基于嵌入式系統(tǒng)的巡檢器設(shè)計(jì)

0  引言

在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，為了確保機(jī)械設(shè)備能夠安全可靠的運(yùn)行，可以利用故障診斷技術(shù)來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并采取合理的維修或保護(hù)措施來(lái)排除故障，從而預(yù)防和避免事故的發(fā)生。根據(jù)故障診斷儀器出現(xiàn)的先后順序，可以將其分為便攜式檢測(cè)和分析儀表、在線監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)分析與診斷系統(tǒng)、智能診斷系統(tǒng)等四類。目前，對(duì)于重要的大型關(guān)鍵設(shè)備，往往采用在線監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)，而對(duì)于那些不便安裝在線系統(tǒng)的場(chǎng)合或設(shè)備，其使用的巡檢儀器要么功能過(guò)于簡(jiǎn)單，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)分析和存儲(chǔ)管理，要么體積龐大，不便攜帶。針對(duì)這一情況，本文給出了開(kāi)發(fā)基于嵌入式技術(shù)的設(shè)備故障診斷巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該方法既可沿巡檢路徑進(jìn)行檢測(cè)，又可采集自由測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并且豐富了便攜式儀器的現(xiàn)場(chǎng)診斷功能，此外，檢測(cè)數(shù)據(jù)還可以在上位機(jī)中進(jìn)行綜合分析和診斷。

這種多路巡檢器適用于多點(diǎn)測(cè)量顯示及控制，集多臺(tái)儀表功能于一體，可巡回檢測(cè)和顯示多路信號(hào)，并可與各類傳感器、變送器配合使用，以對(duì)多路溫度、壓力、液位、流量、振動(dòng)等工業(yè)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)、報(bào)警、控制、現(xiàn)場(chǎng)存取數(shù)據(jù)，以及通過(guò)USB輸出、數(shù)據(jù)采集與上位機(jī)通訊。 

該儀器集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、追憶、通信功能于一體，且具有體積小，重量輕，便于攜帶，操作方便等特點(diǎn)。另外，還可將采集數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)作進(jìn)一步的分析處理。

1 嵌入式巡檢器的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)總體上由前端的嵌入式儀器和后端的服務(wù)器兩部分組成。前端儀器用于完成巡檢(或點(diǎn)檢)工作，具有信息采集(包括振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)，瓦斯?jié)舛刃盘?hào))、波形分析、頻譜分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和追憶、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。后臺(tái)管理軟件可通過(guò)通信接口向前端儀器下達(dá)巡檢計(jì)劃，接收前端儀器的巡檢數(shù)據(jù)，并做進(jìn)一步的分析處理，以便給出診斷結(jié)論，并將診斷結(jié)論通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布。

系統(tǒng)硬件主要由傳感器、嵌入式智能儀器、液晶屏、USB接口、SD存儲(chǔ)模塊等組成。圖1所示是其總體結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、顯示、分析、通信、存儲(chǔ)管理、故障診斷等功能。前端儀器的模擬信號(hào)采集可采用8通道，也可同時(shí)采集四路振動(dòng)信號(hào)(振動(dòng)加速度、速度或位移)，以在液晶屏上顯示振動(dòng)加速度，速度量。傳感器的類型和靈敏度可根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)觸摸屏在應(yīng)用軟件中進(jìn)行選擇設(shè)置，操作十分方便。



儀器內(nèi)核采用ARM7TDMI-S微控制器，它內(nèi)嵌512 KB的快速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速度結(jié)構(gòu)可使32位代碼在最大的時(shí)鐘速率下運(yùn)行。系統(tǒng)軟件則采用μC-OSII操作系統(tǒng)，運(yùn)行于其上的應(yīng)用軟件除了可以采集振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)、瓦斯?jié)舛刃盘?hào)之外，還可以做預(yù)析，并將結(jié)果顯示在液晶屏上。

