評估和設(shè)計(jì)支持

　　電路評估板

　　CN-0540參考設(shè)計(jì)板（EVAL-CN0540-ARDZ）

　　CN-0532參考設(shè)計(jì)板（EVAL-CN0532-EBZ）

　　XLMOUNT1機(jī)械安裝模塊（EVAL-XLMOUNT1）

　　設(shè)計(jì)和集成文件

　　原理圖、布局文件,、物料清單,、軟件、MATLAB示例,、Python示例

　　電路功能與優(yōu)勢

　　在工業(yè)應(yīng)用中，基于振動(dòng)檢測的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控（CbM）越來越重要,。公司尋求優(yōu)化機(jī)械壽命和性能并降低擁有成本,，同時(shí)有些企業(yè)試圖圍繞此類信息的提供開發(fā)新的業(yè)務(wù)模式。為了準(zhǔn)確表示需要監(jiān)控的機(jī)械,，必須收集大數(shù)據(jù)集以確定設(shè)備在正常工作模式下和故障情況下的基線工作點(diǎn),。一旦收集到這些數(shù)據(jù)，便可創(chuàng)建算法或閾值檢測例程來為該設(shè)備提供正確的分析,。

　　CbM需要捕獲全帶寬數(shù)據(jù),，以確保時(shí)域和頻域中的所有諧波、混疊及其他機(jī)械相互作用都得到考慮,。這種數(shù)據(jù)收集需要高性能傳感器和數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng),，以便向數(shù)據(jù)分析工具或應(yīng)用程序提供高保真度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

　　使用成熟的工具（如MATLAB?）或基于Python的較新工具（如Tensorflow）,，可以大大簡化數(shù)據(jù)分析,、機(jī)械性能分析和智能決策算法的創(chuàng)建。

　　由于有傳感器,，振動(dòng)檢測傳統(tǒng)上已在大多數(shù)CbM應(yīng)用中占主導(dǎo)地位,，分析背后的科學(xué)原理得到了更好的理解。集成電子壓電（IEPE）標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)今工業(yè)中普遍使用的高端微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）和壓電傳感器的流行信號接口標(biāo)準(zhǔn),。

　　圖1. CN-0549系統(tǒng)框圖

　　電路描述

　　振動(dòng)分析

　　由于有傳感器,，振動(dòng)檢測傳統(tǒng)上已在大多數(shù)CbM應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，分析背后的科學(xué)原理得到了更好的理解,。然而,，如果需要分析一臺新設(shè)備，或者需要更好地了解特定使用情況如何影響設(shè)備,，該怎么辦,？為了獲得必要的洞察，首先需要了解機(jī)器在最優(yōu)條件下和在誘發(fā)故障的條件下工作的行為方式,。圖2提供了一個(gè)例子,，說明了在有振動(dòng)源的情況下工作時(shí)頻譜的樣子。

　　振動(dòng)傳感器-IEPE接口

　　IEPE是當(dāng)今工業(yè)中普遍使用的高端壓電振動(dòng)傳感器的流行接口標(biāo)準(zhǔn),。IEPE接口是2線信令標(biāo)準(zhǔn),，僅包含信號和接地,。DAQ卡（如CN-0540）通過信號線為CN-0532振動(dòng)傳感器提供電流，而電壓為任意電壓,，通常在10 V到30 V之間,。由于信號線由電流源供電，故而傳感器可以調(diào)制電壓軌上的加速度數(shù)據(jù),。因此,，單根導(dǎo)線同時(shí)用于提供傳感器的電源和調(diào)制輸出電壓。

　　MEMS與壓電

　　壓電加速度計(jì)因其寬帶頻率響應(yīng)和對振動(dòng)激勵(lì)的敏感性而在當(dāng)今的CbM市場上占主導(dǎo)地位,。但是,，MEMS技術(shù)的最新發(fā)展讓壓電和MEMS加速度傳感器之間的差距比以往任何時(shí)候都更小。

　　CN-0532 IEPE MEMS振動(dòng)傳感器基于ADXL1002,。噪聲和帶寬可與壓電傳感器媲美,，同時(shí)ADXL1002在溫度靈敏度、直流至低頻響應(yīng),、相位響應(yīng)（因而群延遲）,、抗沖擊性和沖擊恢復(fù)性方面具有優(yōu)異的性能。該傳感器的線性（±0.1%滿量程比（FSR）范圍內(nèi)）測量范圍為±50 g,，足以支持各種振動(dòng)應(yīng)用,。有關(guān)ADXL1002及其在IEPE接口中如何使用的更多信息，請?jiān)L問CN-0532網(wǎng)頁,。

　　當(dāng)使用CN -0549時(shí),，可以直接將壓電傳感器性能與基于MEMS的傳感器解決方案性能進(jìn)行比較。

　　機(jī)械傳感器安裝

　　CbM應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)是要在模擬和數(shù)字世界之間架起橋梁,。從被監(jiān)測的機(jī)器獲取可靠的傳感器數(shù)據(jù)并送入處理器具有挑戰(zhàn)性,。首先也是最重要的是,，必須在傳感器和被監(jiān)測設(shè)備之間建立連接,。一旦安裝到機(jī)器上，務(wù)必確保振動(dòng)頻譜不會(huì)因安裝傳感器所引起的任何機(jī)械異?；蛴绊懚淖?。

