【導讀】在工業應用中，基於振動檢測的機器狀態監控(CbM)越yue來lai越yue重zhong要yao。公gong司si尋xun求qiu優you化hua機ji械xie壽shou命ming和he性xing能neng並bing降jiang低di擁yong有you成cheng本ben
，同tong時shi有you些xie企qi業ye試shi圖tu圍wei繞rao此ci類lei信xin息xi的de提ti供gong開kai發fa新xin的de業ye務wu模mo式shi。為wei了le準zhun確que表biao示shi需xu要yao監jian控kong的de機ji械xie
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，便bian可ke創chuang建jian算suan法fa或huo閾yu值zhi檢jian測ce例li程cheng來lai為wei該gai設she備bei提ti供gong正zheng確que的de分fen析xi。

電路功能與優勢

在工業應用中
，基於振動檢測的機器狀態監控(CbM)越yue來lai越yue重zhong要yao。公gong司si尋xun求qiu優you化hua機ji械xie壽shou命ming和he性xing能neng並bing降jiang低di擁yong有you成cheng本ben，同tong時shi有you些xie企qi業ye試shi圖tu圍wei繞rao此ci類lei信xin息xi的de提ti供gong開kai發fa新xin的de業ye務wu模mo式shi。為wei了le準zhun確que表biao示shi需xu要yao監jian控kong的de機ji械xie，必bi須xu收shou集ji大da數shu據ju集ji以yi確que定ding設she備bei在zai正zheng常chang工gong作zuo模mo式shi下xia和he故gu障zhang情qing況kuang下xia的de基ji線xian工gong作zuo點dian。一yi旦dan收shou集ji到dao這zhe些xie數shu據ju

，便bian可ke創chuang建jian算suan法fa或huo閾yu值zhi檢jian測ce例li程cheng來lai為wei該gai設she備bei提ti供gong正zheng確que的de分fen析xi。

CbM需要捕獲全帶寬數據，以確保時域和頻域中的所有諧波
、混疊及其他機械相互作用都得到考慮。這種數據收集需要高性能傳感器和數據采集(DAQ)係統，以便向數據分析工具或應用程序提供高保真度的實時數據。

使用成熟的工具（如MATLAB®）或基於Python的較新工具（如Tensorflow），可以大大簡化數據分析
、機械性能分析和智能決策算法的創建。

由於有傳感器
，振動檢測傳統上已在大多數CbM應用中占主導地位，分析背後的科學原理得到了更好的理解。集成電子壓電(IEPE)標準是當今工業中普遍使用的高端微電子機械係統(MEMS)和壓電傳感器的流行信號接口標準。

圖1. CN-0549係統框圖

電路描述

振動分析

由於有傳感器
，振動檢測傳統上已在大多數CbMyingyongzhongzhanzhudaodiwei，fenxibeihoudekexueyuanlidedaolegenghaodelijie。raner，ruguoxuyaofenxiyitaixinshebei
，huozhexuyaogenghaodilejietedingshiyongqingkuangruheyingxiangshebei
，gaizenmeban
？weilehuodebiyaodedongcha，shouxianxuyaolejiejiqizaizuiyoutiaojianxiahezaiyoufaguzhangdetiaojianxiagongzuodexingweifangshi。tu2提供了一個例子，說明了在有振動源的情況下工作時頻譜的樣子。

圖2.振動源的頻譜示例

振動傳感器—IEPE接口

IEPE是當今工業中普遍使用的高端壓電振動傳感器的流行接口標準。IEPE接口是2線信令標準
，僅包含信號和接地。DAQ卡（如CN-0540）通過信號線為CN-0532振動傳感器提供電流，而電壓為任意電壓，通常在10 V到30 Vzhijian。youyuxinhaoxianyoudianliuyuangongdian，guerchuanganqikeyitiaozhidianyaguishangdejiasudushuju。yinci

，dangendaoxiantongshiyongyutigongchuanganqidedianyuanhetiaozhishuchudianya。

MEMS與壓電

壓電加速度計因其寬帶頻率響應和對振動激勵的敏感性而在當今的CbM市場上占主導地位。但是，MEMS技術的最新發展讓壓電和MEMS加速度傳感器之間的差距比以往任何時候都更小。

CN-0532 IEPE MEMS振動傳感器基於ADXL1002。噪聲和帶寬可與壓電傳感器媲美，同時ADXL1002在溫度靈敏度
、直流至低頻響應、相位響應（因而群延遲）、抗衝擊性和衝擊恢複性方麵具有優異的性能。該傳感器的線性（±0.1%滿量程比(FSR)範圍內）測量範圍為±50 g，足以支持各種振動應用。有關ADXL1002及其在IEPE接口中如何使用的更多信息，請訪問CN-0532網頁。

