【基于MEMS的电主轴状态监测系统设计案例分析12000字】

基于MEMS的电主轴状态监测系统设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u29731基于MEMS的电主轴状态监测系统设计案例分析 1325021.1电主轴监测系统总体设计方案 233071.1.1系统应用需求分析 2200831.1.2系统总体设计方案 29112图1.1总体设计方案图 37991.2主轴过载传感器硬件设计 37861.2.1MEMS传感器芯片技术 313649图1.2MPU-6500引脚封装图 479941.2.2基于ARM的主轴传感器采集部分设计 523234图1.3STM32F031G6U6引脚封装图 52775图1.4传感器模块主控电路原理图 610047图1.6主轴传感器硬件电路板封装模型 73583图1.7传感器模块硬件电路板及其封装后的实物图 78196图1.8传感器模块信号连接图 7267731.3数据传输网络的搭建与设计 7242461.1.1有线数据传输技术 8270831.1.2无线数据传输技术 8105771.1.3基于4G通信技术的上主轴传感器网络通信方案 93292图1.9有人公司USR-G7804G数据传输模块 10283101.1.2传感器模块与外设的通信互联接口设计 103148图1.10主轴传感器中USART-RS485接口互联电路 11293561.1.3主轴传感器RS485通信帧结构设计 13103551.4上位机在线监测软件设计 2056571.4.1上位机监测软件主要功能 218021.4.2服务器端监测软件模块功能设计 22系统设计一方面应满足电主轴防护模块本地快速保护功能，还可以对主轴运行状态进行实时监测。考虑到工厂实际应用时的需求，系统在实时检测电主轴运行状态相关数据的同时，能够将采集到的数据通过一定传输方式上传至工厂监测运维服务器。服务器端可以使用相关的信号处理与大数据分析方法，实现电主轴运行状态的智能监测。本章将对整个系统的设计过程等相关内容进行叙述。1.1电主轴监测系统总体设计方案1.1.1系统应用需求分析本文首先对系统的需求进行相应分析，根据系统应用环境、技术的可行度等给出系统设计的目标参数。本系统的功能设计包括两部分。一方面能够避免或减小电主轴的撞击损坏，形成防护。另外一方面通过运行过程中过载数据的监测，进行电主轴运行状态评价。当电主轴出现异常数据时，能提前预警，及时消除安全隐患，降低工厂设备维修成本。相关的参数可以与工厂的日常保养相结合，保障产线开工率与加工的精度要求。除此之外，模块的设计还应满足机床整机的前装与后装要求，综合考虑安装、尺寸，成本等因素。考虑到系统应用的工况环境较为复杂，如大型机电设备中的电磁干扰、温湿度、油气等因素，系统工作时的抗电磁干扰性能、系统的密闭性等可靠性问题也应是系统设计的重要部分。现代工厂规模越来越大，可能存在多个厂区，集约化的设计也是重要的方面，同一后台系统应可以满足多个厂区、多台设备的应用。因此，网络化的构架是必不可少的部分。无线的数据传输方案，不需要布线，是实现无线数据连接的较好方案，但同时无线的带宽应满足数据传输的速率与实时性要求。在网络化与数据化的基础上，可以基础数据不断充足的情况下进一步运用大数据、机器学习等方法开展主轴运行诊断相关研究与开发，逐渐向数据与系统的智能化方向发展。综上，本文设计的电主轴监测系统兼顾成本、可靠性、数据传输方式等因素，为未来智能制造、智慧工厂的机床运维提供传感接入。1.1.2系统总体设计方案根据前述章节的理论基础和系统应用需求分析，本文对系统的三个部分设计分别进行说明。每一台机床通过安装传感器模块获取主轴运行状态相关数据，通过无线网络实现传感数据的远程上传，数据平台可能实现远端数据的获取，同时用户可以远程进行数据的下载、分析。主轴运行的传感模块部分，包括主控MCU芯片、MEMS传感器、调理电路、数据传输电路等，主要作用是完成对主轴运行数据的采集。因为未来应用的不确定性与可拓展性，模块还应具备可调可配的功能，需要设计相应的数据传输协议与功能定义。无线数据传输网络在系统中负责数据的有效传输，是上主轴传感器之间进行通信的媒介，是本监测系统设计中不可或缺的一环，选择合适的网络传输架构并完成搭建极其重要。基于机床的使用环境，设计采用半双工的485通信模式，并在通信协议中设计合理的软双向通信机制，保障实时数据下载过程中，模块调配数据的传输。