　　圖3. EVAL-XLMOUNT1和EVAL-CN0532-EBZ

　　EVAL-XLMOUNT1是一個(gè)五邊安裝立方體，允許用戶將CN-0532連接到一臺設(shè)備,，而傳感器不會(huì)影響數(shù)據(jù),。EVAL-XLMOUNT1的設(shè)計(jì)和測試確保了機(jī)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(jìn)行了陽極氧化處理,，以在鋁表面上形成非導(dǎo)電層,，防止短路。

　　數(shù)據(jù)采集-IEPE

　　典型的數(shù)據(jù)采集是直接獲取電壓和電流,，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)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(lì)電壓電平為傳感器供電,，并且能夠回讀傳感器收集到的數(shù)據(jù)（其在相同激勵(lì)電壓上進(jìn)行調(diào)制）。

　　CN-0540是一款24位單通道DAQ系統(tǒng),，已針對與IEPE傳感器接口進(jìn)行了優(yōu)化（參見圖4）,。該DAQ系統(tǒng)能夠?yàn)閭鞲衅魈峁┐蠹s26 V的最大激勵(lì)電壓。 AD7768-1 ADC以256 KSPS采樣,，這意味著每秒有6.144 Mbps的數(shù)據(jù)被送到處理器,。 有關(guān)所用數(shù)據(jù)采集的更多詳細(xì)信息，請?jiān)L問CN-0540網(wǎng)頁,。

　　現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）主機(jī)

　　CN-0540硬件的外形尺寸為標(biāo)準(zhǔn)Arduino?尺寸,，因此任何能夠支持必要的數(shù)據(jù)速率、電氣引腳排列和Arduino尺寸的機(jī)械外形尺寸的處理系統(tǒng)都能支持CN-0540,。它支持兩家主要FPGA制造商的開發(fā)系統(tǒng),，即Intel DE10-Nano片上系統(tǒng)（SoC）平臺和Xilinx Cora Z7-07S SoC平臺，并提供完整的參考設(shè)計(jì),。硬件設(shè)備語言（HDL）參考設(shè)計(jì)作為開源軟件提供,。因此，根據(jù)客戶的偏好,，這些設(shè)計(jì)可以輕松移植到其他平臺,。有關(guān)HDL文件和文檔的更多信息，請?jiān)L問CN0540 HDL用戶指南頁面,。

　　之所以明確選擇基于FPGA的SoC,，是因?yàn)镃N-0540可以產(chǎn)生大量的高精度數(shù)據(jù)。與CPU處理相比,，F(xiàn)PGA邏輯能以低得多的功耗高效執(zhí)行固定處理,，使得嵌入式ARM?有時(shí)間來執(zhí)行其他任務(wù)。

　　軟件架構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　DE10-Nano和Cora Z7-07Ss SoC平臺均運(yùn)行Linux來連接和控制CN-0540,。Linux通過ADI公司Kuiper Linux發(fā)行版提供,，該發(fā)行版基于Raspbian，包括用于嵌入式開發(fā)和調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)軟件工具,，例如標(biāo)準(zhǔn)編譯器,，甚至有Python之類的解釋器。隨同此發(fā)行版提供的內(nèi)核包括控制CN-0540不同器件所需的驅(qū)動(dòng)程序,。

　　CN-0540的驅(qū)動(dòng)程序在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)框架中提供,，該框架稱為工業(yè)輸入輸出（IIO）框架。IIO框架支持ADI公司及許多其他供應(yīng)商生產(chǎn)的產(chǎn)品,，例如轉(zhuǎn)換器,、放大器,、傳感器和其他幾個(gè)器件。

　　圖4.CN-0540簡化功能框圖

　　底層控制

　　IIO驅(qū)動(dòng)程序既能控制CN-0540,，也能處理數(shù)據(jù)或緩沖區(qū)收集方面的任務(wù),。若要與最底層的驅(qū)動(dòng)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(yùn)行代碼,，或從主機(jī)PC遠(yuǎn)程運(yùn)行代碼，從而與驅(qū)動(dòng)程序通信,。它提供了一個(gè)用于調(diào)試IIO器件的標(biāo)準(zhǔn)圖形界面IIO-Oscilloscope,。該工具標(biāo)配移動(dòng)快速傅立葉變換（FFT），允許用戶將傳感器帶寬內(nèi)發(fā)生的任何振動(dòng)異?？梢暬?，這樣即使不連接外部PC也能進(jìn)行基本的調(diào)試和分析。

　　IIO-Oscilloscope支持可定制插件以簡化與特定驅(qū)動(dòng)程序集合的交互,。CN-0540有一個(gè)特定插件來幫助通過校準(zhǔn)消除IEPE偏置誤差,，并使電路的放大器增益最大化。此校準(zhǔn)一般可以通過IIO-Oscilloscope完成,，但該插件使用戶的校準(zhǔn)過程更加簡單,。

