【重大装备轴承滚子监测系统硬件和软件设计案例分析6900字】

重大装备轴承滚子监测系统硬件和软件设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u11476重大装备轴承滚子监测系统硬件设计案例分析 1171021.1引言 134401.2监测电路的性能要求及元件选型 2264391.3监测电路的硬件设计 4200291.3.1三坐标加速度传感器模块电路设计 458521.3.2电源模块电路设计 5296101.3.3MCU最小系统模块电路设计 627570第2章重大装备轴承滚子监测电路软件实现 82432.1引言 838602.2MCUXpressoIDE平台简述与基础工程创建 8269292.3nRF24L01无线传输模块的软件实现 11240122.2.1底层单元-SPI协议层 11138952.2.2读写单元-NRF读写层 1234912.2.3功能单元-寄存器功能实现层 1434742.4ADXL313三轴加速度传感器模块的软件实现 15170092.5USB2UIS转接板上位机软件 161.1引言本文设计的振动信号监测电路应用于重大机械装备的轴承中，该电路由传感器模块、MCU最小系统模块、电源模块、无线传输模块和USB转串口模块组成。区别于一般滚动轴承的监测电路，本系统的三坐标加速度传感器模块内置于轴承圆柱滚子中，与电源模块、MCU最小系统模块和发送端无线传输模块共同组成下位机监测端，采集滚子三轴加速度信号，其中，MCU最小系统与传感器模块之间通过柔韧度高的FPC排线连接。上位机监测端由PC机、USB转串口模块、接收端无线传输模块组成。上位机监测端与下位机监测端采用无线传输方案进行数据传输，将采集到的数据发送到PC端，系统总体方案如图1.1所示。其中，阴影部分代表PCB工程的划分。图1.1系统总体设计图1.2监测电路的性能要求及元件选型由于监测系统应用在大型机械等工业场景中，电路安装在轴承中往往难以进行频繁更换，且设备工作周期较长，因此所选芯片都应具备低功耗的特点，以增加监测系统工作时间。同时，工业生产场景的复杂性导致外界干扰因素较多，所选无线通信芯片应具有抗干扰能力强、可靠性高等特点。基于以上性能要求，本系统进一步完成了硬件选型，具体的方案如下：1）三坐标加速度传感器芯片选型：ADXL313图1.2ADXL313三轴加速度计功能框图由于本系统的传感器内置于轴承滚子中，因此传感器应具有体积小、集成度高等优点。本系统选用ADXL313作为智能滚子的三轴加速度传感器，ADXL313采用5mm×5mm×1.45mm、32引脚的小型超薄LFCSP封装；在测量模式下功耗低至30μA，待机模式下功耗低至0.1μA；分辨率高达13位，测量范围达±4g；支持SPI接口和I2C接口；自带有三轴加速度传感器、测量电路、ADC模数转换电路、调理电路，其功能框图如图1.2所示。2）MCU控制模块芯片选型：MKL26Z128VFT4主控制模块采用全球领先的汽车电子供应商飞思卡尔的KinetisKL26系列MKL26Z128VFT4芯片，一款48引脚QFN封装的KinetisL系列器件。该微控制器与选型相关的特性包括：（1）32位ARM架构，Cortex-M0+内核：运行速度最高为48MHz，单周期快速I/O访问端口。（2）模拟外设：支持DMA的16位SARADC；支持DMA的12位DAC。（3）通信外设：两个16位串行外设接口（SPI）；两个I2C模块；一个低功耗UART和两个标准UART模块本系统采用该芯片的最主要原因是其具有市场领先的超低功耗特性，运行功耗低至40μA/MHz。此外，该芯片具有超高效的Cortex-M0+内核，运行频率频率高达48MHz，吞吐速率业界领先，具有16位ADC，高传输速率使其广泛应用于测量设备之中。该系统还配备两个16位SPI外设接口和I2C外设接口，便于与其他芯片进行快速通信。