當使用CN -0549時，可以直接將壓電傳感器性能與基於MEMS的傳感器解決方案性能進行比較。

機械傳感器安裝

CbMyingyongdezhuyaotiaozhanshiyaozaimoniheshuzishijiezhijianjiaqiqiaoliang。congbeijiancedejiqihuoqukekaodechuanganqishujubingsongruchuliqijuyoutiaozhanxing。shouxianyeshizuizhongyaodeshi，bixuzaichuanganqihebeijianceshebeizhijianjianlilianjie。yidananzhuangdaojiqishang，wubiquebaozhendongpinpubuhuiyinanzhuangchuanganqisuoyinqiderenhejixieyichanghuoyingxiangergaibian。

圖3. EVAL-XLMOUNT1和EVAL-CN0532-EBZ

EVAL-XLMOUNT1是一個五邊安裝立方體，允許用戶將CN-0532連接到一台設備
，而傳感器不會影響數據。EVAL-XLMOUNT1的設計和測試確保了機械安裝所引起的所有誤差源都被移除到20 kHz的頻率。另外還對安裝立方體進行了陽極氧化處理
，以在鋁表麵上形成非導電層，防止短路。

數據采集—IEPE

典型的數據采集是直接獲取電壓和電流，然後將其轉換為數字碼。但是，IEPE接口不同，需要更特殊的DAQ板。DAQ板必須能夠以正確的電流和激勵電壓電平為傳感器供電，並且能夠回讀傳感器收集到的數據（其在相同激勵電壓上進行調製）。

CN-0540是一款24位單通道DAQ係統
，已針對與IEPE傳感器接口進行了優化（參見圖4）。該DAQ係統能夠為傳感器提供大約26 V的最大激勵電壓。 AD7768-1 ADC以256 KSPS采樣
，這意味著每秒有6.144 Mbps的數據被送到處理器。 有關所用數據采集的更多詳細信息
，請訪問CN-0540網頁。

現場可編程門陣列(FPGA)主機

CN-0540硬件的外形尺寸為標準Arduino®尺寸，因此任何能夠支持必要的數據速率、電氣引腳排列和Arduino尺寸的機械外形尺寸的處理係統都能支持CN-0540。它支持兩家主要FPGA製造商的開發係統，即Intel DE10-Nano片上係統(SoC)平台和Xilinx Cora Z7-07S SoC平台
，並提供完整的參考設計。硬件設備語言(HDL)參考設計作為開源軟件提供。因此，根據客戶的偏好，這些設計可以輕鬆移植到其他平台。有關HDL文件和文檔的更多信息
，請訪問CN0540 HDL用戶指南頁麵。

之所以明確選擇基於FPGA的SoC，是因為CN-0540可以產生大量的高精度數據。與CPU處理相比，FPGA邏輯能以低得多的功耗高效執行固定處理，使得嵌入式ARM®有時間來執行其他任務。

軟件架構和基礎結構

DE10-Nano和Cora Z7-07Ss SoC平台均運行Linux來連接和控製CN-0540。Linux通過ADI公司Kuiper Linux發行版提供
，該發行版基於Raspbian，包括用於嵌入式開發和調試的標準軟件工具，例如標準編譯器，甚至有Python之類的解釋器。隨同此發行版提供的內核包括控製CN-0540不同器件所需的驅動程序。

CN-0540的驅動程序在標準內核驅動框架中提供，該框架稱為工業輸入輸出(IIO)框架。IIO框架支持ADI公司及許多其他供應商生產的產品，例如轉換器、放大器、傳感器和其他幾個器件。

圖4.CN-0540簡化功能框圖

底層控製

IIO驅動程序既能控製CN-0540，也能處理數據或緩衝區收集方麵的任務。若要與最底層的驅動程序（包括寄存器訪問）接口，可以使用IIO庫(libIIO)。libIIO本身可以直接在SoC板上運行代碼，或從主機PC遠程運行代碼
，從而與驅動程序通信。它提供了一個用於調試IIO器件的標準圖形界麵IIO-Oscilloscope。該工具標配移動快速傅立葉變換(FFT)，允許用戶將傳感器帶寬內發生的任何振動異常可視化，這樣即使不連接外部PC也能進行基本的調試和分析。

IIO-Oscilloscope支持可定製插件以簡化與特定驅動程序集合的交互。CN-0540有一個特定插件來幫助通過校準消除IEPE偏置誤差，並使電路的放大器增益最大化。此校準一般可以通過IIO-Oscilloscope完成，但該插件使用戶的校準過程更加簡單。

圖5.CN-0540 IIO-Oscilloscope插件圖形用戶界麵

算法開發—MATLAB和Python

一旦通過IIO-Oscilloscope完成驗證，確認係統運行符合預期，用戶就可以遷移到其他用於數據分析的語言和工具的接口。CN-0540可以與C/C ++接口。但是
，主要的工具集成是以Python和MATLAB提供的
，目的是簡化工作流程，讓數據輕鬆進入Python端的Tensorflow和PyTorch之類的框架，或進入MATLAB的不同工具箱中。

