基于嵌入式系统的巡检器设计

0  引言

在现代化生产中，为了确保机械设备能够安全可靠的运行，可以利用故障诊断技术来及时发现故障，并采取合理的维修或保护措施来排除故障，从而预防和避免事故的发生。根据故障诊断仪器出现的先后顺序，可以将其分为便携式检测和分析仪表、在线监测仪表系统、计算机监测分析与诊断系统、智能诊断系统等四类。目前，对于重要的大型关键设备，往往采用在线监测仪表系统，而对于那些不便安装在线系统的场合或设备，其使用的巡检仪器要么功能过于简单，不能实现对采集数据的现场分析和存储管理，要么体积庞大，不便携带。针对这一情况，本文给出了开发基于嵌入式技术的设备故障诊断巡检系统的设计方法。该方法既可沿巡检路径进行检测，又可采集自由测点的数据，并且丰富了便携式仪器的现场诊断功能，此外，检测数据还可以在上位机中进行综合分析和诊断。

这种多路巡检器适用于多点测量显示及控制，集多台仪表功能于一体，可巡回检测和显示多路信号，并可与各类传感器、变送器配合使用，以对多路温度、压力、液位、流量、振动等工业过程参数进行巡回检测、报警、控制、现场存取数据，以及通过USB输出、数据采集与上位机通讯。 

该仪器集数据采集、存储、分析、追忆、通信功能于一体，且具有体积小，重量轻，便于携带，操作方便等特点。另外，还可将采集数据上传到上位机作进一步的分析处理。

1 嵌入式巡检器的总体结构

本系统总体上由前端的嵌入式仪器和后端的服务器两部分组成。前端仪器用于完成巡检(或点检)工作，具有信息采集(包括振动信号、温度信号，瓦斯浓度信号)、波形分析、频谱分析、数据存储和追忆、网络通信等功能。后台管理软件可通过通信接口向前端仪器下达巡检计划，接收前端仪器的巡检数据，并做进一步的分析处理，以便给出诊断结论，并将诊断结论通过网络进行远程发布。

系统硬件主要由传感器、嵌入式智能仪器、液晶屏、USB接口、SD存储模块等组成。图1所示是其总体结构。本系统的硬件系统主要实现信号的采集、显示、分析、通信、存储管理、故障诊断等功能。前端仪器的模拟信号采集可采用8通道，也可同时采集四路振动信号(振动加速度、速度或位移)，以在液晶屏上显示振动加速度，速度量。传感器的类型和灵敏度可根据实际情况通过触摸屏在应用软件中进行选择设置，操作十分方便。



仪器内核采用ARM7TDMI-S微控制器，它内嵌512 KB的快速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速度结构可使32位代码在最大的时钟速率下运行。系统软件则采用μC-OSII操作系统，运行于其上的应用软件除了可以采集振动信号、温度信号、瓦斯浓度信号之外，还可以做预析，并将结果显示在液晶屏上。

由于机械设备的故障现象与故障原因之间并不存在简单的一一对应关系，即使是同型号的设备，由于装配及工作条件的不同，其工况状态及故障模式也往往存在差异，因此，在系统的后端，可以广泛采用各种分析诊断方法，并且在系统设计过程中，应充分考虑系统的可扩展性、可操作性和可维护性、开放性等因素，以保证系统能够有效应用于不同的设备和运行条件之中。[!--empirenews.page--]

所谓可扩展性，就是根据现场要求，在基本功能不变的基础上，适当扩展其新功能，从而实现对旋转机械等不同类型机械设备的功能定制，满足用户需要；

可操作和可维护性一般指巡检仪器界面友好，操作使用方便，维护和升级容易等；

开放性表示服务器中的巡检信息数据库可以方便的与企业互联，便于企业的信息管理。

2 硬件电路的设计

技术领先、运行可靠的硬件平台是系统长期稳定工作的前提和基础，也是仪器质量的保证。在系统前端仪器的设计中，可采用基于ARM7TDMI-S CPU的微控制器，该方案的运算和处理速度快，并可扩展4GB的SD存储器，存储空间大，可满足巡检和点检数据存储的要求；而开发USB接口则可以方便地进行数据传输和远程通信；其人机交互界面设计可采用12864液晶屏，以使图像清晰，操作方便。

2.1 数据采集电路

数据采集是本系统的关键组成之一。其传感器输入接口如图2所示，它主要由信号类型选择开关、放大电路、滤波电路组成。其中选择开关用于确定输入处理器的信号是LCP传感器输出的速度信号还是加速度信号。



2.2 存储和接口电路

本系统前端仪器采用4GB的SD存储卡来存储实时采集到的数据。该卡具有多功能的USB接口，可通过选择开关进行人机交互，从而实现与上位机的通信。

3 仪器软件的实现

根据系统的功能模块，可将整个系统划分为5个并行存在的任务来运行，各个任务完成相对独立的功能。对任务的调度可按优先权的高低来进行，优先权的设置可按照整个系统运行的时序来确定。对系统安全运行比较重要和对实时性要求较严格的任务，可以设置较高的优先级。各个任务根据优先级由高到低依次如下：8个A／D预处理任务、液晶显示任务、USB通信任务、键盘任务和系统服务任务。在系统运行过程中，各任务的优先级固定不变。

本系统中的各个任务之间，都有数据需要交换，因此，可采用消息机制进行任务间的通信，即通过消息邮箱向各个任务发送消息，依次完成数据的传递。在由μC-OSII管理的多任务机制下的程序流程如图3所示。



4 结束语

基于嵌入式技术的设备巡检器可以确保前端仪器的小型化、便携式和易用性。而ARM7TDMI-S CPU架构的ARM微处理器和稳定可靠的μC-OSII操作系统则为该智能仪器的稳定可靠运行提供了基础。该巡检器内的4GB的μC-OSII卡可对采集的信号进行实时存储和预处理，同时还可对设备故障进行预分析，也可以将采集的数据通过USB上传至上位机进行再处理和再分析，从而提高设备故障诊断的可靠性和设备管理的自动化水平，为设备的安全稳定运行提供依据和保障。