基于WIFI实时传输的旋转机械振动测试节点设计

史文武，崔建峰，贺绍琪，申 飞，杜红棉

(中北大学 电气与控制工程学院，太原 030051)

随着科学技术与现代工业化发展，旋转机械在大型设备中占有越来越重要的地位[1],其健康程度将会对整个系统的工作性能产生极大的影响,甚至会关系到生产过程中的安全性[2]。实时监测旋转机械设备的运行状况,分析其运行过程中的振动信号,根据振动信号某些特征变化来判定机械健康[3]状况,对于提高生产效率和减少重大安全事故具有积极的意义[4]。

文献[5-7]中振动信号通过RS485、RS232和CAN总线传输存在布线繁琐、维护性差[8]等问题。文献[9]中使用蓝牙传输方案存在设计复杂、通信距离近等问题。文献[10]中使用Zigbee传输存在通信速率低、大批量数据无法实时传输、数据传输需经基站转换等问题。此外，旋转机械振动测试节点离线监测时，存在节点处理器内存无法满足大量数据存储需求问题[11]。旋转机械的测试环境存在空间狭小、潮湿、高温等问题[12-13]。

针对上述问题，本研究设计了一种基于WiFi实时传输的振动终端测试节点。该测试节点将WiFi传输技术与存储测试方法相结合，实现了数据实时传输和历史回放功能。其中存储测试作为一种现场实时完成信息快速采集与记忆，事后回收数据的动态测试方法[14]，具有抗高温、抗潮湿和抗干扰[15-16]等优点，可以满足旋转机械不同测试环境应用需求。此外，还对测试节点设计了低功耗策略，有效降低了节点功耗。

1 节点总体设计方案

本文所设计的无线终端测试节点，以微型化、低功耗和高效率为基准，总体架构框图如图1。该节点主要由MEMS数字三轴加速度传感器、集成有无线射频系统的微处理器芯片和大容量并行输出的闪存芯片组成。MEMS数字三轴加速度传感器不需要复杂的信号调理电路，并且自带模数转换等功能，具有体积小、质量轻的特点，能够有效减少节点体积与功耗。集成有无线射频系统的微处理器芯片，可以在作为节点处理核心的同时兼有无线通讯功能，这样的设计可以进一步降低功耗、减小节点体积。大容量的并行闪存芯片具有可靠性高、体积小、低功耗的特点，其较高的传输速率能够提高测试节点整体工作效率。

图1 无线终端测试节点架构框图

2 系统模块设计

2.1 主控无线模块设计

无线终端测试节点主控芯片选取集成高性能ARM Cortex-M4内核(MCU)、WiFi网络子系统(WNP)的CC3200R1M2微控制器，有效地减轻了微处理器的工作负担。其中WNP支持TCP/IP协议栈、Socket编程接口，在此基础上可根据需求进行二次开发。电源管理模式包括休眠、深度睡眠和活跃3种，其合理转换可保证系统低功耗工作。此外，该芯片具有丰富GPIO引脚、片上和外设资源，在本设计中，主要使用SPI(传输速率可达20 MHz)、定时中断和TCP Sockets等功能。并且考虑到旋转机械不同测试环境的需求，进行了双天线设计，留出了SPI接口、4路12位的ADC接口。主控外围部分电路如图2。

图2 主控外围部分电路

2.2 传感器模块设计

传感器模块选用MEMS三轴加速度数字传感器ADXL345。该传感器单轴最高采样率3 200 Hz，带宽最大1 600 Hz，13位分辨率，测量范围±16 g。自带SPI(最高传输速率支持5 MHz)、I2C外设总线。本设计中，为提升数据传输速率，使用SPI总线与主控芯片进行通讯。并且可根据测试需求，更换其他支持SPI总线的MEMS加速度传感器。此外，用户可以在测试三轴振动信号的同时，选择一路ADC接口，进行转速跟踪测试，进而避免由于多节点WIFI传输的延时因素造成阶次跟踪精度的降低。该设计方式具有一定的灵活性。

2.3 存储模块设计

存储模块选用Winbond公司的W29N02GV芯片，属于NAND型闪存芯片。该芯片内存大小为256 MBytes，数据以并行方式传输，相对于串行传输，速率提升。由于NAND型闪存储器具有相同的接口规范，故可根据测试需求，选取存储容量更大的NAND型闪存芯片。

3 实时传输及低功耗设计

3.1 实时传输策略

为保证无线实时传输数据的可靠性，本研究选用基于TCP协议的Socket网络通信技术，通过WiFi作为传输媒体构建无线通讯链路。其链路构建与数据通讯过程如图3所示。

