作者 赵佳楠 张丕状 中北大学 信息勘探与处理技能研讨所(山西 太原 030051)
赵佳楠(1989-)，男，硕士生，研讨方向：依据嵌入式的高速数据收集存储体系。
摘要：为了能够监测工厂机器的健康状况，并在机器呈现毛病预兆时尽早发现，本文规划了一套丈量其关键部位振荡状况的体系。该体系选用了依据FPGA的多通道大容量数据收集计划，并运用32片加速度传感器(型号为MPU6050)作为振荡数据的收集模块。对保存下来的数据进行了频谱剖析、去噪。当丈量振荡幅值时，加速度计的输出信号要经两次积分，引进的漂移将会随时刻越来越大[1]。为了削减漂移带来的影响，选用半周期积分算法来制作机器各个关键部位的振荡轨道。经过制作的各频率重量的振荡波形，并与历史记录相比较，能够起到监测机器作业健康状况的效果。
导言
跟着我国工业化程度越来越高，工厂中参加出产的现代化机器逐步向大规模和高精度的特色开展，机器的各部分零件的联接严密程度也越来越高。跟着机器作业时刻的增加，各部分零件之间会发生必定的磨损。那么关于机器的健康状况的检测就成了一个削减丢失很重要的办法。
现有的毛病诊断办法全体上分红定性剖析法和定量剖析法两大类[2]，其间定量剖析法又分为数据驱动的办法和依据解析模型的办法[3]。数据驱动的办法主要由五大类组成：信号处理、粗糙集、多元统计剖析、信息交融及机器学习。本文是针对该办法中的信号处理分支所进行的算法研讨。
常见的信号处理剖析技能有以下几种：幅值域剖析、时域剖析、频域剖析和时频域剖析——小波剖析办法[4]。在幅值域剖析办法中，人们是对收集到的振荡点处的加速度信号进行处理，得到其相应的速度及幅值曲线。由加速度数据取得振荡点的速度及幅值曲线需求经过两次积分，跟着漂移的引进会使得关于积分成果的剖析反常困难。
借助于机器振荡的周期性以及相关于停止点的对称性等特色，本文选用了一种半周期积分算法。该算法能够很好地消除因为漂移带来的累积的积分差错，并将该差错约束于半个周期内。选用该算法取得的振荡点的速度及幅值曲线能够很好地描绘测试点的振荡状况。
1 机器健康状况监测原理
1.1 振荡点的振荡信号来历剖析
图1所示为实测的机器振荡点的加速度频谱图。由图可知，测试点的振荡来历不是单一的，是由衔接该振荡点的各个零件的振荡一起叠加构成的。其叠加后的振荡信号经过FFT改换发生的新的谐波重量能够必定程度上反响各个机器零件的振荡状况。每个零件振荡的中心频率一般是不变的[5]，可是跟着该零件的磨损程度逐步加剧，该零件振荡的中心频率会发生必定的偏移，并会对该振荡测试点的各振荡频率重量发生显着的影响[6]。
假如一个零件的磨损状况较为严峻，其工作时会加剧测试点的低频重量;假如一个零件发生开裂等严峻的损坏，更是会直接影响到测试点的谐振频率散布。
1.2 振荡信号的处理与剖析
首要，被测振荡点一般挑选为各个零部件结合部，关于该监测点的监测才具有必定的参考价值。
其次，关于收集到的振荡点的加速度数据，咱们需求经过频谱剖析，判别出哪些频率重量具有监测含义。频谱中存在不小的直流重量，这是需求咱们去除去的。直流重量的来历有以下两点：一是传感器自身的零漂，二则是重力加速度在测试点振荡方向上的重量。滤掉直流重量后，将具有监测含义的谐振频率重量分离出来，并独自进行处理。
最终，将每一个独自分离出来的频率重量，经过半周期积分算法进行处理，制作出该频率重量的幅值曲线。经过对该幅值曲线进行幅值域剖析，获取其无量纲的幅值域参数，如裕度、峭度、波形、峰峰值、脉冲、斜度等，并与历史记录相比较，能够显着地显示出反常发生，以此来起到监测机器健康状况的效果。
2 硬件结构以及算法处理
本体系选用依据FPGA的大容量存储收集体系来监测机器的振荡状况。其硬件结构为：主控芯片选用的是Xilinx公司的Spartan-3E系列的XC3S500E，一起运用了4片三星公司的NAND FLASH (K9NBG08U5A)芯片，该芯片每片有4GB的存储容量;加速度传感器选用的是MPU6050，其为6轴加速度陀螺仪传感器。主控芯片内部选用了MicroBlaze核进行数据处理，因为其内部数据以及地址总线都是32位，因而，在不选用模仿开关的状况下，最多能够一起对32路传感器进行数据存储。该体系选用USB口经过上位机对存储于FLASH中的数据进行读取，再在PC机上经过MATLAB进行数据处理以及轨道康复。
2.1 硬件规划
硬件的数据收集存储结构图如图2所示，运用的传感器模块巨细为40mm×20mm。传感器模块选用柔性印制电路板，便于紧贴被测振荡点外表。
2.2 硬件程序
FPGA内部调用了MicroBlaze、中止等IP核，而且经过调用自己写的一个DMA程序生成的IP核来进行直接数据存储，加快了数据存储速率。
在SDK中，经过C言语写了FLASH、USB及I2C的一些驱动函数，经过上位机对该体系进行数据收集速率以及存储收集时刻的装备，能够依据不同的监测条件挑选适宜的数据收集形式。
2.3 硬件相关参数
一般的单轴或许双轴加速度传感器都是垂直于振荡方向的，无法进行丈量。因而，选用了具有丈量Z轴加速度功用的传感器MPU6050。
其加速度的丈量规模选定为±16g，采样频率为1kHz，输出接口为I2C，内置AD的分辨率为16位。
2.4 加速度传感器的标定
关于单频率细小振荡轨道的制作，需求战胜以下难点：
1) 怎么消除传感器自身的零漂;
2) 怎么标定传感器自身的份额因子活络系数;
3) 怎么消除数据的积分累积差错。
如表1，数据手册标明传感器Z轴零漂规模为±80mg，而份额因子活络系数的初始校准精度为±3 %。
为进步振荡点的丈量精度，在运用加速度计前需求对其各项参数进行标定。咱们选用一种标定零漂和标度因子的六姿势校准办法，并树立标定方程来进步振荡轨道制作精度。
