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2016 年 1 月 第 44 卷 第 2 期 机床与液压 MACHINE TOOL & HYDRAULICS Jan 2016 Vol 44 No 2 DOI10.3969/ j issn 1001-3881 2016 02 061 收稿日期 2014-11-11 基金项目 陕西铁路工程职业技术学院常规项目 (2013-16) 作者简介 郑美茹 (1983), 女, 硕士, 讲师, 主要研究方向为机电系统分析、 测试与控制。 E-mail heigeheige333@ 163 com。 基于 Android 的机床在线无线振动监测仪研制 郑美茹 (陕西铁路工程职业技术学院机电工程系, 陕西渭南 714000) 摘要 为保护操作者的安全、 防止切削液的外漏等, 现代数控机床都安装了防护罩壳, 这给现场在线监测的传感器布 线、 布点造成了困难。 针对传统有线振动传感器在密闭防护罩壳内存在布线、 布点困难和功耗高等问题, 研制基于 Android 系统和 CC2540 单片机的无线振动测量仪。 通过 Android 系统和蓝牙实现了仪器的在线参数设置和无线传输、 实时数据显示 和存储功能, 无线传输有效地解决了传感器布线问题。 以 CC2540 单片机为控制核心的测量模块完成了信号预处理和采集, 该单片机自带低功耗蓝牙模块与 Android 系统实现全双工通信并将数据存储在 TF 卡或者云空间内。 实际测试表明 该仪器 能实现对振动加速度信号的精确测量, 并通过单片机内部自带低功耗蓝牙模块与 Android 手机准确到收发数据、 存储数据, 使用方便、 操作简单, 具有良好的应用前景, 可为其他新型无线测量设备的开发提供参考。 关键词 无线振动测量仪; Android 操作系统; 振动加速度传感器 中图分类号 TP216 文献标志码 B 文章编号 1001-3881 (2016) 2-199-4 Development of Wireless Vibration Instrument for Machine Tool Online Based on Android ZHENG Meiru (Electrical and Mechanical Department, Shaanxi Railway Institute, Weinan Shaanxi 714000, China) Abstract In order to protect the safety of operators and to prevent leakage of cutting fluid, modern numercial control (NC) ma⁃ chine tool is all installed with protective cover, which makes difficulty for wiring and point allocation of sensors for online monitoring on site. Aiming at the existing problems of traditional online vibration sensor such as high power consumption, difficult in wiring and point allocation on the sealed protective cover, a wireless vibration instrument based on the Android system and CC2540 single chip micro⁃ computer was developed. The wireless transmission and online parametric setup of measurement, real time data display and storage functions were achieved by the measuring instrument combined with Android system and Bluetooth. The wiring problem of sensors was effectively solved by wireless transmission. The pretreatment and collection of vibration signal were completed by the measuring modules with CC2540 as central control unit, which was embedded with Bluetooth modules at low power consumption and the Android system to implement the communication of full⁃duplex communication, to save data in TF card or in cloud hosting. The actual tests show that the instrument can be used to accurately measure the vibration acceleration signal, and can be used to accurately send and receive data through the Bluetooth modules and Android mobile phone, which is convenient, simple operation and also good in application prospect. It provides reference for development of other new types of wireless measuring instrument. Keywords Wireless vibration instrument; Android operation system; Vibration acceleration sensor 近代机器结构正向大功率、 高速度、 高精度、 轻 型化、 大型化和微型化等方向发展, 自动化与智能化 程度不但提高, 振动问题也变得越来越突出, 尤其是 对设备进行实时或周期点检的检测显得更加重要。 