监测运维端的服务器端主要负责传感器数据的接收，对主轴运行数据进行各种技术处理，通过交互式操作界面实时显示主轴运行状态，并对数据进行保存记录。整个系统的运作流程为：传感器模块实现主轴运行数据的采集，经由再主控芯片对采集到的数据进行预处理，做好数据发送前的相应准备。在本地端完成过载数据的预警设置，当超过碰撞设定值时，能在1ms以实现报警端口的输出。同时，模块完成对数据的预处理后，将其传递给无线数据发送设备，并由其交给无线数据传输网络。在数据传输过程中，应保证数据的完整性和正确性，并确保能够将数据传递至对位的无线数据接收设备。服务器端通过无线数据接收设备接收到网络数据后，先对数据进行相应解析，然后根据相关技术方法对数据进行处理，向监测运维端工作人员实时呈现主轴运行状态，并能够对一些故障情况进行警报。本文的总体设计方案可简化如图1.1所示。图1.1总体设计方案图本系统中各部分的功能部件将严格依照以上总体设计方案和流程进行设计。1.2主轴过载传感器硬件设计本系统中传感器模块与工厂内的主轴直接关联，用于获取主轴运行数据，是系统中信息获取的直接来源，因此，传感器模块的设计直接影响着整个系统的监测性能，本节将对主轴传感器的设计过程进行详细阐述。1.2.1MEMS传感器芯片技术主轴的振动状态可以直接反映出其工作情况是否正常，可以通过MEMS传感器测量主轴工作时过载情况，即反映主轴装夹的刀具应力情况。系统监测有实时性的应用需求，MEMS传感器的选择时应考虑其量程与响应速度。同时未来系统的实时性要求越来越高，一方面是传感器自身的参数，同时也与处理器的性能与处理方法有很大的关系。力学传感器在监测力的变化时其响应延时上于1ms，对于机床一类机械运动及PLC的处理速度而言基本可以认为是实时的，关键在于信号处理的一时间响应。通过MEMS传感器可以检测主轴在不同方向的加速度值，加速度值与机床加载的运行驱动与运行过程中工件的接触直接相关。运行中的主轴可能会出现加减速、旋转过程，以及切削工件、撞刀、因机油缺失导致的不均匀磨损等过程都会直接通过加速度的值反映出来。选用加速度传感器作为探测主轴运行状态的方式，设计相应用软硬件平台，构成整个监测系统。要通过加速度传感器获取主轴运行数据，需要将传感器固定于主轴的固定位置，位置的选择对于刀具过载的传导存在对应关系。不同的安装位置，会导致传导的刀具过载数值由于主轴的弹性变形，缓冲有一定的变化。同时主轴工作时会高速旋转，由于主轴对称性的差异，也会产生横向过载周期性的变化，影响探测的精度。一般而言，传感器选择接近于刀具的装夹位置，过载的测理更为准确，因此小型化的设计对后期更多平台应用，以及内部安装应用也具有重要的作用。高灵敏的探测可以监测到主轴运转中更多的过载、振动细节，要求传感器探测芯片具有一定的位数。模拟的传感器，由于模拟信号很容易受到外界的干扰，需要对模拟信号进行放大滤波处理，再进行数字化采样。传感器的高灵敏度的信号输出和采集信号高位数的采样，可以实现传感器的更高精度。根据以上分析以及对传感器的要求，综合考虑系统各项因素后，本文选取了MEMS传感器MPU-6500应用于主轴过载数据的测量，MPU-6500的引脚封装如图1.2所示。图1.2MPU-6500引脚封装图MPU-6500是一款六轴运动跟踪MEMS传感器，内部配备了3轴加速度计和3轴陀螺仪，可以应用于健康监测、行人导航等领域。片上自带16位高精度ADC，可将其测量的模拟信号直接转化为数字信号，并且支持最高400KHz通信速率的I2C和最高1MHz的SPI串行数据通信，本文中选择了I2C接口作为其通信接口。该传感器采用24针的QFN封装形式，尺寸仅有3x3x0.9mm，满足系统的小型化需求。MPU-6500的主要力学特征如下：为了满足不同的应用场景量程的变化，该传感器的可测范围可以设定，如±2g，±4g，±8g，±16g。力学承受鲁棒性非常高，最高可承受10000g的冲击。在本系统中，电主轴在切削撞刀的情况下，会瞬间产生较大的冲击负载，因加工材料与切削量的不同可在0.3-2g范围内。同时为了满足撞撞击过程中3g以上的过载要求，传感器感测的最大量程选择±8g，既保证了探测的量程，又提高一定的精度要求，满足监测系统的应用要求。本文选定MPU-6500作为主轴运行状态监测的传感器芯片，系统运行时，将其安装附着于主轴合适位置，正常运行时位置静止。传感器芯片与MCU通信的接口为I2C，同时MCU将处理后的数据通过485总线对外输出。