吴祥
南京高华科技股份有限公司 江苏南京210000
摘要：振动的轻微变化是轴承错位磨损，机械部件和其他机械，包括工业设备故障。单是用于发电的风轮机全球至少安装了25万台以上。这些电子装置能否正常、可靠的运行成为了工业和政府部门着重研究的课题。如果进行预防性维修，企业、政府就可以避免昂贵设备的损坏，防止发生故障，防止昂贵生产效率的损失。
关键词：振动传感器；预防性维护；无线振动
许多工业设置包括电机需要维护，因为他们老化和停止正常工作。这种维护是昂贵的，而且如果没有预测和考虑到维护的需要，可能会出现重大的停机时间。可以在单个硬币电池上运行的无线监视器几乎可以放置在任何地方，不需要经常访问，这是工业设置的理想选择使用无线振动传感器设计的电机监控提供了一个无线电机监控子系统，该子系统可以运行在一个CR2032硬币电池上，电池寿命为10年以上。这就使得一个小型的电机监控器可以被放置在难以触及的位置，而且不需要经常被触及来更换电池或通过有线连接访问数据。本设计使用TexasInstruments公司的CC1350SimpleLink超低功耗双频无线微控制器读取传感器数据，通过计算2KFFT处理该数据，并通过超低功耗2.4GHz蓝牙低eneray或Sub-1GHz网络发送数据。本设计指南中提供的固件使用TexasInstruments的蓝牙低能量软件堆栈在与另一个设备连接时以通知的形式发送FFT数据。在高级别上,这个设计由CR2032硬币电池,一种超低功耗无线单片机,压电加速度计获取的振动数据,一个模拟-数字转换器(ADC)样本数据和负荷开关,提高变换器门系统。CC1350单片机上的实时时钟仅用于在可配置的时间间隔唤醒系统。当系统上电时，加速度计采集振动数据，ADC转换数据通过SPI发送给单片机，单片机计算数据的FFT，数据通过蓝牙低能量发送给另一个设备。然后，接收数据的设备可以指示电机监视器断电，直到再次进行振动测量的时候。本设计指南介绍了该设计系统的部件选择、设计理论和测试结果。该设计的范围允许设计师使用TI的模拟前端(AFE)组件和TI的SimpleLink超低功耗无线MCU平台开发电机监控应用程序。下面的小节描述了设计系统中的关键块，以及什么特征对于最佳地实现相应的功能是最关键的。系统架构如图1所示。
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图1系统架构
1设计考虑
1.1超低功耗的无线MCU
在这个设计中，采集到的振动数据和数据的FFT需要发送到另一个设备，以便它可以用来判断是否需要维护或即将需要维护。考虑到一个小设备有足够长的电池寿命，可以把显示器放在难以触及的位置。然而，无线电和处理器也必须是低功耗的。CC1350有两个天线，允许数据通过蓝牙低eneray或低于1GHz的网络传输，这取决于什么设备将接收数据以及它将如何存储和访问。Tl的SimpleLink超低功耗无线MCU平台，结合无线电和MCU，使无线电机监视器的电池寿命极长。
1.2压电加速度计
压电加速度计可以精确地测量振动，从而对电机的健康状况进行量化。本设计使用IMISensors@.的66192CPZ1该器件具有良好的设计灵敏度，其10khz的频率范围允许滤波后稳定的输入信号到ADC。它还具有高度的线性度，这允许更精确的数据。
1.3模拟数字转换
该参计采用外部电压的ADC对运放级的输出进行数字化。ADS8866是一个16位SARADC，为无线马达监视器的设计提供了必要的分辨率和采样。该设备通过SPI与MCU通信，高分辨率允许精确的FFT计算和观察。ADC的数字电源直接连接到电池的输出端，以匹配无线MCU的数字输入/输出引脚电压水平。ADC使用外部电压源，以提供跨环境温度、负载、输入电源和时间稳定的输出电压。REF5030提供了一个低噪声、低漂移、非常高精度的电压基准。标准级设备具有初始输出电压精度±0.1%(max)，温度漂移8ppm/C(max)，1000小时后长期稳定45ppm/1000小时(typ)，输出电压噪声3vp/V(typ)在100khz采样率下，ADC在3V工作时消耗230μA，而电压为800μA的静态电流。为了满足本设计的电池寿命目标，在系统待机模式下，必须完全关闭ADC和电压。当需要振动测量时，ADO和电压基准被上电。