通 过测量振动、 掌握振动规律和特征以后, 可以降低振 动引起的使用寿命, 同时可以为结构的设计改进提供 可靠的依据等[1]。 但是, 目前振动状态监测还存在以 下几个问题 (1) 振动传感器布线困难。 目前国内市价上的 振动测量仪一般由传感器、 调理器、 专用数据采集设 备、 计算机组成, 性能可靠稳定, 但往往结构复杂、 不易携带, 而且现代数控机床为保护操作者的安全、 防止切削液等的外漏, 都安装了防护罩壳, 这给现场 在线监测的传感器布线、 布点造成了困难。 无线测振 仪可以有效地解决上述问题, 目前主流的点检仪操作 系统为 WINCE 系统, 该类点检仪一般为专用仪器仪 表, 软件移植性差。 NI 公司推出的 LabVIEW 数据仪 表盘从一定程度上解决可移植性的问题, 但是其占内 存大、 数据云收费等问题也影响了它的迅速推广。 Android 系统内核基于开源的 Linux, 由操作系统中间 件、 用户界面和应用软件构成, 具有资源完全对用户 开放、 使用范围广泛、 易于移植、 多种存储方法等特 点, 并具有多线程的能力实现软件多功能, 同时, 随 着 Android 手机的广泛应用, 有利于便携式仪表的开 发和推广[2]。 目前, 国内外 Android 的开发主要是利 用 Eclipse 搭建 Android 开发环境, 使用代码进行程序 开发, 对开发人员的开发知识和经验具有一定的要 求, 对于刚刚接触开发或者没有程序开发经历的用户 来说, 使用代码开发是一种比较困难的事情[3]。 App Inventor 是一款基于网络、 可拖曳的 Android 开发环 境, 它将枯燥的代码变成了一块块的拼图, 使 An⁃ droid 开发变得简单有趣, 使不懂 Java 编程的用户也 可以开发出属于自己的 Android 应用程序。 App In⁃ ventor 可以用于 Android 系统下一切应用软件的开发, 它自带蓝牙通信的软件驱动和模块, 可以利用画布功 能实现数据的显示或通过 ActivityPackage 功能与 Lab⁃ VIEW 数据仪表盘软件交互实现高质量数据图表显 示, 自带 TinyDB 数据库或者网络云数据库可以实现 数据存储, 或将数据存储于 TF 卡内或 SD 卡内。 因 此, 采用基于 Android 系统开发的无线测振仪可以有 效地解决传感器布点布线困难的问题, 同时便于 携带。 (2) 解决无线测振仪功耗高的问题。 功耗问题 是便携式测振仪的重要问题, 系统中功耗较高的是通 信模块。 传统一般采用蓝牙专用模块进行通信, 如蓝 牙 HC⁃06, 该类模块功耗较高不利于直接长期应用于 无线测振仪。 CC2540 是 TI 公司 2014 年推出的专为 低功耗蓝牙产品设计的单片机, 其内置蓝牙模块使用 高性能的 ARM CoretexTM, 工作频率为 72MHz, 内置 高速 存 储 器 ( 高 达 512 KB 的 闪 存 和 64 KB 的 SRAM), 有 3 个 12 位的 ADC, 15 个采样通道和多种 采样模式, 并自带低功耗蓝牙模块, 满足便携式测振 仪的使用要求。 基于以上分析, 设计了一种无线振动测量仪, 采 用 CC2540 单片机开发无线测振仪下位机, 采用 App Inventor 开发 Android 上位机软件, 替代传统的有线 振动传感器, 具有操作简单、 体积小、 布点容易、 在 线实时显示和存储、 开放性好、 功耗低和便于去企业 定期采集数据等优点, 具有非常广阔的应用前景, 并 为新型无线测量设备提供参考。 1 系统设计和工作原理 基于 Android 系统的无线测振仪由上位机和下位 机两部分组成。 下位机以 CC2540 单位机 (自带低功 耗蓝牙功能) 为核心控制器, 并有振动加速度传感 器、 信号调理电路以及电源模块。 上、 下位机之间采 用蓝牙通信, 其工作频带为 2 4 GHz, 采用分时双工 方案实现全双工传输, 其有效距离为 10 m, 理论传 输速度可达到 24 Mb/ s, 具有高可靠性、 低成本、 低 功耗等优点, 在数据采集方面有突出的优势。 上位机 是可以发出操作命令的设备, 可以设置采样方式、 采 集频率和采集长度, 由具有蓝牙 3 0 通信模块以上的 Android 系统智能手机组成, 具有体积小、 操作简单、 使用范围广的特点[4-5]。 该系统设计整体框图如图 1 所示。 图 1 系统的整体框架 手机设置完采样方式、 采样频率和采样周期之 后, 通过蓝牙将采样命令传给单片机。 由振动传感器 获得振动值, 通过前端信号调理电路 (主要由电荷 放大器、 稳压二极管嵌位电路和电压跟随器组成) 处理之后, 利用 CC2540 的 AD 进行采集, 通过蓝牙 模块与 Android 手机进行数据传送, 在手机界面上实 时显示数据图表, 并存储于 TF 卡或云空间, 既可实 时显示振动加速度值, 又具有测量数据稳定、 易于携 带、 安装方便、 操作方便的优点, 适用于工业生产过 程中的各种振动量测量, 具有广泛的应用价值。 