(武汉科技大学 冶金自动化与检测技能教诲部工程研究中央， 湖北 武汉430081)
： 针对机器早期故障的特点,设计了一种基于ARM9微处理器和Linux操作系统的便携式机器故障诊断仪。数据采集模块采取共振解调技能和24位高速A/D转换器AD7760，通过GPRS或以太网实现与远程监控系统的实时数据传输。采取基于形态提升小波的自适应多尺度算法对振动旗子暗记进行放大、降噪、自适应多尺度滤波,提取出微弱的冲击旗子暗记。通过故障轴承的实例剖析，表明该诊断仪的诊断结果具有较高的可靠性。
： S3C2440A； Linux； 故障诊断； 共振解调； 形态提升
： TP216文献标识码： A文章编号： 0258-7998(2014)08-0076-04
随着当代工业的不断发展，企业对大型化、自动化、连续化的生产设备的依赖性进步神速。如何对设备进行有效的管理以及如何对设备的运行状态进行有效的监控，让设备的运行状态在可知以及可预知的范围之内，是当代工业企业亟待办理的问题[1]。
目前在线设备故障诊断系统大多采取PC和采集卡的模式，通过PC软件实时吸收和处理采集卡传来的数据。这种系统体积弘大、数据传输繁芜、本钱昂贵，不适宜运用在生产设备分散和现场事情环境恶劣的地方。
本文设计了基于ARM9 S3C2440A微处理器和Linux操作系统的便携式点巡检机器故障诊断系统，硬件部分采取共振解调技能、以太网、GPRS、RS485、电子标签、AD7760和U盘等，软件部分采取基于形态提升小波的自适应多尺度算法。仪器能够有效提取机器设备早期的微冲击脉冲旗子暗记，识别出故障类型。
1 硬件设计与实现
1.1系统硬件构造框图
系统硬件构造框图如图1所示。根据设计哀求，诊断仪须要丰富的片上资源和运算大量数据，一样平常微处理器不具有上述能力，本设计采取三星公司的16/32 位精简指令集(RISC)微处理器S3C2440A，S3C2440A是基于ARM920T核心,ARM920T实现了MMU、AMBA总线和哈佛构造高速缓冲体系构造,这一构造具有独立的16 KB指令高速缓存和16 KB数据高速缓存。其主频在1.3 V下高达400 MHz，数据处理能力很强。4路传感器的旗子暗记进入独立的旗子暗记调理电路，根据须要选通多路开关，调制后的旗子暗记通过A/D转换器变为数字量，送给微处理器S3C2440A。人机交互界面采取TFT触摸屏，内嵌入软键盘，交互界面供应了丰富的操作信息，可显示时域波形、自干系、相互干、倒频谱、功率谱和基于形态提升小波的自适应多尺度频谱图。存储部分扩展了128 MB的NandFlash和64 MB的SDRAM。
1.2 数据采集
1.2.1旗子暗记调理电路
组合传感器是由加速度传感器、速率传感器、位移传感器组成。旗子暗记调理电路如图2所示，有两路调制:一起采取共振解调技能提取机器设备涌现故障时的微冲击旗子暗记；其余一起对常规振动旗子暗记进行放大、隔离、低通滤波处理，可以对设备中后期故障进行预测。旗子暗记调理部分须要把稳选择得当的器件带宽BW、滤波参数、放大倍数。
1.2.2 共振解调技能
机器设备涌现早、中期故障的旗子暗记特色是产生幅度很小、宽度很窄的冲击脉冲。脉冲旗子暗记自身包含无限次谐波的脉冲，高频分量尤其丰富[2]，其数学模型可表示为：ke-t(k1sinw1t+k2cosw2t+…)。把传感器输出旗子暗记经由放大，然后经由中央频率f0与加速度传感器的谐振频率相等的带通滤波器UAF42达到共振，再经由高通滤波器，滤掉低频振动旗子暗记及部分噪声，获取信号中的高频身分，再经由调制器进行包络检波,就得到与脉冲冲击发生频率相同的低频旗子暗记，通过上述的共振解调技能就可以实现高信噪比的故障诊断。
1.3 通信模式
根据诊断仪运用的环境不同，采取了4种通信模式：GPRS通信、以太网通信、RS485、RS232。远程智能监控系统与每一种通信模式之间都有一套通信协议，诊断仪将采集到的数据发给远程智能监控系统进行剖析与处理，进而实现更精准、专业的远程故障诊断。
