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转轮裂纹声发射信号传输的蓝牙解决方案及系统集成 摘要 混流式水轮机转轮叶片经常出现大量贯穿裂纹，严重影响到水电站安 全运行。应用声发射这种动态无损检测技术，可实现对水轮机转轮裂纹的 在线监测，从而为及时发现并排除安全隐患提供保障。因此，研制一套能 够工作于水轮机转轮上、对转轮裂纹进行在线监测的检测系统对维护电站 的安全生产具有十分重要的意义。 本文在原有d s p 检测系统已实现对转轮裂纹声发射信号采集、滤波处理 基础之上，增加基于蓝牙技术的无线数传模块，实现声发射参数从下位机 向上位机的无线传送。制作设计硬件和软件资源，实现系统集成。 研制过程中，软件方面，编写下位机声发射参数传输程序，对下位机 各程序模块进行集成，利用w i n d o w sa p i 开发具有可视化界面的上位机接 收程序，实现对接收参数的通道判断、类型识别、实时显示及文件保存； 硬件上，制做用于a d 前端增益调节的四通道增益调节电路板，完成各硬 件模块在机盒内的组装。对集成后的系统做了传输速率对比实验、铅笔芯 折断实验，验证系统无线传输性能，达到预期效果。 本课题来源于国家自然科学基金项目混流式水轮机转轮叶片裂纹监 测的理论和方法研究( 5 0 4 6 5 0 0 2 ) 。 关键词：声发射d s p 蓝牙无线传输 b l u e t o o t hr e s o i j v e n to nh o wt ot r a n s m i t 1 耻a es i g n a lo ft h e c r a c k so fr u n n e rb l a d e a n dt 脏i n t e g r a t i o no fs y s t e m a b s t r a c t m a s st r a n s c r a c k sf r e q u e n t l ya p p e a r e di nb l n n e rb l a d eo ff r a n c i st u r b i n e s e r i o u s l y e n d a n g e r e dt h es e c u r i t yo ft h ew a t e r p o w e rs t a t i o n t h ea e ( a c o u s t i c e m i s s i o n ) t e c h n i q u e i sa d y n a m i c n o n d e s t r u c t i v ee x a m i n a t i o nw a y , t h e a p p l i c a t i o no f i tc a nr e a l i z eo n - l i n em o n i t o r i n gt ot h ec r a c k so fr u n n e rb l a d eo f f r a n c i st u r b i n e ，a c c o r d i n g l yw h e nt h eh i d d e nt r o u b l eo c c u r s ，i tw o u l db e d i s c o v e r i e da n dc o n s e q u e n t l ye x c l u d e dt i m e l y s ot od e v e l o pas u i to fa e d e t e c t i n gs y s t e mu s e di nm o n i t o r i n gt h ec r a c k so fr u n n e rb l a d ei s o fg r e a t i m p o r t a n tt ot h es a f er u n n i n go fw a t e r p o w e rs t a t i o n ，t h ea ed e t e c t i n gs y s t e mi s f i x e do nt h er u n n e rb l a d et or e a l i z et h ef u n c t i o no fo n - l i n em o n i t o r i n gt ot h e c r a c k so fr u n n e rb l a d e t h ee x i s t i n gd s pd e t e c t i n gs y s t e mh a dr e a l i z e dt h ef u n c t i o no fs a m p l i n g a e s i g n a la n df i rf i l t e r , i nt h i sa r t i c l e ，t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e s b a s e d o nb l u e t o o t ht e c h n i q u ew e r ea d d e d ，w h i c ha c c o r d i n g l yr e a l i z et h er u n i o no f w i r e l e s st r a n s m i s s i o nf r o md s pd e t e