该MCU的应用普及并不如STM32系列，系统开发的环境为MCUXpressoIDE，这是恩智浦半导体公司并购飞思卡尔半导体公司后发布的针对Cortex-M系列微控制器的全新开发环境，提供了统一的集成开发环境IDE，通用的软件开发工具包SDK和出色的调试功能。但是网上相关的参考资料极少，开发过程难度较高。3）无线传输模块选型：nRF24L01模块无线传输的实现采用2块现成的nRF24L01模块，该模块的芯片nRF24L01是一款1.4GHz单片高速2Mbps无线收发芯片，具有低功耗、高传输速率、低成本等特点，采用SPI通信协议，发送端nRF24L01与主控制芯片KL26Z的SPI硬件接口相连，用于给上位机传输振动数据，同时，接收端nRF24L01与USB转SPI模块的SPI硬件接口相连，USB接入PC端。4）稳压芯片选型：TPS63001KL26Z微控制器为3.3V供电，因此电源模块采用德州仪器TI公司的低功耗升降压稳压芯片TPS63001，器件静态电流小于50μA，可在1.8V至5.5V的宽泛电压范围内实现高达96%的效率并同时能够输出高达1.2A的输出电流。TPS63001具有升压降压转换功能，其设计基于一个固定的频率、脉宽调制（PWM）控制器使用同步整流以获得最高的效率，输出电压稳定在3.3V，本系统采用标称电压为3.7V的锂电池进行供电。5）USB接口转换模块选型：USB2UIS转接板PC端接收数据需要依靠USB转SPI模块来实现对接收端nRF24L01模块的配置和数据传输，本系统采用安易博公司的USB2UIS转接板，支持USB转UART，USB转I2C，USB转SPI接口，提供I2C设备、SPI设备的上位机读写界面，此外还为nRF24L01专门提供了上位机配置和收发界面。1.3监测电路的硬件设计1.3.1三坐标加速度传感器模块电路设计重大装备轴承智能滚子采用传感器内置于滚子的方案，因此设计基于ADXL313芯片的三坐标加速度传感器模块。考虑到主控制芯片KL26Z和无线传输nRF24L01模块之间采用SPI通信协议，ADXL313优先采用SPI通信方式与KL26Z相连。CS引脚必须始终上拉至Vcc或由外部控制器驱动（此处CS代表CS口低电平有效），因为CS引脚无连接时，默认模式不存在。SDO引脚通过10kΩ电阻R1下拉至GND。靠近VDDI/O引脚处加0.1μF的陶瓷电容去除干扰信号，在靠近VS引脚处连接一个10μF钽电容与0.1μF陶瓷电容并联，用以改善噪声。基于ADXL313芯片的电路原理图如图1.3所示。图1.3传感器模块ADXL313电路原理图考虑到传感器模块跟随轴承滚子运动，与KL26Z的连接采用耐曲折、柔韧性高的FPC排线，配套的FPC连接器为P1、P2，引脚数量为4，线距0.5mm。其中，SPI通信采用四线式配置，两个4引脚连接器引脚信息如图1.4所示。图1.4传感器模块FPC连接器电路原理图1.3.2电源模块电路设计选用TI公司的TPS63001升降压稳压芯片，该芯片在手册中提供了参考设计，在此基础上添加了锂电池接入口JP1，开关S1控制输入电流通断，LED反映电源供电状态。手册规定，C2、C3、C6的电容规格为10μF/6.3V/0603/X7R陶瓷，C7去耦电容规格为0.1μF/X7R陶瓷，电感L1型号为TDK生产的VLF4012-2R2。需要特别注意的是电源地和信号地要严格区分，布置PCB时要避免两者共用回流路径，否则可能会导致电源地上大的电流在信号地上产生一个电压差，形成共阻抗干扰，具体的电源模块电路原理图如图1.5所示，电源模块和MCU最小系统模块建立在同一PCB工程下。图1.5电源模块电路原理图1.3.3MCU最小系统模块电路设计MCU最小系统基于MKL26Z128VFT4芯片，48引脚，在靠近两个电源引脚VDD和VSS之间分别需要并联一个100nF的电容，用于有效过滤干扰信号。最小系统包含有电源芯片、复位电路、晶振电路等。MCU最小系统模块的电路原理图如图1.6所示。