1.2.2基于ARM的主轴传感器采集部分设计MEMS传感器MPU-6500能够通过I2C接口向外直接输出信号，但是I2C接口并不适用于远距离通信。应用过程中传感器模块需要与机床的控制PLC设备完成远距离的数据上传，自身的相关参数需要进行配置，对外的数据总线采用485形式。另外，传感器模块一直在采样MEMS传感器的数据，对传感器数据进行相关的处理，需要一定的存储、外设与运算能力。综合分析与考虑之后，本文选择了基于ARMCortex-M0架构下的STM32F031G6U6芯片作为主轴传感器的MCU主控芯片，该芯片的封装图如图1.3所示。图1.3STM32F031G6U6引脚封装图STM32F031G6U6主频为48MHz，内部配置有32KB的Flash高速闪存，运算性能充分，同时具有低功耗的优点。芯片搭载了12位ADC和多个内部时钟，配有1个I2C、1个SPI和1个USART串行数据通信接口，其I2C接口在极速模式下数据传输速率可达1Mbps。此外，芯片配备了CRC计算单元，方便了数据通信的校验。芯片采用28角的UFQFPN封装形式，体积小巧，满足系统设计的小型化需求。MEMS传感器的采样率为2kHz，数据位数为16bit，一共3轴的数据，总的数据吞吐量为96kbps，MPU-6500与MCU两芯片间的I2C总线可以满足速率的需求。设计的电路原理图如图1.4所示。图1.4传感器模块主控电路原理图如图1.4所示，传感器芯片MPU-6500的23、24号引脚分别输出包含主轴运行加速度信息的串行时钟和串行数据，通过I2C总线与MCU的19、20号可编程GPIO引脚联通，从而使得传感数据进入主控芯片，进而完成后续的数据传输和处理操作。另外，由于系统运行时MEMS传感器会一直向MCU发送信号，所以MCU中仅有的1个I2C接口将一直处于被占用的状态，因此，若要实现传感器模块到其它部件间的通信，还需要借助其他接口完成信息互通。本文选择了MCU中的USART接口来完成上主轴传感器间传递信息的功能，考虑到PCB板的布局，选择了MCU的6号引脚用以配置USART接口并实现上主轴传感器间的信息传输。整个主轴传感器硬件电路板的PCB版图如图1.5所示，电路介质基板采用了多层的ITA-9430高频覆铜板，设计的PCB板十分紧凑，其横纵尺寸仅为20mm*10mm，完全能够满足传感器模块小型化的设计要求。图1.5主轴运行数据传感器模块PCB版图为适应实际应用环境中电磁干扰与水气、油污的环境，本文根据传感器模块硬件电路板的布版情况，为其设计了适用的封装外壳，整个外壳采用航空级高强度铝材料，装配后的示意图如图1.6所示。前方的打孔用于供电线、数据传输线的走线，下方两处打孔可用于加装螺钉等固定工具将传感器模块固定于主轴之上，从而保证传感器与主轴过载的有效传递。设计的封装结构不仅可以起到防水防尘防电磁干扰的效果，而且还可以在主轴运行的情况下有效保护内部的传感器模块硬件电路。图1.6主轴传感器硬件电路板封装模型图1.7展示了设计的传感器模块硬件电路板及其封装后的实物图。图1.7传感器模块硬件电路板及其封装后的实物图至此，整个主轴传感器部分的设计已完成，在此对整个传感器模块的结构框图及其运行流程如图1.8所示。图1.8传感器模块信号连接图1.3数据传输网络的搭建与设计在工业物联网的相关系统设计中，设备的运行数据经过预处理操作之后往往需要按照一定的数据传输方式上传至服务器端，再由服务器端完成数据解析、处理分析和存储等必要过程。除主轴传感器自身的设计之外，与之相配的数据网络传输言式也是重要的组成部分。常用的数据传输网络可以分为有线与无线两种。1.1.1有线数据传输技术在有线数据传输中，传统的数据传输方式是通过总线双向通信实现双工通信。常用的数据传输接口有UART、I2C、SPI。其中，UART总线是异步串口，一般由波特率产生器、UART接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线分别用于收发数据。另外，它包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范。I2C总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控接口标准，非常有利于近距离设备的数据传输。SPI的通信原理通过4根线完成双向传输根线，3根线完成单向传输。SPI是一种允许一个主设备启动一个与从设备的同步通讯的协议，从而完成数据的交换。