1.4低电流Boost转换器
一些传感器端节点需要一个稳压导轨，以其最高水平的传感性能运行。为了在电池的整个使用寿命中提供一个良好调节的电压轨，boost变换器是必要的。然而，为了减少因变频器效率低下而造成的电池寿命损失。需要一个非常高效的升压变换器。在本设计中，TPS61291装置将电池电压调节到3.3V。当电池电压为3.0v时，在传感器端节点负载电流类型为1到100ma时，TPS61291的效率水平保持在95%以上。即使在2.0v的耗尽硬币电池电压下，TPS61291器件在1至100mA的典型负载电流范围内仍能保持超过90%的效率水平。升压变换器为传感器子系统(包括运算放大器、ADC和电压基准)提供工作电压。
1.5低电流负荷开关
本设计采用低泄漏负载开关切断设计中传感器子系统的电源，只留下CC1350无线MCU和温度传感器的电源。传感器子系统包括升压变换器、运算放大器、ADC和电压基准。该开关最重要的特性是off-state漏电，因为这种漏电严重影响系统的整体电池寿命在本设计中，TPS22860装置是用于断开传感器子系统与电池的开关。TPS22860在VIN引脚处的典型漏电流为2na，在VBIAS引脚处的漏电流为10na，这使得该系统的电池寿命非常长。
1.6硬币电池
这个设计的电源是一个CR2032硬币锂离子电池。CR2032硬币电池是电源，因为这种类型的电池无处不在。
锂离子CR2032硬币电池的电压特性也很理想。在整个放电寿命中，输出电压保持相对平稳，直到电池几乎耗尽。当电池耗尽时，输出电压下降相对较快。紧接着电池是两个低Rps的p通道mosfet和一个大容量电容器。P。沟道mosfet防止损坏硬件，如果硬币电池是反向插入，同时最大限度地减少正向电压降在正常工作。大容量电容器的大小是为了防止太多的电压降，特别是在过渡到MCU的无线电传输开关状态期间。
3测试结果
3.1功率测试
由于本设计的主要目的是展示一个电池供电的无线传感器，因此对系统的功耗进行表征是至关重要的。这个设计主要保持在备用状态，这是默认状态。在这种状态下，保持尽可能低的功耗是至关重要的，这样才能使系统的电池寿命最大化。在此状态下，CC1350接收电源，但将进入待机模式，以减少功耗。TPS22860负载开关关闭，完全切断运放、ADC、VREF的电源。和升压转换器在模拟输入级。
整个系统的平均电流消耗在待机模式时操作。不同电池电压下的电流消耗是不同的。正如预期的那样，在较低的电压范围内，电流消耗会增加，因为CC1350的内部DC-DC必须更频繁地对旁路电容进行充电，以保持恒定的供电电压。计算电池寿命时，计算电池电压在2.4~3.6V范围内的平均电流。在这些电压范围内，待机模式的平均电流为879.5nA。
除了待机状态，该参考设计在从ADC获取样本、对这些样本应用FFT、发送蓝牙低能量广告时消耗不同数量的功率。并通过蓝牙低能量连接发送数据。一个小的感应电阻器用来测量系统在每一个周期中所产生的少量电流，这是用一个数字万用表来确认的。最终通过各种电路耗电统计绘制了图2的电池寿命图。
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图2 唤醒时间与电池寿命对应关系图
5结束语
这个设计是一种低功耗无线子系统，它使用振动传感来监控电机，确定是否需要进行预防性维护。可通过低功耗 Bluetooth?或低于 1GHz 的无线协议将振动数据的FFT 发送到另一个器件。通过低功耗和无线功能，此子系统能够在单节纽扣电池上运行，这使得器件的体积得以缩小、成本得以降低，并可置于难以接触到的位置。借助这些特性 ，该设计可帮助消除本来可通过预防来避免的昂贵维护。
文献：