图3 无线链路构建与数据通讯过程示意图

其中，SYN、ACK和FIN为TCP协议报文中的标志位，分别代表同步连接建立请求、应答回复和连接断开请求；Seq、Ack为序列号和确认号，分别代表Client(Server)发送到Server(Client)报文中的身份标识符字段和应答标识符字段；Data为报文中数据存放字段，用于填充采集的数据，本文定义每次传输填充数据量为 1 024字节；A、B、X和Y表示协议自动生成的随机数，并填充到报文中Seq、Ack字段。

无线通信过程主要包括3部分，通信链路建立、数据实时传输和通信链路关闭。对于通信链路建立需经过3次握手操作。数据实时传输中，每传输一包数据包括一次应答和一次确认操作，Server负责应答、Client负责确认。通信链路关闭需经过4次挥手操作。为避免采集数据周期与处理数据周期不一致造成的数据丢失等问题，本文数据实时传输设计选用“生产者-消费者”架构模式。其中Client在不断地进行数据采集代表“生产者”，Server在不断地进行数据处理代表“消费者”。该模式具有降低Client与Server之间数据传输强耦合、提高Client传输效率等的优点。Client与Server实时传输状态转换如图4所示。

图4 实时传输状态转换示意图

3.2 低功耗设计

旋转机械测试环境复杂，某些特殊应用场合，无线终端测试节点供电相对困难。而电池电量有限，因此降低节点能量消耗速度对提高节点的工作时间至关重要。

本文在设计低功耗硬件架构的同时，主要采用动态能量管理技术[17]来降低节点的功耗。在保证节点工作性能可靠的前提下，主要以减少CMOS器件的工作频率为原则，合理规划程序中各模块执行顺序和时间，进而降低节点的整体功耗。工作状态转换如图5所示。其中，LPDS表示低功耗深度睡眠模式，MCU和WNP有各自的LPDS模式，在该模式下MCU和WNP配置被保存,可通过网络指令、定时器中断等机制唤醒。

图5 节点工作状态转换示意图

4 节点固件设计

无线终端测试节点通过WiFi将测试数据发送到数据管理服务器。节点上电后，初始化CC3200中MCU和WiFi网络子系统，将Simplelink配置为网络站点(STA)工作模式。并且通过程序中设定的WiFi接入点名称、接入密码、IP地址、网关等参数来连接WiFi接入点(AP)。接入本地局域网成功后，进行Socket创建、数据传输、Socket断开等操作。主程序流程框图如图6。其中Buffer_1、Buffer_2表示内存中创建的两个缓冲空间。

图6 主程序流程框图

5 实时传输功能验证

设计的无线终端测试节点实物如图7。

本文主要从数据传输过程中是否存在丢包和误码，进行验证WiFi实时传输的可靠性。数据编帧协议信息定义如表1所示。

将ADXL345加速度传感器采样率设置为3 200 Hz,分辨率设置为13位。首先，CC3200使用两个定时器定时，第一个定时器定时采集时间，本次采集时间设置为30 s。第二个定时器定时采样间隔时间，本次采样率选取3 200 Hz，故采样时间设置313 μs，每次采样读出ADXL345加速度传感器中X轴、Y轴和Z轴数据。在节点工作期间，采集数据要进行存储、向网络调试助手界面实时传输。然后，等待采集结束，使用串口将W29N02GV中存储数据读出到串口调试助手界面，对比数据实时传输过程中是否存在丢包。并且使用UltraCompare软件对比数据是否存在误码。网络调试助手和串口接收数据如图8所示。误码率实验结果如图9所示。对比结果表明：WiFi实时传输中数据完全正确，且无数据丢包、误码现象。无线终端测试节点实时传输设计具有可靠性。

图7 无线终端测试节点

表1 编帧协议信息

信息名称帧头(AA)X轴数据Y轴数据Z轴数据帧尾(BB)字节长度12221

图8 网络调试助手和串口接收数据

图9 误码率实验结果

6 结论

将WiFi传输技术与存储测试相结合，设计了一种采集旋转机械振动信号的无线终端测试节点。对该节点整体架构进行了微型化设计，在体积减小的同时降低了功耗。根据旋转机械测试环境不同需求，成功移植了TCP/IP协议栈，对其应用层、传输层进行修改，添加并优化了与硬件相匹配的驱动程序，实现了数据实时传输和存储功能。通过双缓冲策略和中断资源的合理规划使用，实现了在存储和实时传输数据时，采样点不丢失的功能。并且利用动态能量管理技术、WiFi休眠机制进行了低功耗设计，延长了节点工作时间。通过多次实验证明，该节点能够保证数据实时传输过程中可靠性，其通用性、灵活性的设计具有应用价值与参考价值。后续可通过软件算法进一步降低节点功耗。