以上几种方式虽然满足较高的传输速率，但仅限于较短的通信距离。在本地化的传感器数据传输过程中往往采用RS485或Modbus协议。本文对于局部的信号传输采用RS485通信模式。1.1.2无线数据传输技术在无线数据传输中，目前支持传感器无线通信方式较多，WIFI因其传输距离远(100-300m)，速率较高(最高可达300Mbps)，耗能低(10-50mA)，而被运用广泛的一种无线通信技术。同时也是运用广泛的短距离无线传输技术，伴随着移动性强，接入灵活在办公室及家庭环境中应用广泛[61-64]。WIFI也有着致命的缺点，就是易受干扰，基本利用射频技术，采用无线电波在空气中传送与接收数据Wifi传输中，数据安全是个隐患，虽然数据包在经过加密后传输，但是在数据量很大时，其被破解的几率也就越高。Zigbee是一个传输距离50-300M，速率250kbps，功耗仅有5mA的低速率无线传输协议，明显的优点在于可以自组网，网络节点数最多可有65000个，在建立多网络连接点时，还能够通过相关的网络设备来实现数据的实时传输。数据容量大是ZigBee最主要的优点，该协议在数据传输过程中采用了一种避免碰撞机制来保证数据的安全性。它的另一个优点就是兼容性强，它甚至可以直接连接家庭网络，而不需要考虑网络融合问题[65-68]。另外基于蓝牙技术的无线数据传输方式也应用广泛，但距离较短，一般小于30-50米，速率可达1Mbps以上，功耗介于Zigbee和WIFI之间。蓝牙技术的产生实现了短距离无线通信，但成本高、协议复杂、耗能高，不大适用于低成本，低功耗需求场景。蓝牙传输范围仅仅20米左右，传输范围太短是其最大的问题。另外其抗干扰能力弱，信息安全性不高等问题也阻碍了蓝牙技术的更快发展及广泛运用。在无线传输技术方案中，还可以基于公网或无线局域网进行数据的传输。后者为自建网络，可应用于厂区内的互联互通，要实现工业物联网的高集中性管理，基于公网进行数据传输是可行的方案。特别是近年来，5G技术发展迅猛，国内基于运营商的5G网络数据传输技术已相当成熟，传输速率可达到4G的20倍，5G技术在一定程度上促进了工业物联网的发展，基于5G技术的工业物联网必然是未来发展的重要方向。1.1.3基于4G通信技术的上主轴传感器网络通信方案5G通信技术近几年得到了迅猛的发展，具有大带宽，高数据率的优点，随着未来布网密度的进一步提升，将在高清视频、无人驾驶等方向得到应用发展。4G网络相对更加成熟和稳定，其信号的覆盖范围也更为广泛。4G网络的传输速率理论上可达100Mbps，数据传输时延也较低，完全可以满足本系统所需的传输数据量和实时性要求。本文选择了4G网络进行远端服务器端与传感器模块端的无线数据通信。在工业物联网产品中，4G数据传输单元(DataTransferunit,DTU)是最常被用来搭建网络的设备。它支持2G，3G，4G网络，并且提供了串行通信接口，包括RS232，RS485，RS422等串行通信方式。而且4GDTU可以将串口上的原始数据转换成TCP/IP数据包进行传送，而不需要改变原有的数据通信内容，极大的方便了传输过程，避免了复杂的协议转换。根据传感器模块的数据传输要求，考虑到技术、成本等因素，选用了有人公司USR-G7804GDTU模块搭建无线数据传输网络，模块如图1.9所示。图1.9有人公司USR-G7804G数据传输模块USR-G780是一款工业级4GDTU，被广泛应用于工业物联网中，支持基于国内各大运营商的4G网络通信，支持TCP/IP协议下的FTP协议，其数据传高效，可靠性较强。模块支持RS232/RS485串行通信接口，可与本系统主轴传感器中STM32F031G6U6主控芯片等嵌入式设备连接，构成嵌入式系统，可以适应复杂的工厂环境。基于USR-G780的无线透传可以实时收发通信数据帧，100ms时间内可完成对过载数据的快速收发。传感器模块与通信模块采用RS485的连接方式，半双工工作，具有远距离和高灵敏度的优势，利用复合差分接收器和平衡驱动器，具备较强的抗干扰能力与抗噪声性能。为保证系统在复杂的工厂环境中能够可靠稳定地传输采集数据，本文选择通过RS485串行接口完成USR-G780DTU设备对外的数据接收与传输任务。USR-G780DTU配置相应的偶极子天线，实现与移动基站的互联。在服务器端，只需要基础特点的IP地址即可获取机床的过载数据。在部分点对多点的情况下，服务器端也可以选用成套的DTU模块，即可完成数据的接收。