由于機(jī)械設(shè)備的故障現(xiàn)象與故障原因之間并不存在簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即使是同型號(hào)的設(shè)備，由于裝配及工作條件的不同，其工況狀態(tài)及故障模式也往往存在差異，因此，在系統(tǒng)的后端，可以廣泛采用各種分析診斷方法，并且在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可操作性和可維護(hù)性、開(kāi)放性等因素，以保證系統(tǒng)能夠有效應(yīng)用于不同的設(shè)備和運(yùn)行條件之中。[!--empirenews.page--]

所謂可擴(kuò)展性，就是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，在基本功能不變的基礎(chǔ)上，適當(dāng)擴(kuò)展其新功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械等不同類型機(jī)械設(shè)備的功能定制，滿足用戶需要；

可操作和可維護(hù)性一般指巡檢儀器界面友好，操作使用方便，維護(hù)和升級(jí)容易等；

開(kāi)放性表示服務(wù)器中的巡檢信息數(shù)據(jù)庫(kù)可以方便的與企業(yè)互聯(lián)，便于企業(yè)的信息管理。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

技術(shù)領(lǐng)先、運(yùn)行可靠的硬件平臺(tái)是系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的前提和基礎(chǔ)，也是儀器質(zhì)量的保證。在系統(tǒng)前端儀器的設(shè)計(jì)中，可采用基于ARM7TDMI-S CPU的微控制器，該方案的運(yùn)算和處理速度快，并可擴(kuò)展4GB的SD存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)空間大，可滿足巡檢和點(diǎn)檢數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求；而開(kāi)發(fā)USB接口則可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程通信；其人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)可采用12864液晶屏，以使圖像清晰，操作方便。

2.1 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集是本系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一。其傳感器輸入接口如圖2所示，它主要由信號(hào)類型選擇開(kāi)關(guān)、放大電路、濾波電路組成。其中選擇開(kāi)關(guān)用于確定輸入處理器的信號(hào)是LCP傳感器輸出的速度信號(hào)還是加速度信號(hào)。



2.2 存儲(chǔ)和接口電路

本系統(tǒng)前端儀器采用4GB的SD存儲(chǔ)卡來(lái)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。該卡具有多功能的USB接口，可通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行人機(jī)交互，從而實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。

3 儀器軟件的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的功能模塊，可將整個(gè)系統(tǒng)劃分為5個(gè)并行存在的任務(wù)來(lái)運(yùn)行，各個(gè)任務(wù)完成相對(duì)獨(dú)立的功能。對(duì)任務(wù)的調(diào)度可按優(yōu)先權(quán)的高低來(lái)進(jìn)行，優(yōu)先權(quán)的設(shè)置可按照整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序來(lái)確定。對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行比較重要和對(duì)實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的任務(wù)，可以設(shè)置較高的優(yōu)先級(jí)。各個(gè)任務(wù)根據(jù)優(yōu)先級(jí)由高到低依次如下：8個(gè)A／D預(yù)處理任務(wù)、液晶顯示任務(wù)、USB通信任務(wù)、鍵盤(pán)任務(wù)和系統(tǒng)服務(wù)任務(wù)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)固定不變。

本系統(tǒng)中的各個(gè)任務(wù)之間，都有數(shù)據(jù)需要交換，因此，可采用消息機(jī)制進(jìn)行任務(wù)間的通信，即通過(guò)消息郵箱向各個(gè)任務(wù)發(fā)送消息，依次完成數(shù)據(jù)的傳遞。在由μC-OSII管理的多任務(wù)機(jī)制下的程序流程如圖3所示。



4 結(jié)束語(yǔ)

基于嵌入式技術(shù)的設(shè)備巡檢器可以確保前端儀器的小型化、便攜式和易用性。而ARM7TDMI-S CPU架構(gòu)的ARM微處理器和穩(wěn)定可靠的μC-OSII操作系統(tǒng)則為該智能儀器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供了基礎(chǔ)。該巡檢器內(nèi)的4GB的μC-OSII卡可對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和預(yù)處理，同時(shí)還可對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)分析，也可以將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB上傳至上位機(jī)進(jìn)行再處理和再分析，從而提高設(shè)備故障診斷的可靠性和設(shè)備管理的自動(dòng)化水平，為設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)和保障。