1.3.1 GPRS通信
GPRS通信采取华为的MG323模块,MG323与S3C2440A之间通信采取AT指令, S3C2440A通过串口将AT指令发给MG323，MG323将数据帧通过Internet传到远真个上位机监控系统上。MG323外围电路如图3所示，MG323_TXD和MG323_RXD分别接S3C2440A的串口3的TXD3和RXD3。TERM_ON、MG_RST分别是MG323的开关机和复位接口。ESDALC6V 1W5是ESD防护器件，保护SIM卡。LPG是网络状态指示管脚，通过该管脚输出的脉冲旗子暗记来掌握三极管Q1的导通与关断，LED是网络连接状态指示灯。同时，还利用GSM网络的SMS通信机制发送短信，实现了与手机的联动告警和监控。
1.3.2 以太网通信
以太网具有数据传输速率快、传输间隔远、稳定等特点，被广泛利用。网络接口芯片选用高度集成的、低本钱的以太网MAC掌握器DM9000，支持MII/RMII接口和8/16/32位的处理器接口办法，10 M/100 M收发器。S3C2440A与DM9000的连接图如图4所示。
1.4 单总线1-Wire技能
一样平常被检测设备较多，且分布在不同的位置，为了规范巡检操作过程、提高效率和避免差错，采取了基于单总线技能的具有64位注册码的电子标签iButton DS1990R自动识别检测点。为了防止设备故障点温度过高，采取温度传感器DS18B20实时监控,借助温度变革反应故障情形。为了担保通信的连续性并创建可靠的单总线网络，采取串口接口转换器DS2480B，DS2480B会自动产生精确的单总线数据传输时序，担保数据传输可靠，DS2480B与 1-Wire器件连接电路如图5所示。
1.5 模数转换器AD7760
AD7760是一款高性能、24位∑-Δ型模数转换器ADC，领悟了宽输入带宽、高速特性与∑-Δ转换技能的上风，2.5 MS/s时信噪比可达100 dB，使其广泛地运用于高速数据采集系统、振动剖析系统[5]。AD7760内置用来驱动基准电压的缓冲、用于旗子暗记缓冲和电平转换的差分放大器、超量程标志、内部增益与失落调寄存器以及低通数字FIR滤波器，是一款高度集成的紧凑型数据采集器件，只需选择极少的外围元件。AD7760与S3C2440A的连接图如图6所示。
2系统软件设计
2.1嵌入式Linux操作系统
诊断仪以嵌入式Linux操作系统为软件平台，在Linux环境下利用C和汇编措辞编程，利用Qtopia2.2.0开拓了一套图形界面。嵌入式Linux操作系统开拓包括开拓环境的搭建(Ubuntu、交叉编译工具arm-linux-gcc)、U-Boot的移植、Linux内核的移植(修正顶层Makefile中的ARCH和CROSS_COMPILE、修正MTD分区、移植YAFFS文件系统)、构建根文件系统(移植根文件系统制作工具busybox)、内核调试、设备驱动的开拓。
2.2设备驱动程序的开拓
嵌入式开拓的难点在于设备驱动的开拓，Linux内核虽然有85%的驱动程序，但都是些常见的设备驱动，对付用户板载的非常见设备，就须要自己编写驱动程序加载进内核。Linux操作系统将所有的设备都算作文件，以操作文件的办法访问设备，运用程序必须利用统一的接口函数调用硬件驱动程序。接口函数凑集在file_operations类型的数据构造中，struct file_operations的成员全部是函数指针，这些指针指出了设备驱动程序所供应的入口点位置，即函数跳转表。对付不须要的函数接口可以直接初始化为NULL，也可不定义，但此时将会调用缺省函数[4]。当运用程序利用read、write、ioctl等函数读写、掌握设备时，驱动程序的file_operations构造中的相应成员就会被调用。因此编写驱动程序便是为详细硬件的file_operations构造编写各个函数。