1.1.2传感器模块与外设的通信互联接口设计传感器模块通过RS485接口向无线网络模块或PLC控制器传输数据，MCU对外是USART接口，需要设计相应的转换电路以实现USART串口到RS485接口之间的电平转换。为了使系统中硬件电路更加简洁，减少设备数量，并考虑到设计的接口转换电路尺寸较小，本文直接在传感器模块硬件端中集成了USART-RS485转换电路。在该转换电路选择了SN65HVD75DRB芯片实现两接口之间的互联功能，相应的原理图如图1.10所示，图中各接线网络命名与图1.4对应。图1.10主轴传感器中USART-RS485接口互联电路集成了485通信接口电路的传感器模块可直接与4G无线网络模块进行互联，实现主轴数据的远程采集。图1.11演示了系统正常运行时传感器模块数据发送端的连接形式。图1.11传感器主轴运行安装示意图图1.12本地服务器数据接收端演示数据发送端如图1.12所示，小型MEMS传感器固定在主轴的左侧，实时采集的数据通过RS485协议进行发送，两个USR-G780模块配合天线进行收发，最后利用RS485转USB将数据传到PC端进行处理。在服务器端，接收传感器模块数据的DTU设备也是通过RS485接口向服务器传递数据。PC使用USB转换器，实现USB与RS485的信号转换，从而实现了最简单的远程点对多点通信模式。常用的USB转485模块，通信速率较低，本文面向高速率与工具化的需求，进行了一体化高速USB转RS485专用模块的设计。转换芯片选用CP2102N，最高可实现RS485模式下1Mbps的数据转换要求。CP2102N转换芯片应用的原理图1.13所示，实现RS485与USB接口间的转换。图1.13上位机端RS485-USB接口互联电路图1.14展示了设计的上位机端RS485-USB接口互联电路的三维PCB版图。图1.14RS485转USB三维版图以上两个转换电路打通了服务器端与传感器模块基于无线数据传输DTU设备之间接口电路转换。传感器模块已可将主轴数据发送至服务器端，进一步可由服务器完成对主轴数据的解析和处理。1.1.3主轴传感器RS485通信帧结构设计传感器模块与服务器端（或上位机、机床控制单元）进行通信的过程中，存在着传感器实时采集的过载数据，也有服务器端对传感器的配置、查询等信息。要使传感器在保持实时连续传输的状态下实现双向的交互，需要对相关的通信协议进行设计。其基本思想是利用最大通信速率大于实际传输速率情况下的空闲等待时间，实现非实时数据的动态插入。本文将由服务器端传输至主轴传感器的数据帧称为下行帧，由传感器模块传输至服务器端的数据帧称为上行帧，由于双方执行的功能不同，因此两者的帧结构也需要分别设计。下行帧结构设计结合本文设计需要，本系统的下行帧结构设计为帧长为20bytes的形式，具体帧结构如表1.1所示。表1.1下行帧结构示意FrameHeader(2Bytes)FrameType(1Byte)FrameData(0~15Byte)CRC16(2Bytes)0xA50x5A1ByteMax15bytesCRC16(8b~15b)CRC16(0b~7b)如表1.1所示，下行帧中包含两个字节的固定帧头FrameHeader，分别为0xA5和0x5A；一个字节的帧类型FrameType，用于标识此帧所传输数据的意义和作用；接着是帧传输的主要数据FrameData，可能占据0~15个字节，若传递的数据长度小于15个字节，则可补0或者填补其它任意内容对FrameData位进行补齐，这不会导致数据传递出错或者命令帧执行失败；帧尾为2个字节的CRC16校验位，表示的是前18个字节的CRC16校验值，采用的校验多项式为0x1021，初始值为0xFFFF，可用于主轴传感器进行帧的校验，防止错误传递。考虑到系统的实际需求，本文设计了10类如表1.2所示的下行帧类型FrameType用于完成不同的功能。