c t i n gs y s t e mt op c t h er e s o u r c e so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r em a n u f a c t u r e da n dd e s i g n e dt or e a l i z et h e i n t e g r a t i o no f t h ed e t e c t i n gs y s t e m i nt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n g ，i ns o f t w a r e ，t h ea ep a r a m e t e r st r a n s m i t t i n g p r o g r a m o fd s pd e t e c t i n gs y s t e mw e r ew r i t t e n ，p r o g r a mm o d u l e sw e r e i n t e g r a t e d b yu s i n gw i n d o w s a p if u n c t i o n ，t h er e c e i v i n gp r o g r a mt h a tr u n si n t h ec o m p u t e rw a sd e v e l o p e d ，w h i c hh a dv i e w a b l ei n t e r f a c ea n df u n c t i o n so f d i s t i n g u i s h i n g t h es e r i a ln u m b e ro fc h a n n e l ，d i f f e r e n t i a t i n gt h et y p e s o f p a r a m e t e r s ，r e a lt i m ed i s p l a ya n ds a v i n gr e c e i v e dp a r a m e t e r st oc o r r e s p o n d i n g f i l e s i nh a r d w a r e ，t h ec i r c u i tb o a r da i m sa tc o n v e r t i n gv o l t a g eo ff o u rc h a n n e l s w a sm a d e ，a l lh a r d w a r em o d u l e sw e r ea s s e m b l e di nb o x a f t e rt h es y s t e mh a d b e e na c c o m p l i s h e d ，t h ee x p e r i m e n t a t i o no fc o m p a r i s i n gt r a n s m i s s i o nb a u dr a t e a n db r e a k i n go f fp e n c i lw e r em a d et ov a l i d a t et h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e t h er e s u l ta c h i e v e d t h ea n t i c i p a t e dp u r p o s e t h i sa r t i c l ew a sp a r to ft h ew o r ks u p p o r t e db yt h es t a t en a t u r a ls c i e n c e f u n dp r o j e c t t h ec r a c km o n i t o rt h e o r ya n dm e t h o dr e s e a r c ho f r u n n e rb l a d e o f f r a n c i st u r b i n e ( 5 0 4 6 5 0 0 2 ) k e yw o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n ；d s p ；b l u e t o o t h ；w i r e l e s st r a n s m i s s i o n i i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：乏钮 幻影年钼巧日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 团即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：乏彳l导师签名粤砀吞毒加8 年钿秽日 u 转轮裂纹声发射信号传输的蓝牙解决方案及系统集成 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于国家自然科学基金项目混流式水轮机转轮叶片裂纹监测的理论和方 法研究( 5 0 4 6 5 0 0 2 ) 。 大型混流式水轮机转轮叶片在运行过程中经常出现大量裂纹，严重危及到水电站安 全运转。