高速公路机电设备状态监测的应用

李品

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北 石家庄 050000）

高速公路机电系统运营质量直接影响高速公路服务质量，因此，随着我国高速公路通车里程不断增加，提升机电设备可靠性是增强高速公路运营水平的必要条件，而机电设备的状态监测是保障其有效的重要环节，本文以温湿度、振动和电压作为监测参数，分析了采集各个监测参数样本的方法，以期为同行参考借鉴。

一、监测参数与采样方案分析

（一）电压参数

当前，我国高速公路照明系统中的问题多出现于控制回路中，因此本文面向隧道配电回路开展电压采样，使用ATT7022通用三相交流电采集卡，采集有电压值及功率因数等数据。采集卡基于电源、采集对象的电压和电源阻抗关系，能够快速计算隧道配电回路工作负载数量，从而有效监测各个照明回路运作情况。

（二）振动参数

面向风机开展振动数据监测。风机运转时约有10Hz～10KHz的振动频率，因此风机振动信号在该区间范围内有最大的振动幅度，且在技术层面也比较容易监测，进而判断风机工作状态。为确保振动采样接口有跟节点其他接口一致的情况，保证硬件使用的可靠性，振动采样时，首先需要使用振动传感器采集模拟信号，再使用PCF8591芯片转换A/D，并基于I2C接口读取所得数据。在预处理振动信号时，所得数据中的振动分量可使用FFT变换提取，将重点振动分量看做预处理结果。

（三）湿度、温度参数

需基于设备类型、测量范围和精度等角度，并结合节点通用性考虑湿度和温度的测量过程。本文所讨论系统中使用的是SM1910 B型传感器，测量测温范围较为宽泛约为-40°C～124°C，测量相对湿度的范围约为0RH～100RH，且抗震性能和测量精度均有效符合测量要求。

二、监测节点系统的应用优化

（一）硬件系统结构

传感器、接口、模数转换等模块共同组成监控节点的硬件系统结构。通过A/D转换模块将得到的模拟信号转换后，即可得到数字信号，再将信号通过I2C接口转发给FPGA开展预处理，即可确保以太网接口和SPI接口功能充分发挥作用，有效保障系统集成度和可靠性。

湿温度缓存单元、电压缓存单元和振动数据缓存单元共同构成了FPGA数据采集结构。该结构中的各项缓存单元均为环形结构，各FIFO依次采集各测量点的数据，所采集数据通过分复用控制器即可保存到外部储存器中。显示、存储及通信等主要由FPGA执行。FPGA系统板对应每一个监测节点，且有唯一的IP地址与其对应，基于无线网络技术连接通信网络。

（二）软件系统结构

使用NIOS II嵌入式处理器作为监控节点的操作平台，其功能主要包含采集数据、预处理和接口等。在启动NIOS II系统后，采集数据的系统会初始化FPGA电路，并采集温湿度、电压和振动数据。当一个数据包被FPGA采集并结束融合后，则会中断并联系预处理模块读取该数据包，数据经过处理后，即可由网络通信和SPI接口两个模块共同打包最后输出。在网络通信模块中，将DM9000芯片控制寄存器配置到FGPA中，保持其工作状态，并形成独有的IP和MAC地址，实现以太网中数据的传输。

（三）FPGA嵌入式系统构建

在主控电路中安装嵌入式锁相环，为CPU提供100MHz的稳定时钟，并将其他硬件资源连接到CPU接口中。配置NIOS II处理器和接口时，嵌入式处理器由SOPC Bulider软件配置，确保其具有储存、定时中断等必要功能。设计软件系统时，主控流程、接口协议及预处理数据等软件均由NIOS II EDS平台设计，且采用C语言编写程序，确保其执行力高效。

本文所用系统软硬件的调试和下载不同于传统系统，该系统需使用Quartus II软件编译，并将结果保存到FPGA中开展相应的配置设置，以得到硬件设计的最终电路；最后，还需基于该硬件电路在FLASH芯片中保存NIOS II EDS软件调试的代码，以在该硬件的电路中执行。

（四）采样控制电路设计

该系统基于FPGA设计采样控制电路，相关控制模块功能使用硬件描述语言设计，以确保各自间工作的开展可协调联动。各模块设计方案如下：

1.I2C通信模块

传感器中得到的数据和送达FPGA的各项数据，监控节点都将基于I2C通信协议传输。在运行系统前，传感器和FPGA系统板寄存器必须经过接口配置，具体设计测试成果如图1所示。数据经过RESETn和STARTn后将被传输至寄存器中，从测试波形来看，数据传输基于协议正常运行。

图1 I2C控制模块测试结果

2.FIFO存储器模块

由于FPGA通信接口与传感器数据传输速率不同，为使两者的传输速率相匹配，必须将FIFO存储器添加到两者中。此外，FIFO存储器还可将数据来源提给时分复用控制模块，该模块的测试如图2所示。

图2 FIFO存储器模块测试结果

从结果可知，该电路与预计目标的逻辑功能一致，但考虑到100MHz以上时钟频率会导致芯片延迟，进而破坏所设计电路逻辑，推荐使用50MHz以下的时钟频率。

3.时分复用模块

因振动传感器有较高的采样频率，因此在时分复用模块里根据顺序读取1024个datain-a、1个datain-b、1个datain-c，并将所得数据合并。所得测试结果说明，通过时分复用使该模块能够成功融合三部分数据。

（五）现场实测结果

为确保现场环境参数可有效反映出采样节点数据，本文以某高速公路隧道PLC控制箱为研究对象开展测量工作。针对控制箱内温湿度、电压及振动情况，使用安装传感器的方式开展检测。从结果来看，节点所处地点可通过采样节点有效检测环境参数，并可有效保存所得数据或将所得数据传输到上位机中，以便于后续的数据分析。

三、结语

本文针对当前高速公路机电设备中缺乏状态监测的情况，基于运行环境的角度，从机电设备状态的各监测参数入手，制定采样和数据融合方法，通过FPGA硬件和NIOS II软件实现数据采样模块，监测结果与预期相符，可有效采集机电设备运行时的相关数据。