复位电路用于使电路恢复到起始状态，本系统采用按键复位电路，按下复位键SW1后，C4电容短接，PTA20复位端直接拉到地端，完成复位。KinetisKL26微控制器具有片上振荡器，可兼容三种范围的输入晶振或谐振器频率：低频模式32至40kHz；低范围高频模式3至8MHz；高范围高频模式8至32MHz。此处，晶振电路采用四引脚的贴片无源晶振，振荡频率为8MHz，PTA18和PTA19分别连接33pF的负载电容，加入1M电阻R4用于阻抗匹配，使晶振电路处于更良好的工作条件。图1.6MCU最小系统模块电路原理图FPC排线连接器P1为KL26Z引脚的扩展，将其引出从而方便连接其他电路模块。P1引脚1至8分别连接至传感器模块的8个引脚：电源端VCC、SPI串行数据输出SDO、SPI串行数据输入SDI、SPI串行通信时钟SCLK、低电平有效片选端CS_、中断2输出端、中断1输出端、地端；引脚9至14分别连接至无线通信nRF24L01模块的6个引脚：电源端VCC、SPI串行数据输入MOSI、SPI串行数据输出MISO、SPI时钟SCK、0通道片选PCS0、地端，14引脚连接器引脚信息如图1.7所示。图1.7MCU最小系统模块FPC连接器电路原理图MCU最小系统模块、14引脚FPC连接器、电源模块设计于同一PCB工程。通过软排线分别和无线通信模块、三轴加速度传感器模块连接。nRF24L01无线通信模块和USB2UIS转接板采用市面上成熟的模块，因此不再此进行重复设计。第2章重大装备轴承滚子监测电路软件实现2.1引言一个完整的监测系统包括了硬件电路和软件驱动才能实现振动信号的获取，第2章已完成了硬件电路的设计和制作，本章将着重介绍软件驱动过程，包括了MCUXpressoIDE开发环境的使用、nRF24L01模块无线传输功能的软件实现和ADXL313三轴加速度传感器的驱动。主控制模块采用全球领先的汽车电子供应商飞思卡尔的KinetisKL26系列MKL26Z128VFT4芯片，集成开发环境为MCUXpressoIDE。与常规的嵌入式开发相比，该环境能够使用基础的SDK包和在线配置工具进行快速的嵌入式系统开发。2.2MCUXpressoIDE平台简述与基础工程创建MCUXpressoIDE是NXP旗下的基于Eclipse的集成开发环境，用于开发ARMCortex-M内核的系列微控制器，本系统采用的MKL26Z128VFT4芯片隶属于KinetisKL26系列微控制器。该开发环境能够使用基础的SDK包和在线配置工具进行快速的嵌入式系统开发，软件开发工具包（SDK）涵盖了驱动程序源文件、示例工程文件和器件的调试器等信息，所以大大简化了构建底层驱动的工作量。MCUXpressoIDE基础工程的创建过程如下：（1）创建项目：添加工作空间后，进入如图2.1所示的初始界面，在初始界面的“QuickstartPanel”进行新建项目或者直接从SDK示例中导入项目，在选择ImportSDKexample后即可选择对应的KinetisKL26系列开发板。图2.1MCUXpresso初始界面（2）选择开发板：本系统开发时采用FRDM-KL26Z开发板，其核心微控制器为64引脚的MKL26Z128VLH4。SDKImportWizard提供了基于ARMCortex-M内核的系列微控制器，所选开发板属于KinetisKL26系列，确认后即可选择SDK示例程序。SDK开发板选择向导界面如图2.2所示。图2.2SDK选择开发板向导界面（3）导入SDK码：由于外围设备nRF24L01无线传输模块和ADXL313三轴加速度传感器模块均支持SPI通信协议，MKL26Z128VLH4配备有2个16位的SPI接口，因此采用SPI接口连接外围设备，SDK可以选择创建对应开发板外设的初始化程序，因此选择对应的SPI的底层通信例程，数据传输的方式选择轮询（polling）。按图2.3选择SPI_polling_transfer示例程序。