传统的维修方法需要定期停产检修，这种检修方式在给生产带来不便的同时也 会造成经济上的损失。课题项目提出采用声发射技术分析裂纹产生扩展的情况，研究基 于声发射技术的裂纹检测系统，实现对水轮机转轮叶片裂纹的在线动态监测。但是水轮 机转轮是工作在较恶劣条件下的大型转动部件，在强大背景噪声和电磁场干扰下检测由 旋转的转轮叶片产生裂纹时的声发射信号并非易事。 基于上述分析，有必要开发一套能够工作于现场环境下的转轮裂纹检测系统，以实 现声发射检测技术在转轮叶片裂纹监测上的应用，进而实现对裂纹产生的报警、裂纹发 展趋势的预估和声发射源的定位。 1 2 声发射技术概述 1 2 1 声发射技术概念 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 简称a e ，是指材料或结构内部局部区域在外力、内力 或温度的影响下，产生塑性变形或有裂纹形成和扩展时，伴随能量迅速释放而产生的瞬 态弹性波现象【1 1 。声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时均伴有声发 射，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器 才能检测出来。用仪器探测、记录和分析声发射信号以及利用声发射信号推断声发射源 的技术称为声发射检测技术1 2 j 。 1 2 2 声发射信号特征参数 目前采集和处理声发射信号的方法可分为两大类：一类是以多个简化的波形特征参 数来表示声发射信号的特征，然后对其进行分析和处理；另一类为存储和记录声发射信 l 转轮裂纹) 1 发射信号传输的蓝牙搿酚舞方案及系统集成 号的波形，对波形进行频谱分析【3 】。简化波形特征参数分析法是2 0 世纪5 0 年代以来广 泛使用的经典声发射信号分析方法，目前在声发射检测中仍得到广泛应用，且几乎所有 声发射检测标准对声发射源的判据均采用简化波形特征参数。 图1 - 1 为突发型标准声发射信号简化波形参数的定义。由这一模型可得到事件计数、 振铃计数、能量、幅度、上升时间和持续时间等参数。为了更确切地描述连续型声发射 信号的特征，又引入了参数平均信号电平【4 】。 ；。啊觚l 蒜l 雕- 针限 w 1 门拄 n1 f l fl i jl、，l ，、j f 、，入 一 图1 1 突发型声发射信号简化波形参数的定义 f 嘻1 - 1t h ed e f i n m o f b u r s t s i g n a ls 酬f i e dw a v ef o 咖p a r a m e t e r 以下列出一些常用声发射信号特征参数并附说明，这些参数都是本数据采集系统所 要提取和传输的参数： ( 1 ) 声发射事件计数( e v e n tc o u n t ) 产生声发射的一次材料局部变化称之为一次声发射事件。声发射事件计数不仅可以 反映声发射事件的总量，还可以反映声发射事件的频度，主要用于声发射源的活动性和 定位集中度评价。 ( 2 ) 振铃计数( c 0 眦t ，血g 也、 ，nc o m t ) 振铃计数是最通用的声发射评估技术。当一个事件撞击传感器时，它使传感器产生 振铃。所形成的超过阈值的电信号的第一振荡波均记为一个振铃计数。振铃计数就是越 过门槛信号的振荡次数。 ( 3 ) 平均信号电平 平均信号电平( a s l ) 是采样时间内信号电平的均值，以d b 表示。对幅度动态范围 要求高而时间分辨率要求不高的连续型信号，尤为有用，也用于背景噪声水平的测量。 ( 4 ) 上升时间( 陆f i o n ) 上升时间是事件信号第一次越过门槛值至最大振幅所历经的时间间隔，以啦表示。 表示信号超过门槛水平到峰值所经过的时间。有时用于机电噪声鉴别以滤除机械噪声和 电子噪声。 2 转轮裂纹声发射信号传输的蓝牙解决方案及系统集成 ( 5 ) 持续时间( d u r a t i o n ) 事件信号第一次越过门槛至最终降至门槛所历经的时间间隔，以胪表示。它与振铃 相关，近似于振铃计数与传感器每一次振荡时间周期的乘积。 ( 6 ) 幅度( a m p l i t u d e ) 幅度是声发射信号的重要参数，与事件的大小有直接关系，不受门槛的影响，直接 决定事件的可测性，常用于波源的类型鉴别，强度及衰减的测量。 1 2 3 声发射检测系统概述 2 0 世纪8 0 年代初，美国p a c 公司将现代微处理机技术引入声发射检测系统，设计出 了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器，并开发了一系列多功能高级检测和 数据分析软件，通过微处理机控制，可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数 据分析。该仪器体积小、重量轻、易于携带，并且仪器采集和处理声发射信号的速度大 幅度提高，信息存储量增加，提高了声发射源的定位功能和缺陷检出准确率，大大推动 了声发射技术在现场检测的广泛应用。 2 0 世纪9 0 年代后，美国p a c 公司、德国v a l l e ns y s t e m e 公司和中国广州声华公司先 后开发了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代、第四代、第五代数字化多通道 声发射检测分析系统，除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行 声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。 