AD7760的驱动程序中定义的file_operations为:
static struct file_operations AD7760_fops =
{
.owner = THIS_MOUDLE,
.write = AD7760_write,
.read = AD7760_read,
.open = AD7760_open,
.release = AD7760_release,
};
2.3主程序流程图
系统初始化后，进入功能菜单页面，按照面向操为难刁难象的原则，功能菜单以树的形式展开页面。主程序流程图如图7所示，图7(b)是图7(a)的E树枝。
3 形态提升的自适应多尺度算法
目前小波剖析运用在旋转机器的故障诊断方面取得了很好地效果，但是对不同的故障旗子暗记，小波基的选择具有一定的难度，同时阈值选择得不当也使其抑制噪声效果不明显。基于形态提升小波的自适应多尺度算法是利用形态提升小波保留脉冲旗子暗记的特点将微弱脉冲在一定程度上放大，减少低频旗子暗记的滋扰，再利用自适应多尺度滤波对冲击进行匹配，这样提取脉冲旗子暗记效果更加明显[6]。形态提升采取非下采样的办法进行移不变扩展。
3.1多尺度形态滤波
定义s为多尺度形态膨胀和堕落，sg为s尺度下的构造元素，故多尺度形态梯度MGs(x)为:
3.2 自适应多尺度形态梯度算法
当机器发生损伤性故障时,会产生突变的冲击旗子暗记,其数学模型如下：
个中,,s为尺度因子，u为位移因子，v为频率因子，w为相位因子。
参考文献[6]提出了自适应多尺度变换后的旗子暗记fg(n)为：
个中，sk为第k个尺度，wk为权重函数。
4 实例剖析
为验证诊断仪在实际运用中的效果，采取实验室故障诊断平台中的轴承作为故障旗子暗记来源，轴承节径为39.5 mm，滚动体直径为7.5 mm，滚动体个数为12个，采样频率设为10 kHz，转频选为15 Hz。根据轴承故障特色频率公式打算得到外圈故障频率72.9 Hz，内圈故障频率107.09 Hz。图8是轴承外圈时域波形和频谱图，从频谱图可以明显看到故障旗子暗记72.63 Hz，这与打算的外圈故障特色频率理论值吻合，故可断定为外圈故障。由实验结果可以证明诊断仪采取的共振解调技能和基于形态提升小波的自适应多尺度算法能够有效提取微冲击旗子暗记，准确判断机器的故障类型。
本文将ARM和嵌入式Linux操作系统运用于便携式点巡检机器故障诊断仪，该仪用具有强大的数据处理能力、多任务实时调度和高稳定性，具有丰富的外设接口，通信办法多样化，知足了高可靠性、批量数据实时处理的哀求。数据采集的硬件部分采取共振解调技能，从硬件上肃清噪声,有效地提取冲击旗子暗记，24位高速A/D转换器AD7760使得转换的数据精度高达0.178 8 μV。 在软件上采取了基于形态提升小波的自适应多尺度算法，该方法改进了形态小波阈值选择的难度并摆脱了冲击旗子暗记先验知识的限定。故障实例剖析很好地证明了该诊断仪对故障旗子暗记提取的有效性。
参考文献
[1] 王旭,高立新.基于共振解调的嵌入式数据采集剖析仪的研究[J]. 机器设计与制造,2009(9):57-59.
[2] 周凤星,程耕国,梁巍.共振解调和小波剖析在机器故障诊断中的运用[J]. 系统工程与电子技能,2005,27(6):1128-1131.
[3] 韦东山.嵌入式Linux运用开拓完备手册[M].北京：公民邮电出版社,2008.
[4] 曹毅,何慎学,陈会鸽.ARM-Linux外扩AD驱动程序的研究与实现[J].自动化与仪表,2010,25(9):45-48.
[5] 刘胜洋,魏星.高精度高速率的模数转换器[J].电子技能,2008，45(4):34-37.
[6] 严保康,周凤星. 一种基于形态提升的自适应轴承微冲击提取方法[J].振动与冲击,2013,32(24):198-203.