图2.3选择SPI_polling_transfer示例程序SDK例程以SPI0为主机，SPI1为从机发送字节，开发板对应SPI接口的引脚位置如表3-1所示，引脚标号所代表的位置需要通过开发板原理图进行对应。表3-1SPI0和SPI1连接引脚SPI0PinBoardLocationSPI1PinBoardLocationMOSIJ1pin9MOSIJ2pin8MISOJ1pin11MISOJ2pin10SCKJ4pin9SCKJ2pin12PCSOJ1pin7PCSOJ2pin6（4）配置引脚：配置引脚工具能够帮助外设快速的进行初始化引脚定义，通过可视化的引脚界面能够直接调用引脚资源，对引脚的硬件属性、拉动、输入输出进行设置，MKL26Z128VLH4配备有I2C、SPI、UART等专用接口和50多个通用IO接口，可以根据需要直接改变引脚属性。由于导入了SDK中的SPI_polling_transfer示例程序，因此SPI0、SPI1已经进行了相应的配置，系统中将SPI0作为主机（master）与nRF24L01外设SPI接口相连，SPI1作为从机（slave）与ADXL313外设SPI接口相连，更改后点击更新源代码即可在源程序中生成配置代码，可在工程下pin_mux.c中查看。引脚配置工具界面如图2.4所示。图2.4引脚配置界面2.3nRF24L01无线传输模块的软件实现nRF24L01模块采用同步串行SPI接口，实现无线传输功能主要包括SPI通信、读写函数的设计、寄存器配置三部分实现无线传输功能，如图2.5。图2.5无线传输模块配置流程2.2.1底层单元-SPI协议层SPI是一种全双工的同步串行通信协议，以主从方式工作，可以支持一个主机连接多个从机，4根线即可进行双向传输，分别是：SCLK-SerialClock：时钟信号，由主机产生；MOSI-MasterOutputSlaveInput：主机数据输出，从机数据输入；MISO-MasterInputSlaveOutput：主机数据输入，从机数据输出；CS-ChipSelect：片选信号，使能从机，由主机控制。当片选CS为使能状态，主机才能对从机进行通信，这使得同一条总线可连接多个SPI设备。其他三根线负责传递数据，SCLK提供时钟信号，MOSI和MISO再时钟边沿进行一位一位的数据传送，至少8次时钟信号，才能完成一个字节的传输。根据外设的工作需求，先配置串行同步时钟的极性和相位。SDK中的spi_master_config_t结构体用自然语言定义了SPI的初始化配置，包括时钟极性（polarity）、相位（phase）、高低位顺序（direction）和时钟速率（baudRate_Bps）等选项，选择SCLK在空闲状态时处于低电平（CPOL=0），在SCK周期的第一个边沿采样数据(CPHA=0)的工作模式。spi_transfer_t结构体定义了SPI读写字节的大小和传输数据，基于该结构体实现字节传输。在主函数中测试字节能否正常进行发送，用DSLogic逻辑分析仪进行了测试，在配套的信号捕获与分析软件DSView中进行SPI时序采集，如图2.6所示。波形反映SPI时序正常发送了字节0x07。图2.6SPI时序波形2.2.2读写单元-NRF读写层该部分通过时序对芯片进行读写操作，这是寄存器配置的前提。如图2.7所示的是SPI读写操作的时序图，其中，Cn为SPI的指令位，Sn为SPI的状态寄存器位，Dn为数据位。图2.7SPI写操作时序波形从芯片手册中可知，写配置命令为W_REGISTER，指令格式为001AAAAA，AAAAA为写操作的寄存器地址，写操作时，主机先发送写配置指令，即W_REGISTER与寄存器地址的或。同时，接收从机的状态寄存器数据，然后主机发送所要写入的寄存器的值，完成对单和多字节寄存器的写操作。主函数中测试能否将数值写入寄存器，用逻辑分析仪进行SPI写操作波形捕捉。为了验证写函数的正确性，利用上位机串口通讯软件给另一块NRF发送十六进制的命令：0x26+0x0f，捕捉标准的写操作波形，如图2.8所示，26为配置指令，0E为状态寄存器的值，0F为写入寄存器的值，经过对比后波形完全一致，证明写寄存器函数的有效性。