1 3 转轮裂纹声发射信号传输要求分析 图1 - 2 水轮机转轮主轴 f i g 1 - 2t h e r t l n l l e rb l a d eo ff r a n c i st u r b i n e 图卜3 水轮机转轮主轴法兰 f i g 1 3t h ef l a n g eo f r u n n e rb l a d e 广西大学硕士学位论文 转轮裂纹声发射信号传输的蓝牙解决方案及系统集成 ( 1 ) 水轮机运行状况说明 图l - 2 、图1 3 所示为电站水车室内水轮机转轮主轴与主轴法兰图片。在水轮机运 转发电过程中，水轮机转轮主轴始终处于旋转状态，额定转速为7 5 r m i n 。本课题研究 内容为利用声发射技术对转轮叶片的裂纹进行监测，由于声发射检测是一种动态无损检 测方法，而且，声发射信号来自缺陷本身，因此，为了能够确保捕捉到裂纹声发射信号， 用来采集声发射信号的传感器必须安装在与转轮叶片同为一体的转轮主轴上，在随水轮 机一起旋转的过程中采集声发射信号。 ( 2 ) 声发射采集系统安装位置要求 声发射信号传输流程如图1 _ 4 所示，声发射信号经声发射传感器采集后的传输可分 为如下两个流程。流程1 ：前置放大器d s p 数据采集系统；流程2 - d s p 数据采集 系统e 位p c 机。 lz 图l - 4 声发射信号传输流程图 f i g 1 4t h et r a n s m i s s i o no f a es i g n a lf l o wc h a t 传感器与前置放大器之间通过传感器自带的连接线缆进行连接，由于线缆很短，传 感器与前置放大器之间的传输衰减可忽略。前置放大器与d s p 数据采集系统之间通过 5 0 q 同轴电缆连接，为了减小信号在传输过程中的衰减，应尽量缩短前置放大器与d s p 数据采集系统之间的线缆长度。 d s p 数据采集系统对采集到的声发射信号进行处理后，将声发射参数传输到上位 p c 机进行保存。上位p c 机作为接收终端，由于需要面向操作者，向操作者提供接收到 的声发射参数，使操作者可以对接收到的声发射数据进行分析处理，从而对水轮机转轮 的运转状况进行监测。所以，从功能需求、安装空间、运行维护等多方面考虑，上位 p c 机需固定放置，负责接收d s p 数据采集系统经采集处理后传输的声发射参数。 通过上述对前置放大器d s p 数据采集系统、d s p 数据采集系统t 位p c 机 间传输方式及安装位置的分析，确定采用无线数据传输方式实现声发射参数从d s p 数 据采集系统到上位p c 机的传输。 4 广西大学硕士掌位论文 转轮裂纹声发射信号传输的蓝牙解决方案及系统集成 1 4 检测信号无线传输的研究现状分析 1 4 1 无线通信网络标准 目前在工业领域，根据现场环境、速率需求、通信距离、传输介质等不同可分为不 同的数据传输类型。在无线通信领域，i e e e8 0 2 委员会针对不同的市场需求和应用模式 制订了不同的标准，目前，无线网络标准根据通信距离的不同可分为无线广域网 ( w w a n ) 、无线城域网( w m a n ) 、无线局域网( w l a n ) 和无线个域网( w p a n ) ， 它们的有机结合，构成了完整的无线互联网体系【5 】【6 】。此外，在无线数据通信领域，还 有其它一些无线数据传输技术，如：基于r f 技术的无线射频模块、无线数传电台等非 标准无线数据传输技术。由于d s p 数据采集系统与p c 机间的通信仅限于电站内，因此， 近距离无线传输技术即可满足数据采集系统对传输距离的要求。 1 4 2 近距离无线通信技术特征 近距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波 传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为近距离 无线通信。近距离无线通信技术的特征主要有如下几点： ( 1 ) 低成本。做为无线通信模块的核心芯片，价格一般在几元至几十元不等。低成 本促进了近距离无线通信技术的推广j 使其广泛的应用在各种无线通信场合。 ( 2 ) 低功耗。相对于其它无线通信技术而言，由于传输距离短，因此近距离无线通 信芯片的发射功率普遍都很低，通常在l l o m w 量级。 ( 3 ) 对等通信。对等通信是近距离无线通信的重要特征，这使其有别于其它基于网 络基础设施的无线通信技术。终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，因此空中接 口设计和高层协议都相对比较简单。由于无须第三方参与即能进行数据传输，因此可节 省成本，降低运行费用【7 j 。 1 4 3 近距离无线通信技术分类 近距离无线通信技术的分类如图l - 5 所示。 