http://www.paper.edu.cn嵌入式在线监测系统的设计与实现王伟娜武汉理工大学信息学院（430063）E-mail:nwwvic@126.com摘要：本文介绍了一种用于在线监测中小型关键机械设备的嵌入式系统，该系统采用AVR单片机，能够同时采集来自现场传感器的32路模拟信号，经采集卡变换处理后，以无线方式发送到上位机，从而实现对机械设备的实时在线监测。本系统采用电池供电，空闲时自动进入省电模式，功耗较低。关键词：在线监测；数据采集；AVR单片机1.引言目前工业企业中对关键的大型机组都拥有完备的状态监测和诊断系统，然而对于现场的一些中小型的关键旋转设备（如机泵、压缩机、小型风机、小型电机等）由于其工作的特殊性：转速较低，设备维修更换费用低等，仍然没有理想的在线监测方案和设备，多数企业还停留在离线监测或人工巡检和定期维修的设备维护阶段。但是这些设备运转的好坏直接关系企业的生产，有可能影响到大型机组的运行，对企业经济效益产生重要影响。正是基于这样的背景下，通过对传统的监测系统适用性缺陷分析，我们提出了基于嵌入式系统和网络信息化平台的分布式在线监测系统，该系统针对中小型关键机械设备监测的特点，综合了先进的现场总线网络、Ethernet局域网络和Internet互联网络等技术，开创性的利用无线现场采集模块，实现了分布式的数据采集，集中的数据管理，网络化浏览与信息共享以及远程的故障诊断。本论文主要介绍基于AVR单片机的嵌入式无线现场数据采集模块。该模块主要负责现场传感器数据采集，数字信号滤波，数据压缩等功能，根据与上位机的通信协议，通过无线的方式将具有诊断价值的数据发送到上位机。2.无线现场采集站设计原理2.1系统组成无线现场采集系统主要由三部分组成：模拟电路部分、数字电路部分及无线数据发送接收模块，系统结构示意图如图一所示。模拟电路由四个相同的信号处理卡组成，可以同时处理8路有效信号。模拟电路主要负责现场信号的采集和处理，其中包括差分处理及放大，滤波性放大，积分等过程。数字电路由可编程微型处理芯片组成，又称为MCU控制模块，主要负责A/D采样，电路控制及数据压缩[1]。在MCU上有一个串口与无线数据发送接收模块HAC-UP连接，实现现场采集站信号与上位机的无线传输。该无线现场采集系统采用干电池供电，正常工作电池寿命不少于180天。图1无线现场采集系统结构图2.2模拟电路设计模拟电路又称为信号处理电路或信号处理卡，主要有采集处理电路和变换处理电路两部分组成。本系统设计了4块信号处理卡，每张卡可同时处理单路振动传感器和温度传感器信号，由MCU控制其开关工作。1http://www.paper.edu.cn信号处理电路对接在其上的各传感器信号进行采集，经过采集处理和变换处理后将其变为可在MCU中进行A/D转换的输入信号。本系统输入信号来自现场的压电式加速度传感器和温度传感器，为了得到我们所需要的具有监测诊断价值的冲击信号，加速度，速度，位移等振动信号和温度信号，我们必须在信号处理电路中加入滤波电路，交直流变换电路，积分电路和放大电路等。其硬件电路框架图如图2所示：冲击信号带通交直流变滤波滤波电路换电路电路I/O口振动原始编码电路PIC信号输入加速度模拟信号单低通滤波片放大电路电路机及晶速度模拟信号体积分电路放大电路振荡电串口Hac-up位移模拟信号路积分电路放大电路模块温度模拟信号温度原始文氏电桥仪表运算信号输入取差压信号放大器图2硬件电路框架图采集处理电路主要由差分处理电路和反相放大电路组成，其电路图如图3所示.本系统中采用差分输出的加速度传感器，因此首先要对传感器输出的信号进行差分处理，将双端输出信号变为单端输出信号，如图3（a）部分所示：其中Uo1＝U11－U12，电容C8和C9做滤波直流作用。经过差分处理变换后的信号比较微弱，因此需要对其进行放大以便于滤波电路滤除其噪声信号。如图3（b）部分所示为反相信号放大电路，输出信号为Uo2=-Uo1*(R18/Rx)，其中Rx阻值通过跳线可选,当短接冒JP1,JP2都短接时，Rx=R15//R16//R17。图3采集处理电路图从采集处理电路输出的信号只是经过简单放大，但其信噪比并没有进行有效提高，需要在变换处理电路中做进一步滤波放大和积分变换的处理。在恶劣的工业环境中测振，通常会有低频噪声信号干扰，这些噪声信号与有效信号的混叠，常常给信号分析造成了困难，甚至在对其进行傅里叶变换后，噪声信号的频谱掩盖了有效信号的频谱，因此滤除信号里的低频噪声是信号分析所必须的。本系统设计了10HZ和3HZ两路高通滤波电路