表1.2下行帧类型FrameType说明序号帧类型标识Frametype帧类型含义指令功能说明10xA1配置Alarm1报警阈值对报警器1的xyz三轴触发阈值进行配置20xA2配置Alarm2报警阈值对报警器2的xyz三轴触发阈值进行配置30xA3配置Alarm3报警阈值对报警器3的xyz三轴触发阈值进行配置40xA4配置Alarm4报警阈值对报警器4的xyz三轴触发阈值进行配置50xA5配置Alarm报警信号极性与报警触发保持配置Alarm报警信号极性与报警触发保持60xA6配置传感器RC滤波截止频率对传感器内RC低通滤波截止频率进行配置，单位为Hz，可配置的范围为1~1000Hz70xB1读取传感器当前配置读取当前传感器配置参数80xC1实时读取传感器数据命令下发实时读取传感器数据命令90xC2停止读取传感器数据停止读取100xB2读取传感器3轴基准参考值读取传感器3轴基准参考值为了方便主轴传感器对下行帧类型进行判别，在对主轴传感器主控芯片的驱动程序中，在主轴传感器与服务器端互通数据之前，对上述类型进行提前定义如下：//downstreamframetype#defineFT_RAT10xA1//reconfigalarmthreshold1#defineFT_RAT20xA2//reconfigalarmthreshold2#defineFT_RAT30xA3//reconfigalarmthreshold3#defineFT_RAT40xA4//reconfigalarmthreshold4#defineFT_RPAHT0xA5//reconfigpolarityandholdontime#defineFT_RSFC0xA6//reconfigsensorRCfilterf_cutoff#defineFT_SSC0xB1//sendsensorconfig#defineFT_SSSD10xC1//startsendsensordata#defineFT_SSSD00xC2//stopsendsensordata#defineFT_SSB0xB2//sendsensorbasline以配置Alarm1报警阈值的下行帧为例，其具体的帧结构如表1.3所示。表1.3Alarm1报警阈值配置下行帧结构示意FrameHeader(2Bytes)FrameType(1Byte)FrameData(12Bytes)DummyData(3Bytes)CRC16(2Bytes)0xA50x5A0xA112

BytesxxxxxxCRC16(8b~15b)CRC16(0b~7b)其中帧数据FrameData位仅占用12字节，用于设置报警器1的XYZ三轴触发阈值，余下的3字节数据位可任取，简单起见，可进行补零操作。数据帧中，对于FrameData位的分配如表1.4所示。表1.4Alarm1报警阈值配置下行帧FrameData位具体分配FrameData(12Bytes)+xthreshold-xthreshold+ythreshold-ythreshold+zthreshold-zthresholdHLHLHLHLHLHL上表中H表示数据高字节，L表示数据低字节，分别在6个方向上对相应阈值进行配置，每个方向占用两个字节，在本系统中，阈值的设置范围为1~32759和-1~-32759。表1.5展示了系统实际运行时对Alarm1进行报警阈值配置的一个实例。表1.5Alarm1报警阈值配置下行帧实例FrameHeader(2Bytes)FrameType(1Byte)FrameData(12Bytes)DummyData(3Bytes)CRC16(2Bytes)0xA50x5A0xA107D0F83007D0F83007D0F8000000C9E7当上位机发送如上表所示的下行帧时，便可以实现对Alarm1报警阈值的设置，其中+x，-x，+y，-y，+z，-z的阈值分别为+2000，-2000，+2000，-2000，+2000，-2000。当需要对Alarm2，Alarm3，Alarm4进行阈值设置时，帧结构与上述完全相同，只是需要将帧类型FrameType改为0xA2/0xA3/0xA4即可。当下行帧类型为0xC1时，即可向主轴传感器发送读取主轴传感器数据的命令，此时的帧结构如表1.6所示。表1.6实时读取传感器数据命令帧结构FrameHeader(2Bytes)FrameType(1Byte)FrameData(4Bytes)DummyData(11Bytes)CRC16(2Bytes)0xA50x5A0xC14