5 转轮裂纹声发射信号柏哺舒的蓝牙解决方案及系统集成 普通r f 射频技术 近距离无线通信技术降一红外线( i r d a ) 无线数传电台 无线数传模块( n r f 2 4 x x ) z i g s c c 紫蜂技术( i e e e8 0 2 1 5 4 ) 无线个域网技术 h 蓝牙b l u c t o o t h ( i e e e8 0 2 1 5 3 ) 无线u s b ( w u s b ) ( i e e e8 0 2 1 5 3 a ) 图1 - 5 近距离无线通信技术分类 f i g 1 - 5t h es o r t so fs h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e 现对各种数据传输方式做如下对比总结： ( 1 ) 红外( i r d a ) 技术 i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的无线技术，收发双方采用光发射二极管、 激光二极管或光电二极管发射波长为8 5 0 h m 的红外光进行点与点之间的数据交换。红外 传输距离为肛l 米，速度为9 6 0 0 b p s - , 1 6 m b p s ，是第一个实现无线个域网的技术。目前 它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如p d a 、手机上广泛使用 s l 。 优点：无需申请频率的使用权、通信成本低廉、体积小、功耗低、连接方便、简单 易用。由于采用红外光作为传输介质，所以通信不受电磁干扰和射频干扰的影响，这一 点要优于其它无线传输技术。 缺点：i r d a 是一种视距传输技术，发射角度较小( 3 0 。锥形范围) ，两个相互通信 的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，无法穿透实心物体。 应用：红外技术与集流环相结合，可用于旋转机械的动态信息测量。但此种应用需 要将红外收发装置安装在旋转体中心，才能实现红外收发装置的对中传输，与水轮机转 轮轴的安装要求不一致，因此，不适合在水轮机转轮轴上应用。 ( 2 ) 无线数传电台 数传电台是一种采用数字信号处理、软件无线电、数字调制解调等技术为一体的无 线传输方式。电台提供标准的数据接1 2 1 ，可直接与计算机、数据采集器、数据终端、g p s 接收机等设备连接。 优点：发射功率大，传输距离远。 缺点：传输速率 氐( 1 2 0 0 - - 1 9 2 0 0 b p s ) 。初次开通需要向当地无线电管理委员会交纳 一定费用，每年还需缴纳一定的频率占用费，组网费用高；需要专业人员维护管理，建 6 转轮裂纹声冀套h 警号传输的蓝牙解决方案及系统集成 设、维护费用高。 ( 3 ) 无线数传模块( 心心2 4 e 1 ) 目前，国内外已经开发出各种基于r f 技术的无线数传模块，以工作于4 3 3m h z 和 2 4g h z 频段为多。其显著特点是：所需外围元件少，设计方便；工作于国际开放的i s m 频段，无需向专业部门申请使用许可。以n o r d i c 公司的集成式专利无线芯片( n r f 2 4 x x 系列) 为例【l o l ，与无线个域网技术不同，该系列芯片采用自行开发的私有无线解决方案。 其中，n r f 2 4 e 1 便是其中一款集成了2 4 g h z 无线收发器和增强型8 0 5 1 内核的系统 级r f 芯片。n r f 2 4 e 1 适用于各种无线设备的近距离互连应用场合，工作于i s m 频段， 有1 2 5 个频点，能够实现点对点、点对多点的无线通信，同时可采用改频和跳频来避免 干扰。其理论最大传输速率可达1 m b i t s ，最大发射功率为o d b m ，在理想环境中，其室 内传输距离可达3 0 - 4 0 米，室外传输距离可达1 0 0 2 0 0 米。 h i 。 ( 4 ) 无线u s b ( w u s b ) 技术 无线u s b 标准由无线u s b 促进组织( w i r e l e s su s bp r o - m o t o rg r o u p ) 制定。该组织 成立于2 0 0 4 年初，由英特尔( i n t e l ) 发起，成员包括了杰尔系统( a g e r es y s t e m s ) 、惠普 ( h e w l e t tp a c k a r d ) 、微软( m i r c o s o f d 、n e c 、飞利浦半导体( p h i l i p ss e m i - c o n d u c t o r ) 和三星 ( s a m s u n g ) 这几家业界领先的公司。 无线u s b 标准的物理层和m a c 层采用了由m b o a 和w t m e d i a 共同制定的u w b 超宽带物理层标准，在w t m e d i a 通用无线平台上提供较高层的协议综合。该标准具有发 射信号功率谱密度低、系统复杂度低、对信道衰减不敏感等诸多优点，尤其适合无线 u s b 的室内密集多径场所的高速无线接入。， u w b 能够支持5 3 3 、8 0 、1 0 6 7 、2 0 0 、3 2 0 、4 0 0 和4 8 0 m b p s 等多速率和多通道的 数据传输，同时也提供了较好的差错检测和校正机制。无线u s b 标准中，规定了无线 u s b 主机必须支持上述所有传输速率，而对无线u s b 设备则不要求支持上述所有传输 速率。 缺点：目前w u s b 的传输距离不能超过l o 米才能保证高质量、高速率传输，限制 了其在工业上的大范围应用，而且无线u s b 技术的成型产品还很少，普及程度远不及 蓝牙等无线传输技术。 ( 5 ) z i g b e e 技术 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。创始公司包括飞利浦、h o n e y w e l l 、三菱电机、摩 托罗拉、三星、b mg r o u p 、c h i p c o n 、f r e e s c a l ea n de m b e r 。z i g b e e 是用于个人局域两j 0 a n ) 7 广西大掌硕士掌位论文转轮裂纹声芸，射信号传输的蓝牙解央方案及系统集成 的短程无线技术，适合承载数据流量较小的工业控制、医用设备控制、汽车自动化、农 业自动化和消费性电子设备等。 z i g b e e 是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的关于组网、安全和应用软件等方面 的技术标准，它的物理层、m a c 层采用了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准【1 2 1 。i e e e s 0 2 1 5 4 i 作 在i s m 频段，定义了两个物理层，即2 4g 】舷频段物理层和8 6 8m h z ( 欧洲) 9 1 5m n z 0 匕美) 频段物理层。在8 0 2 1 5 4 标准中，总共分配了2 7 个具有三种速率的信道：在2 4g h z 频段 有1 6 个速率为2 5 0k b i t s 的信道，在9 1 5m h z 频段有1 0 个4 0k b i t s 的信道，在8 6 8m h z 频段 有1 个2 0k b i t s 的信道。 z i g b e e 的特点如下： 低功耗：z i g b e e 模块的整体功耗非常低，其发射功率仅为l m w 。据估算，z i g b e e 设备仅靠2 节标准5 号电池就可以维持长达6 个月到2 年左右的使用时间n 3 1 。 成本低：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。 时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都很短，新的活动设备搜索时延为 3 0 m s ，休眠激活的时延是1 5 m s ，活动设备信道接入的时延为1 5 m s 。 网络容量大：一个星型结构的z i g b e e 网络最多可以容纳2 5 4 个从设备和1 个主 设备，一个区域内最多可以同时存在1 0 0 个独立而且互相重叠覆盖的z i g b e e 网络。 可靠：z i g b e e 在物理层采用直接序列扩频d s s s 和频率捷变f a 技术，有强抗干 扰和多径能力；在m a c 层采取了碰撞避免策略c s m a c a ，同时为需要固定带宽的通 信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突【1 4 l 。 安全：z i g b e e 提供了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完整性检查功能，支持 鉴权和认证，采用了a e s 1 2 8 的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。 ( 6 ) 蓝牙 1 9 9 8 年5 月，爱立信( e r i c s s o n ) 、诺基亚( n o k i a ) 、m m 、i n t e l 、东芝( t o s h i b a ) 等五家公司，联合成立了蓝牙技术特别兴趣小组( s i g ，s p e c i a li n t e m e tg r o u p ) ，携手制 定蓝牙技术规范。目前已有上千家公司，如m i c r o s o r 、m o t o r o l a 、3 c o r n 、l u c e n tt e c h n o g i e s 等成为蓝牙技术的支持者。 b l u e t o o t h 无线技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，以低成本、近 距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技 术，目的是取代计算机与外围设备及其他电子设备之间的电缆【1 5 1 。b l u e t o o t h 技术已获 得了全球认可，世界各地的b l u e t o o t h 设备都可以与其邻近的b l u e t o o t h 设备连接。 2 广西大掌硕士掌位论文转轮裂纹声发射信号传输的蓝牙解决方案及系统集成 b l u e t 砌电子设备可以通过近距离的即时网络( 称为微微网) 进行无线连接和通信。 每个设备最多可以在微微网中同时与七个其它设备进行通信。每个设备还可以同时属于 多个微微网。 蓝牙技术的主要特点如下： 开放性优势：b l u e t o o t h 无线技术是当今市场上支持范围最广泛，功能最丰富 且安全的无线标准。工作于i s m 频段，使用该频段无需向各国无线电资源管理部门申请 许可证。 很好的抗干扰能力：b l u e t 砌技术的适应跳频沁h ) 功能设计用于降低共享 2 4g h z 频谱无线技术之间的干扰。a f h 可以利用可用频率在该频谱内运行。这可以 通过检测此频谱内的其它设备并避免使用它们使用的频率来实现。