CN-0540的Python支持通過pyadi-iio模塊提供。該模塊提供了易於使用的應用程序編程接口(API)，適合數據科學家和算法開發人員使用。該模塊預裝了Kuiper Linux，也可以通過Python軟件包索引PyPI獲得。圖6是連接裝有ADXL1002的CN-0540並從中獲取數據的簡單示例。

圖6.CN-0540 Python示例

CN-0540的MATLAB支持通過Analog Devices Sensor Toolbox提供，這是一個獨立自足的工具箱
，包含示例、接口類以及針對傳感器等硬件的目標基礎結構。MATLAB接口類（如Python類）遵循一個通用API
，該API基於MathWorks的曆史API。同Python一樣
，接口類提供易於使用的API
，適合數據科學家和算法開發人員使用。圖7是連接裝有ADXL1002的CN-0540並從中獲取數據的簡單示例。

圖7.CN-0540 MATLAB示例

該工具箱可直接從MATLAB的Addon Explorer或通過GitHub的安裝程序安裝。

常見變化

添加更多傳感器需要有更多DAQ通道可用。如需更多輸入通道，AD7768-4最多有4個通道，而AD7768最多有8個輸入通道可用。

如需不同帶寬或G值範圍的MEMS振動傳感器


，可以使用ADXL1003、ADXL1004和ADXL1005 MEMS加速度計。

電路評估與測試

設備要求

需要以下設備：

•EVAL-CN0532-EBZ

•EVAL-CN0540-ARDZ

•EVAL-XLMOUNT1

•DE10-Nano FPGA開發板

•超小型 A (SMA)電纜

•高清多媒體接口(HDMI)電纜

•安裝有Kuiper Linux映像的16 GB MicroSD卡

•USB on the go (OTG)適配器

•帶有USB加密狗的無線鍵盤和鼠標

係統設置

係統設置參見圖8。

圖8.CN-0540連接到裝有CN-0532傳感器的DE10-Nano

開始使用

以下是測試係統和啟動運行所需的基本步驟。

1.使用Analog Devices Kuiper Linux網頁上的最新軟件映像來準備microSD卡。（請注意，此步驟未在圖9中顯示。）

2.使用Arduino引腳連接器將CN-0540 DAQ板和DE10-Nano FPGA平台連接在一起。

3.使用SMA連接器將CN-0532連接到CN-0540。請注意，CN-0532上沒有SMA連接器
，因此請剪斷電纜並直接焊接至該板。

4.使用安裝模塊隨附的螺釘將CN-0532連接到EVAL-XLMOUNT1的一側。

5.在DE10-Nano上，插入microSD卡，連接USB OTG適配器
，然後從監視器插入HDMI電纜。

6.通過DE10-Nano評估套件隨附的5 V直流壁式電源為DE10-Nano供電。

圖9.CN-0540連接到帶外設的DE10-Nano

有關使用DE10-Nano或其他支持的平台來使係統運行的詳細步驟，請參閱CN0549用戶指南。

測試結果

請執行以下步驟來測試係統：

1.使用EVAL-XLMOUNT1將CN-0532安裝到可編程振動源上。最好使用振動台或等效設備。

2.打開CN-0540 IIO-Oscilloscope插件
，校準傳感器偏移並使用校準例程寫入偏移電壓。

3.啟動振動源並創建2 kHz的振動音。

4.轉到IIO-Oscilloscope上的捕捉窗口
，設置包含16384個樣本且進行3樣本平均的頻域圖。

5.點擊Capture（捕捉）窗口中的Play（播放）按鈕（參見左上方）。

6.確保像預期一樣，頻譜中有2 kHz信號音。請注意，由於振動源或非理想機械附件，圖中可能會看到其他一些雜散信號。

圖10.使用CN-0532和CN-0540的IIO-Oscilloscope捕捉畫麵

了解更多

CN0549設計支持包：https://www.analog.com/CN0549-DesignSupport

數據手冊和評估板

CN-0540參考設計板(EVAL-CN0540-ARDZ)

CN-0532參考設計板(EVAL-CN0532-EBZ)

MEMS機械安裝模塊(EVAL-XLMOUNT1)

DE10-Nano FPGA開發板

I2C指最初由Philips Semiconductors（現為NXP Semiconductors）開發的一種通信協議。

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，但(dan)是(shi)並(bing)未(wei)默(mo)認(ren)授(shou)予(yu)其(qi)他(ta)許(xu)可(ke)
，或(huo)是(shi)通(tong)過(guo)此(ci)參(can)考(kao)設(she)計(ji)的(de)應(ying)用(yong)及(ji)使(shi)用(yong)而(er)獲(huo)得(de)任(ren)何(he)專(zhuan)利(li)或(huo)其(qi)他(ta)知(zhi)識(shi)產(chan)權(quan)。ADI公司確信其所提供的信息是準確可靠的。不過，參考設計是以“原樣”的方式提供的
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