2 无线测振仪硬件设计 该系统采用美国 PCB 公司的 PCB608A11 型号压 电式振动加速度传感器, 灵敏度为 100 mV/ g, 频响 范围为 0 5 ~ 10 kHz, 量程为50g, 分辨率为 350 10 -6 g。 压电式加速度传感器具有体积小、 质量轻、 测量范围宽的特点, 在机械振动测量中使用范围最为 广泛[6]。 压电加速度计产生的电荷量很小, 输出阻抗 很高, 因此与它相连的仪器需要高输入阻抗, 其电荷 放大器等效电路如图 2 所示。 其中 q 为传感器产生 的电荷; A 为电荷放大器开环放大倍数; Ra为传感器 内部电阻; Ri为电荷放大器的输入电阻; Ca为传感 器内部固有电容; Cc为连接电缆的分布电容; Ci为 放大器的等效电容; Cf为电荷转换级的反馈电容; Ui与 Uo分别为电荷放大器的输入与输出电压。 图 2 压电传感器及电荷放大器等效电路 下位机核心处理器选用 TI 公司最新的 CC2540 型 号单片机, 它有 3 个 12 位的 ADC, 15 个采样通道和 多种采样模式, 并自带低功耗蓝牙模块, 满足便携式 测振仪的使用要求。 无线传感器硬件实物如图 3 所示。 002机床与液压第 44 卷 图 3 无线传感器硬件图 3 无线测振仪软件设计 3 1 下位机程序设计 下位机软件流程图如图 4 所示。 图 4 系统程序流程图 系统开机之后, 首先进行各模块初始化, 然后等 待上位机通过蓝牙传送的采样方式、 采样频率和采样 长度在线命令, 然后单片机根据在线命令设置采样参 数, 并进入相应的 while (1) 循环中。 当上位机命令 为循环采集时, 在 while (1) 中, 首先进行 AD 采集 工作, 然后将数据通过蓝牙发送给手机, 并循环进行 采集、 发送过程, 直到接收到上位机的停止命令为 止。 当上位机命令为有限采集方式时, 首先进行 AD 采集工作, 然后将数据通过蓝牙发送给手机, 并判断 是否达到需要的采样长度, 直至结束。 3 2 上位机软件设计 利用 App Inventor 开发 Android 系统的上位机应 用软件。 App Inventor 可以用于 Android 系统下一切应 用软件的开发, 自带蓝牙通信的软件驱动和模块, 可 以利用画布功能实现数据的显示或通过 ActivityPack⁃ age 功能与 LabVIEW 数据仪表盘软件交互实现高质量 数据图表显示, 自带 TinyDB 数据库或者网络云数据 库可以实现数据存储, 或将数据存储于 TF 卡内或 SD 卡内。 但是 App Inventor 目前尚不具备频谱等信号分 析的能力[7-9]。 在 App Inventor 开发环境下, 通过图形化编程编 写手机测振仪客户端并安装在手机上, 其程序流程如 图 5 所示。 采用 App Inventor 开发的安卓系统的屏幕 初始化、 蓝牙设备匹配、 采集命令发送和定时获取下 位机程序如图 6 所示。 图 5 上位机软件流程图 图 6 App Inventor 程序图 102第 2 期郑美茹 基于 Android 的机床在线无线振动监测仪研制 设备初始化后, 用户手动完成蓝牙匹配工作。 Android 智能手机通过本地蓝牙将用户设定的采样方 式、 采样频率和采样时间等命令参数发送给下位机, 并接收下位机传回来的数据, 完成显示和存储工作。 系统界面如图 7 所示。 由图 6 和图 7 可以看出 App Inventor 可以简单编程实现复杂的仪表设计。 图 7 应用程序界面图 4 试验与效果 为了验证测振仪的精度和稳定性, 在实验室内的 SQI 齿轮箱故障试验台上进行振动测试, 该试验台和 齿轮箱结构如图 8 所示, 故障齿轮为输入轴 32 齿齿 轮, 故障类型为断齿。 传感器布点在齿轮箱端盖上如 图 8 (a) 中圆圈处所示。 试验台转速为 f1= 20 Hz, 中等载荷, 试验结果时域图如图 7 所示。 图 8 SQI 齿轮箱及结构图 实验结果分析 由于 App Inventor 不具备频谱分 析功能, 因此将试验中采集的时域信号从云空间下载 后, 在 MATLAB 中进行离线频谱分析, 如图 9 所示。 可见频谱中有 20、 620、 640 和 660 Hz 4 条比较明显 的谱线, 620 和 660 Hz 为 640 Hz 的左右两个对称边 频, 边频带恰为 20 Hz。 由计算可知 第一级齿轮箱 的啮合频率为 f2=3220=640 Hz, 说明故障发生在输 入轴啮合对上, 其边频带为 f3= 660-640= 640-620= 20 Hz, 可以进一步定位故障到输入轴的齿轮上, 与 实际相吻合。 图 9 齿轮箱振动频谱图 5 总结 文中提出的无线测振仪相对于传统仪器和点检仪 来说, 使用性价比高、 功耗低的 CC2540 作为微处理 器, 采用其自带的、 低功耗的蓝牙功能进行无线通 信。 采用 App Inventor 开发 Android 操作系统的应用 软件, 实现了便携式的数据采集系统。 该无线测振仪 有效地解决了现场在线监测的传感器布线、 布点困难 的问题, 功耗低, 易于携带。 同时, 随着 Android 手 机的广泛应用, 也增强了无线测振仪的使用灵活性。 在此基础上进行了齿轮箱振动测试试验, 验证了仪表 的可靠性、 稳定性。 参考文献 [1] 王芳,王琨琦.基于蓝牙技术的高效可维护数控无线监 控系统[J].机床与液压,2006(11)196-198. 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