BytesxxCRC16(8b~15b)CRC16(0b~7b)FrameData位的前4个字节区域用于配置实时读取传感器数据的时长，范围是1~7,2000,000，单位为0.5ms，所以时长配置范围是0.5ms~3600s，当其设置为0x00002710=10000时，即可实时地读取持续时长为5s的传感器数据。在现阶段的设计中，为了方便数据分析，可根据情况对采集时长进行合理选择。在将来投入实际运用时，则可将系统设计为无限时的实时数据读取。在监测系统运行时，先通过上位机下发下行帧对主轴传感器进行各类参数配置，然后再由上位机回传主轴传感数据等相关应答上行帧。上行帧结构设计主轴传感器不主动回传上行帧，在工作时，主轴传感器会等待上位机的配置指令，然后根据配置参数进行上行帧的回传，因此可将主轴传感器回传看作一种ACK信号，用以辅助上位机进行信息确认、接收主轴数据以及更新上位机参数。根据本文的设计需要，本系统采取了如表1.7所示的上行帧结构。表1.7上行帧结构示意FrameHeader(2Bytes)FrameType(1Byte)FrameData(0~7Byteor0~60Byte)CRC16(2Bytes)0xA50x5A1ByteMax7or60bytesCRC16(8b~15b)CRC16(0b~7b)如表1.7所示，上行帧中同样包含两个字节的固定帧头FrameHeader，分别为0xA5和0x5A；一个字节的帧类型FrameType；以及帧传输的主要数据FrameData，该数据位可能占据0~7个字节或者0~60个字节；帧尾为2个字节的CRC16校验位，与下行帧相同。因此，上行帧的帧长设计为12个字节或者65个字节。其中FrameData位与下行帧的设计一致，若传递的数据长度不足，则可补0或者填补其它任意内容进行补齐，对上行帧的传输无影响。考虑到系统的实际需求，本文设计了11类如表1.8所示的上行帧类型FrameType用于完成不同的功能。表1.8上行帧类型FrameType说明序号帧类型标Frametype帧类型含义指令功能说明10xD1传感器配置成功传感器正确解析并执行PC命令帧20xD2传感器配置失败传感器检测出配置命令帧(0xA1，0xA2，0xA3，0xA4，0xA5，0xB1)中包含超出允许范围的配置数据30xE1主轴传感数据上传主轴传感器上传MPU-6500传感器采集到的主轴运行时三轴加速度数据40xE2读取失败实时读取传感器数据执行失败50xE3停止读取停止读取传感器数据执行60xF1无效命令帧反馈PC下发命令帧的帧类型不是在可识别范围内且命令帧帧头与CRC都正确时回传70xF2无效CRC16反馈PC下发命令帧的CRC16错误且命令帧帧头正确时回传80xF3无效帧头反馈PC下发命令帧的帧头错误时回传90xF4命令帧数据过长反馈PC下发命令帧数据过长时(>20bytes)回传100xF5命令帧数据过长反馈PC下发命令帧数据过短时(<20bytes)回传110xD3发送传感器3轴基准参考值向PC发送传感器xyz三轴的基准参考值为方便主轴传感器对上行帧进行帧封装，在服务器端与主轴传感器互通数据之前，也同样对上述帧类型进行提前定义如下：//upstreamframetype#defineFT_SCS0xD1//frametypesensorconfigsuccess#defineFT_SCF0xD2//frametypesensorconfigfail#defineFT_SSDS0xE1//frametypesensordatasuccess#defineFT_SSDF0xE2//frametypesendsensordatafail#defineFT_SSSD0xE3//frametypestopsendsensordata#defineFT_IC0xF1//frametypeinvalidcommand#defineFT_IFC0xF2//frametypeinvalidFrameCRC#defineFT_IFH0xF3//frametypeinvalidframeheader#defineFT_FSOF0xF4//frametypeframesizeoverflow#defineFT_FSI0xF5//frametypeframesizeinsufficient#defineFT_SSBS0xD3//sendsensorbaselinesuccess当主轴传感器接收到下行配置命令帧后，会向上位机自动回传帧类型FrameType为0xD1的配置成功上行帧，其帧结构如表1.9所示。表1.9主轴传感器配置成功回传上行帧结构示意FrameHeader(2Bytes)FrameType(1Byte)FrameData(60Bytes)CRC16(2Bytes)0xA50x5A0xD1CRC16(8b~15b)CRC16(0b~7b)其中60字节的FrameData位用于向上位机发送传感器当前的各类参数，以便上位机进行信息确认和更新，其具体分配情况如表1.10所示。