很难保证精确平衡，本系统在桥电路中加入数字电位器，通过程序控制，保证电桥在测量开始前零点精确平衡并且在测量过程中不出现零漂。前端采集电路如图2所示。


2.2 信号调理电路

经由桥电路采集输出的信号具有较小的差模信号(几毫伏)和较大的共模信号(几伏)，需要放大电路具有很高的共模抑制比、高增益、低噪声和高输入阻抗[2]。本系统采用ADI公司的AD8221仪表放大器来放大桥电路的输出信号。AD8221是一款增益可编程的高性能仪表放大器，低电压失调、低失调漂移、低增益漂移、高增益精度和高共模抑制比特性，使AD8221成为桥式信号调理的绝佳选择。AD8221采用±5 V供电，通过一只外部电阻设置增益(1~1 000)，参考电压VREF由双通道Rail-to-Rail放大器AD8032精确提供。图3中电容C318起到旁路电压噪声、提高电路的抗干扰性能作用。通过增益和VERF的调节，可将AD8221的输出电压控制在0~3.3 V之间，满足ADC输入电压范围。图中输出端的电阻R504、R508和电容C504、C510组成RC滤波电路，可滤除高频干扰信号。


2.3 RF发射和接收模块

CC1101是Chipcon公司一款高性价比单片UHF收发器，为低功耗无线电应用而设计。具有体积小、接收灵敏度高、传输速度快、工作电压范围宽、功耗低及输出功率高等特点，同时拥有卓越的数据包处理能力、自动的前向纠错、CRC校验、交织以及白化等功能[3]。

RF电路对电源噪声干扰十分敏感，尤其是高次谐波和电压毛刺，当干扰严重时可导致 RF器件无法正常工作。因此，本系统对RF收发电路单独制版，并用金属罩对其进行电磁屏蔽，同时电源部分加上耦合电路，以保证RF收发模块可靠工作。RF发射和接收模块如图4所示。CC1101与LPC1768之间的通信采用SPI总线接口实现，CSN(片选)、SCLK(串行时钟)、SO(串行输出)、SI(串行输入)分别与LPC1768的P0.6、P0.7、P0.8和P0.9引脚相连。LPC1768作为主机，CC1101作为从机挂接在SPI总线上，LPC1768通过SPI接口对CC1101进行配置和数据交互。另外，GDO0引脚与LPC1768的P0.4引脚相连，用于指示是否已完整地接收或发送了一个数据包，它可作为LPC1768的外部中断源信号。C607、C608、C609、L600和L601组成了一个非平衡变压器，用于在差分信号和单端RF信号之间进行电平转换，C613、C615、C616、L602和L603组成了一个LC滤波器，它与非平衡变压器一起实现与50 Ω的天线相匹。


2.4 数据存储和传输

本系统的数据存储模块设计选用三星公司的K9NBG08U5A NandFlash芯片实现。容量为2 GB,读写速度极快；I/O引脚为地址、数据、命令总线复用；内部为每一页留有多余字节空间,可用作ECC校验数据的存放[4]。

由于USB具有热插拔、传输速度快和携带方便等优点,非常适合用于嵌入式系统中。本系统采用LPC1768内嵌的USB2.0全速设备控制器,以DMA方式实现和PC机之间数据的传输。

3 系统的软件设计

系统软件采用模块化设计，根据不同的功能模块设计相应的软件，这样系统有很好的裁剪性。每个模块软件驱动分为底层驱动和接口应用，整个下位机软件采用前后台系统实现[5]。

3.1数据采集端软件设计

数据采集端软件主要实现扭矩采集，通信时需注意A/D采样速率和CC1101发送速率的匹配。CC1101以包为单位收发数据，当TX FIFO中装满64 bit的数据后，CC1101将自动对数据进行打包并发送，经实验测得本系统CC1101完成一次数据发送需近2 ms的时间，所以要求在2 ms时间内将A/D采集的数据存入CC1101的TX FIFO中，以便实时发送。通过定时器每隔0.25 ms产生一次中断（从而实现4 kHz的采样频率），相关中断服务程序会调用A/D采样函数进行4路通道采样，因为每一路模拟信号被量化为12 bit，所以用2 B存储一路的采样结果，则每2 ms获得64 bit(正好是CC1101的TX FIFO大小)数据送入CC1101的TX FIFO进行发送，从而实现了A/D采样速率和CC1101发送速率的最佳匹配。数据采集端软件流程如图5所示。


3.2数据接收端软件设计

设备与PC机的通信采用自定义的帧传输方式，命令帧通过LPC1768内部USB设备控制器的逻辑端点1进行传输，数据帧通过逻辑端点2进行传输。接收端每隔2 ms接收一次采集端传来的64 B数据并将其存入外部存储器中，如果接收到PC机发送来的数据读取帧，则实时地将数据通过USB接口传入PC机，如果接收到PC机发送来的读取停止帧，则停止向PC传数。数据接收端软件流程如图6所示。

4 测试结果与分析

使用本系统对某型汽车发动机的传动轴在不同工况和转速的条件下进行动态监测，测试结果如图7、图8所示。在工况1和工况2中，随着发动机转速增加，输出扭矩增大，分别在3 500 r/m和3 000 r/m时达到最大，随后输出扭矩迅速减小，说明传动轴在转动过程中存在明显的共振现象，需要对其结构进行改善。

本系统成功解决了某型汽车发动机传动轴的扭振测试难题。实际测试结果证明该系统的设计思路和方法是成功的。本系统以关键传动设备为研究对象，其方法、原理和技术可扩展到旋转机械、往复机械等设备的故障预报，具有广阔的应用前景。