此适应跳频可以实现 在频谱内更加有效地传输，即使b l u e t 础技术与其它技术配合使用，仍会为用户提供 更高的性能表现。同时还采用了快速跳频方式来扩展频谱，将2 4 0 2 2 4 8 g h z 频段分 成7 9 个频点，相邻频点间隔1 m h z 。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个 频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1 6 0 0 次，每个频率持续 6 2 5 眄 1 6 1 。这使得它在2 4 g h z 这个多干扰的环境中比其他系统更稳定，抗干扰能力更强。 低功耗：蓝牙设备在通信连接( c o 衄胱t i o n ) 状态下，有四种工作模式激活 ( a c t i v e ) 模式、呼吸( s i l i f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休眠( p a r k ) 模式。a c t i v e 模式是正常 的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。 开放的接口标准：s i g 为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开， 全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过s i g 的蓝牙 产品兼容性测试，就可以推向市场。 安全性优势：为了防止窃密，蓝牙采用链路级密钥和限制数据访问的方法，使 蓝牙传输的信息更安全。 便携优势：蓝牙便携优势主要体现在两方面：一是蓝牙模块体积很小，便于集 成，可直接嵌入到小型乃至微型移动设备中。二是功耗低，一般发送功率仅为l m w ，可 以用于电池供电的场合，当增加发射功率时，可以使传输距离达至u 1 0 0 米。 穿透力强：相对于k d a 等传输空间受限的无线传输技术而言，蓝牙设备能够穿透 墙壁等障碍物实现数据传输，具有全向性、移动性、使用方便灵活等特点。 对上述各项近距离无线传输技术的对比如表1 - 1 所示。 9 广西大学司n b 掌位论文转轮裂纹声发射信号传输的蓝牙解决方案及系统集成 表i - i 近距离无线传输技术对比 规范红外数传电台无线u s b n 融屹4 e l z i g b e e蓝牙 工作频段 8 2 0 h m1 5 0 姗z 3 1 2 出铷z 8 6 8 9 1 5 删z 、 2 4 g h z 4 5 0 姬 z l o 6 g h z 2 4 g h z 调制方式 m s ks h o c k b u r s tg f s k b p s k o - - o p s k g f s k 传输速率9 6 0 0 1 础1 2 0 0 i l o w ( 1 0 米)1 m2 0 k ，4 0 k 。2 5 0 k标称速率：埋 ( b p s ) 1 9 2 0 0 4 8 0 m ( 3 米) 传输距离 0 l 几k 1 03 0 4 0 ( 室内) 7 0 n 柙l m l m 霄 1 m 霄1 0 0 m 霄 扩频方式 d s s sf h s s 安全机制 m a c 和唧k ，a e s ，链路级，认证基于共享 分级安全机制密钥，询问响应机制， 反应逻辑算术鉴权，a e s 纠错方式 c r c c r c 、a 购 c r c 、a 睑、 自动重发丢失数l 3 f b c ( 3 b i t 重复码) 、 据包2 3 f e c ( 截短汉明码) 信道数 1 + 1 0 + 1 6 = 2 7 个 7 9 个 备注 无法穿透 需缴纳频技术标准还非标准局域网技适用于低速率、传输速率较高，有很强 实心物体率占用存在争议，术低成本、低功耗的抗干扰能力和穿透能 不受电磁费，维护使得该技术的数据传输力 干扰影响费用高还未普及 1 4 4 无线传输方式的选择 本数据采集系统的关键任务是在恶劣环境下提取强噪声背景下的声发射信号，然后 将采集到的数据送入d s p 处理器做进一步分析处理，因此，保证采集数据的可靠传输是 数据采集系统的关键环节。只有保证这一点，才能保证后续工作环节的有效性。并且， 由于信号采集系统需要随水轮机转子一起旋转，所以信号采集系统需要在移动状态下向 上位机传输信号。 综合以上要求，所选择的无线传输技术应具有很好的抗干扰能力、完善的纠错机制、 很强的穿透能力，能够在运动状态下实现数据传输。从数据传输速率及传输距离分析， 无线射频、z i g b e e 、b l u e t o o t h 均能满足要求，并且无线射频与z i g b e e 技术均能在较小 功率下实现较远距离的数据传输【1 7 1 。但在保证数据传输有效性的纠错机制方面，蓝牙技 术的通信协议体系较前两者更完善、纠错机制要多于前两者。只有保证这一点，才能保 证后续工作环节的有效性。更完善的差错控制机制、更强的检错纠错能力可以为数据的 传输可靠性提供保证。基于对上述无线传输技术在差错控制能力方面的对比，决定选用 蓝牙技术作为本数据采集系统的无线传输方式。这是保障数据传输有效性，减小误码率 1 0 广西大学硕士掌位论文转轮裂纹声戋射信号传输的蓝牙解决方宾及系统_ 集成 的重要基础，配以2 0 d b m 的发射功率，可以增加蓝牙模块的传输距离，理论上最远传输 距离可达1 0 0 米，满足现场工作环境的需要。 