图2.8SPI写操作波形读配置命令为R_REGISTER，指令格式为000AAAAA，AAAAA为读操作的寄存器地址，SPI读操作时序波形如图2.9所示。读操作时，主机先发送读配置指令，同时接收从机的状态寄存器数据，然后执行空操作就能读出从机寄存器的值。图2.9SPI读操作时序波形为了测试读寄存器函数的正确性，在主函数中先写给寄存器值，再看读取的值是否一致，波形如图2.10所示，06为读配置指令，0E为状态寄存器的值，0F为读出的RF_SETUP寄存器值，与写入的值一致，证明读寄存器函数的有效性。图2.10SPI读操作波形2.2.3功能单元-寄存器功能实现层读写字节函数和读写寄存器函数都是对寄存器进行配置，来使nRF24L01芯片进行初始化，在配置发送或接收时要先让芯片进入待机状态，具体配置内容包括以下部分：写入发送地址和接收应答通道地址：发送方根据发送地址（TX_ADDR）发送到接收方接收地址（RX_ADDR_P0），接收方收到数据之后以接收地址（RX_ADDR_P0）为发送地址将应答信号发送给发送方（TX_ADDR），因此收发双方的地址一定要相同，确保应答信号能够接收。使能应答通道：配置寄存器EN_AA，允许通道0自动应答。使能接收地址：配置寄存器EN_RXADDR，接收数据通道0允许。设置自动重发时间和重发次数：配置寄存器SETUP_RETR，设置自动重发间隔时间为500μs+86μs，最大自动重发次数为10次。设置通信频道：配置寄存器RF_CH，设置通信频道为40。设置发射参数（功率和增益等）：配置寄存器RF_SETUP，设置发射参数，0db增益，2Mbps，开启低噪声增益。设置模式（发送or接收）：配置寄存器CONFIG，当接收完成中断RX_RF、发送完成中断TX_DS、达到最大发送次数中断MAX_RT产生时，IRQ引脚拉低，使能16位CRC校验，选择发射模式。数据的发送过程则如图？所示：向FIFO寄存器WR_TX_PLOAD中写入数据，等待IRQ发送完成中断。读取状态寄存器STATUS的值。将读到的状态寄存器值写入状态寄存器，来重置发送完成中断、最大重发中断，因为对应位写1清除中断。根据读到的STATUS的值判断发送是否完成。清空FIFO寄存器2.4ADXL313三轴加速度传感器模块的软件实现基于ADXL313的传感器模块用于采集滚子的三轴加速度信号，由于其支持SPI接口，因此字节传输过程与无线传输模块相同，SPI时序方案按照极性（CPOL）=1、时钟相位（CPHA）=1执行。ADXL313读写寄存器的协议时序如图2.11和2.12所示。图2.11ADXL313写操作时序波形根据写操作时序，在代码中设置tx_buff[0]=reg&0x3f;tx_buf[1]=data;其中，reg代表寄存器地址，data为写入寄存器值。图2.12ADXL313读操作时序波形根据读操作时序，在代码中设置tx_buff[0]=reg|0x80&0xbf;tx_buf[1]=0xff;其中，reg代表寄存器地址，rx_buf[1]保存读取到的数据。接下来进行测试，通过逻辑分析仪观察读写函数时序，具体环节包括：（1）读取器件ID；（2）测试寄存器读写；（3）测试缓冲器读写。最后，对寄存器进行配置，具体配置内容包括以下几个方面：设置数据格式：配置寄存器DATA_FORMAT，低电平中断输出，13位全分辨率，输出格式右对齐，16g量程。设置数据输出速率：配置寄存器BW_RATE，初始默认100Hz。设置省电特性：配置寄存器POWER_CTL，空闲时进入休眠模式，工作时链接使能，进入测量模式。中断使能控制：配置寄存器INT_ENABLE，不使用中断。2.5USB2UIS转接板上位机软件USB2UIS转接板对于上位机的采集数据接收和下位机的软件调试都有着至关重要的作用，下面对其功能和上位机软件进行介绍：支持24、