　　算法開發(fā)-MATLAB和Python

　　一旦通過IIO-Oscilloscope完成驗(yàn)證，確認(rèn)系統(tǒng)運(yùn)行符合預(yù)期,，用戶就可以遷移到其他用于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輕松進(jìn)入Python端的Tensorflow和PyTorch之類的框架,，或進(jìn)入MATLAB的不同工具箱中,。

　　CN-0540的Python支持通過pyadi-iio模塊提供。該模塊提供了易于使用的應(yīng)用程序編程接口（API）,，適合數(shù)據(jù)科學(xué)家和算法開發(fā)人員使用,。該模塊預(yù)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并從中獲取數(shù)據(jù)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(gè)獨(dú)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(biāo)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),。MATLAB接口類（如Python類）遵循一個(gè)通用API,，該API基于MathWorks的歷史API,。同Python一樣，接口類提供易于使用的API,，適合數(shù)據(jù)科學(xué)家和算法開發(fā)人員使用,。圖7是連接裝有ADXL1002的CN-0540并從中獲取數(shù)據(jù)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(gè)通道,，而AD7768最多有8個(gè)輸入通道可用,。

　　如需不同帶寬或G值范圍的MEMS振動(dòng)傳感器，可以使用ADXL1003,、ADXL1004和ADXL1005 MEMS加速度計(jì),。

　　電路評估與測試

　　設(shè)備要求

　　需要以下設(shè)備：

　　·EVAL-CN0532-EBZ

　　·EVAL-CN0540-ARDZ

　　·EVAL-XLMOUNT1

　　·DE10-Nano FPGA開發(fā)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(biāo)

　　系統(tǒng)設(shè)置

　　系統(tǒng)設(shè)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

　　以下是測試系統(tǒng)和啟動(dòng)運(yùn)行所需的基本步驟,。

　　1.使用Analog Devices Kuiper Linux網(wǎng)頁上的最新軟件映像來準(zhǔn)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平臺連接在一起,。

　　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,，因此請剪斷電纜并直接焊接至該板。

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

　　5.在DE10-Nano上,，插入microSD卡，連接USB OTG適配器,，然后從監(jiān)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(shè)的DE10-Nano

　　有關(guān)使用DE10-Nano或其他支持的平臺來使系統(tǒng)運(yùn)行的詳細(xì)步驟,，請參閱CN0549用戶指南,。

　　測試結(jié)果

　　請執(zhí)行以下步驟來測試系統(tǒng)：

　　1.使用EVAL-XLMOUNT1將CN-0532安裝到可編程振動(dòng)源上。最好使用振動(dòng)臺或等效設(shè)備,。

　　2.打開CN-0540 IIO-Oscilloscope插件,，校準(zhǔn)傳感器偏移并使用校準(zhǔn)例程寫入偏移電壓。

　　3.啟動(dòng)振動(dòng)源并創(chuàng)建2 kHz的振動(dòng)音,。

　　4.轉(zhuǎn)到IIO-Oscilloscope上的捕捉窗口,，設(shè)置包含16384個(gè)樣本且進(jìn)行3樣本平均的頻域圖。

　　5.點(diǎn)擊Capture（捕捉）窗口中的Play（播放）按鈕（參見左上方）,。

　　6.確保像預(yù)期一樣,，頻譜中有2 kHz信號音,。請注意，由于振動(dòng)源或非理想機(jī)械附件,，圖中可能會(huì)看到其他一些雜散信號,。

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

　　數(shù)據(jù)手冊和評估板

　　CN-0540參考設(shè)計(jì)板（EVAL-CN0540-ARDZ）

　　CN-0532參考設(shè)計(jì)板（EVAL-CN0532-EBZ）

　　MEMS機(jī)械安裝模塊（EVAL-XLMOUNT1）

　　DE10-Nano FPGA開發(fā)板

　　I2C指最初由Philips Semiconductors（現(xiàn)為NXP Semiconductors）開發(fā)的一種通信協(xié)議。

　　Circuits from the Lab參考設(shè)計(jì)僅供與ADI公司產(chǎn)品一起使用,，并且其知識產(chǎn)權(quán)歸ADI公司或其授權(quán)方所有,。雖然您可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用參考設(shè)計(jì)，但是并未默認(rèn)授予其他許可,，或是通過此參考設(shè)計(jì)的應(yīng)用及使用而獲得任何專利或其他知識產(chǎn)權(quán),。ADI公司確信其所提供的信息是準(zhǔn)確可靠的。不過,，參考設(shè)計(jì)是以“原樣”的方式提供的,，并不具有任何性質(zhì)的承諾，包括但不限于：明示,、暗示或者法定承諾,，任何適銷性、非侵權(quán)或者某特定用途適用性的暗示承諾,，ADI公司無需為參考電路的使用承擔(dān)任何責(zé)任,，也不對那些可能由于其使用而造成任何專利或其它第三方權(quán)利的侵權(quán)負(fù)責(zé)。ADI公司有權(quán)隨時(shí)修改任何參考設(shè)計(jì),，恕不另行通知,。