1 5 本课题主要工作内容 本项目的主要研究内容有： ( 1 ) 编写下位机数据传输程序，实现d s p 数据采集系统与p c 机间声发射参数的无 线传输： ( 2 ) 编写上位p c 机声发射参数界面接收程序，实现声发射参数的接收、各通道及 参数类型的识别、显示及接收参数的文件保存； ( 3 ) 对d s p 系统各程序模块进行集成并对集成后的系统进行测试； “) 声发射检测系统各硬件单元的装配集成。 本章小结 本章主要介绍课题提出背景，对声发射技术做以概述，对一些常用声发参数做以说 明，简要介绍国内外主要声发射检测系统。分析水轮机转轮主轴现场工作环境对数据采 集系统的安装要求，通过对各种近距离无线传输技术的对比分析，确定选用蓝牙技术用 于声发射参数的无线传输，同时对课题主要工作内容做以介绍。 广西大学蛹醑士掌位论文 转轮裂纹声发射信号传输的蓝牙搿p 夹方案及系统集成 第二章转轮裂纹声发射信号蓝牙技术解决方案的设计 2 1 蓝牙技术解决方案总体设计 2 1 1 蓝牙解决方案总体设计原则 解决方案总体设计目的是规划实现蓝牙技术与数据采集系统结合的总体思路，为下 一步硬件与软件设计奠定基础。其主要任务是划分系统各物理元素的构成、联系及其定 义描述，并且根据系统确定的应用目标，配置适当模型和适当数量的硬件、软件，确定 计算机的运行环境，使检测系统满足声发射信号检测的基本要求。蓝牙传输方案的设计 主要应满足以下几方面要求： ( 1 ) 完备性 主要是指所集成的转轮裂纹检测系统最终应具备声发射信号的采集、分析、传输、 接收、显示、保存的功能。 ( 2 ) 标准化 蓝牙产品的选择应符合国家标准或行业规范，应选择经s i g 认证的蓝牙产品供应商。 无线传输的工作频段应符合无线电管理行业的相关要求。 ( 3 ) 系统性 蓝牙传输方案的总体设计中，硬件上应能够与原有d s p 数据采集系统集成为一个整 体，软件上应该能够保证信号采集、处理、传输等功能的实现。 “) 扩充性 蓝牙技术是一种一点对多点的通信协议，蓝牙设备间不仅能够进行点对点传输，也 支持点对多点的方式。所选择的蓝牙产品应满足这方面要求，为以后进一步需求留有可 扩充余地。 2 1 2 蓝牙无线传输方案设计 整个检测系统由下位d s p 数据采集系统和上位p c 机两部分组成。无线数据传输方 案的设计目标是在已实现声发射信号采集功能的基础上，选用蓝牙做为声发射检测系统 的无线传输技术，进行硬件集成和软件开发，最终实现上、下位机之间无线数据传输。 1 2 广西大掌硕士学位论文转轮裂纹声发射信争传麓r 的蓝牙解决方案及系统集成 要想实现下位机的无线数据发送，硬件方面，需要将包括蓝牙模块在内的各分立元件进 行整体组装，实现从采集部分到传输部分的硬件连接。软件方面，编写d s p 数据采集 系统声发射参数传输程序，完成信号采集、参数提取与数据传输各程序模块的集成，实 现声发射参数向上位p c 机传输。上位p c 机要实现的功能是从蓝牙接收数据，对接收 到的数据进行通道判别与参数类型识别，并对接收的参数进行显示、保存。 2 2 系统硬件集成方案设计 2 2 1 蓝牙模块类型选择 目前，蓝牙技术开发与研究主要分三类：蓝牙芯片开发、中间协议软件开发、蓝牙 应用产品开发。其中，应用产品开发则是利用前两类提供的软硬件为基础去集成和开发 产品和系统。本方案属于第三类，即从应用角度，以蓝牙模块作为通信模块集成到数据 采集系统为出发点，实现蓝牙模块在数据采集系统中的应用。 可选用两种形式的蓝牙模块实现与数据采集系统的集成 ( 1 ) 封装模块 底层蓝牙协议固化在蓝牙模块内，由模块内的微控制器运行底层协议，在d s p 主机 内开发上层协议与用户应用程序。主机和主机控制器之间通过标准物理总线接口( 譬如 通用串行总线u s b 、串口r s 2 3 2 ) 连接。 ( 2 ) 内嵌式模块 蓝牙软件协议栈在蓝牙模块的主机控制器中运行，应用程序在d s p 主机中运行。主 机和主机控制器之间通过标准的物理总线接口连接。 若采用第一种方式，需要在d s p 主机上开发运行蓝牙h c i 传输层及以上协议，由于 蓝牙软硬件设计及协议编程复杂，且在d s p 中运行蓝牙协议会降低数据采集程序的响应 时间及处理速度，所以不适合采用。采用第二种方式，可以保证d s p 对采集信号的处理 效率，缩短运行时间。也可以保证蓝牙协议栈的完整性，在对应用程序进行调整时，不 会影响蓝牙模块的传输性能。 通过以上对比分析，确定选用第二种类型蓝牙模块，将其与d s p 数据采集系统进行 连接，实现数据通信功能。 1 3 广西大掌司n b 掌位论文转轮裂纹声发射信号传输的蓝牙搿弘恕方案及系统集成 2 2 2h c i 传输层实现 主机和主机控制器间的标准接口以及它们之间相应的通信协议一起被称为主机控 制器接口h c i ( h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 。其结构如图2 1 所示。h c i 是蓝牙设备开发人 员控制蓝牙模块的唯一途径，具有非常重要的地位【1 8 】。 主机 主机驱动和应用程序 蓝牙h c i 驱动程序 物理总线驱动程序 o j s a 、u a r t 、p c i 、p c 卡) 物理传输总线 u s b 、u a r t 、p c i 、p c 卡 “ 图2 - 1h c i 传输层结构