表1.10主轴传感器配置成功回传上行帧FrameData位具体分配FrameData(60Bytes)固定4字节48字节4组报警阈值4字节报警信号极性2字节报警触发保持2字节LPFCutoffFrequency4*0xBE4*6*2Bytes4Bytes2Bytes2Bytes如表1.10所示，在60字节的FrameData位中，除了头部固定的4个字节之外，剩余的空间全部用于存放主轴传感器传感器各类参数。包括4个报警器的报警阈值，每组包含6个方向上的阈值，每个阈值占据2字节；还有4个报警器的信号极性占据4个字节，以及2字节的报警触发保持信息，最后是传感器内部设置的RC低通滤波截止频率。这60个字节的数据位是低字节在前，高字节在后。具体的传感器配置数据在驱动程序中被定义为如下结构体：typedefstructconfig_t{ uint32_tmagic_be;//magicnumber,shouldbe0xBE int16_tAlarm1_Threshold[6];//+x,-x,+y,-y,+z,-z int16_tAlarm2_Threshold[6];//+x,-x,+y,-y,+z,-z int16_tAlarm3_Threshold[6];//+x,-x,+y,-y,+z,-z int16_tAlarm4_Threshold[6];//+x,-x,+y,-y,+z,-z uint8_tAlarm1_Polarity; uint8_tAlarm2_Polarity; uint8_tAlarm3_Polarity; uint8_tAlarm4_Polarity; uint16_tAlarm_HoldTime; uint16_tLPF_Cutoff;//60Bytes}config_t;主轴传感器回传相关配置的应答帧之后，便要开始向上位机上传传感数据了，传感数据通过帧类型FrameType为0xE1的上行帧完成上传，其帧结构如表1.11所示。表1.11主轴传感数据上传上行帧结构FrameHeader(2Bytes)FrameType(1Byte)FrameData(7Bytes)CRC16(2Bytes)0xA50x5A0xE1CRC16(8b~15b)CRC16(0b~7b)其中FrameData位包含的具体内容如表1.12：表1.12主轴传感数据上传上行帧中FrameData位具体内容FrameData(7

Bytes)2字节X轴数据2字节Y轴数据2字节Z轴数据1字节报警触发标志2Bytes2Bytes2Bytes1Byte从表1.12可知，通过FrameData位前六个字节即可上传MPU-6500传感器采集的主轴XYZ三轴加速度信息，低位在前，高位在后。最后一个字节表示当前主轴数据触发了哪些报警器，用于上位机实时显示报警信息，其结构如表1.13所示。表1.13报警触发标志位结构1Bytesbit7~bit4bit3bit2bit1bit0xxxx0:alarm4未触发1:alarm4触发0:alarm3未触发1:alarm3触发0:alarm2未触发1:alarm2触发0:alarm1未触发1:alarm1触发每隔0.5ms，主轴传感器就会回传一帧如以上所示的上行帧数据至上位机，并由上位机进行实时解析、处理、绘图等操作，主轴传感器该发送状态一直保持，直到下行0xC1类型帧定义的数据上传持续时长为止。本文不再赘述其他类型的帧结构设计。至此，便完成了上主轴传感器间通信前互相约定的帧结构设计，在本监测系统实际发送数据前，将严格按照设计的帧结构对所有数据进行帧封装后再向外发送。1.4上位机在线监测软件设计本文采用QT软件平台进行开发，实现数据传输之后的数据处理。QT在GUI界面设计上，最大的优势在于对类似控制台工具和服务器等非GUI程序，QT依旧有良好的适用性。此外，QT是一种面对对象的框架，该软件可以使用特殊的代码生成拓展，运行控件编程，因此它具有优秀的移植性，可以跨平台的编写，编译界面工程项目。另一方面QT的模块化程度极高，用户能够十分便捷的操作使用，原因在于QT使用了一种全新的安全类型signal/slots代替callback，使得各控件间的协同合作性更加简便。上述控件支持2D/3D图像渲染和OpenGL且代码开源，用户拥有极高自由度，其中QtEmbedded最小可以缩到800KB左右，因此很适用于我们整个系统的界面开发工作。1.4.1上位机监测软件主要功能