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基于无线传感网络轴承振动检测系统的研究

作　者: 毛志勇
导　师: 和卫星
学　校: 江苏大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 滚动轴承振动检测 MSP430 无线传输低功耗数据采集
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

滚动轴承在工业上的应用非常广泛,其中许多还是工业和生产中的关键设备。研究、发展并应用先进的振动监测与分析技术具有十分重要的现实意义,不仅保证了滚动轴承设备安全而高效地运行,而且避免了巨额的经济损失和灾难性事故的发生,是当前科技和工业发展的重要研究问题之一。本文针对滚动轴承故障监测技术中存在的实时性较差的问题和不足,在总结前人多年来的研究成果的基础上,结合实际情况,对现有研究方法进行改进,提出了将嵌入式系统技术和无线数据传输技术应用于滚动轴承运行状态实时监测的思想。论文采用理论分析和实验设计相结合的方法,完成了如下工作:分析了论文的关键技术如无线通信、信号处理和低功耗等技术;设计了无线通信电路和信号预处理电路;开发了检测系统的整体结构和各功能模块。根据对设计电路和系统的测试分析,论文主要内容包括以下几个方面:(1)通过对滚动轴承故障机理、滚动轴承故障信息检测技术的研究,采用共振解调技术和振动信号频谱分析法,对其检测原理和检测效果进行了深入研究。(2)研究设计了监测系统的体系结构,包括振动信号预处理部分放大,包络检波,滤波电路等设计,以及主控制电路硬件设计、高速数字信号采集的软硬件设计。(3)设计了高速、稳定的无线数据采集系统,免除了繁琐的现场布线,为复杂工业现场状况下滚动轴承的监测工作提供了便利。具体进行无线数据传输控制模块的硬件设计。满足通讯质量、通讯距离、通讯速度、抗干扰、易于布控和低功耗等要求。(4)对整个数据采集系统的功耗进行分析,设计出可行的软硬件低功耗实现方法,能够达到uA级的超低功耗超小型的无线数据系统。(5)进行系统的软硬件测试,阐述了调试中遇到的问题,并给出解决方案。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章绪论  9-16
  1.1 课题来源与背景  9-10
  1.2 轴承故障信息检测技术  10-11
  1.3 国内外振动监测技术研究与发展趋势  11-14
  1.4 本论文的研究内容  14-15
  1.5 论文的结构安排  15-16
第二章机理分析与系统总体方案  16-23
  2.1 滚动轴承的振动机理  16-18
    2.1.1 滚动轴承本身结构特点  17
    2.1.2 滚动轴承运行故障引起的振动  17-18
  2.2 滚动轴承故障信号处理技术  18-19
  2.3 滚动轴承故障诊断的振动分析  19-20
  2.4 滚动轴承振动信号的频谱分析  20
  2.5 共振解调技术在滚动轴承故障诊断中的应用  20-21
  2.6 系统功能设计及总体框图  21-23
第三章振动信号采集硬件实现  23-48
  3.1 轴承故障监测系统的工作原理  23-24
  3.2 传感器的选择  24-25
  3.3 测点的选择  25-26
  3.4 振动信号调理电路设计  26-39
    3.4.1 电荷放大器  26-29
    3.4.2 恒流源电路  29-32
    3.4.3 增益放大电路设计  32-33
    3.4.4 带通滤波电路  33-36
    3.4.5 包络检波器  36-37
    3.4.6 抗混频低通滤波电路  37-39
  3.5 数字信号处理电路设计  39-43
    3.5.1 主控制器的选型  39-41
    3.5.2 系统主电路  41-43
  3.6 外围电路设计  43-45
    3.6.1 复位与JTAG电路  43-44
    3.6.2 串口通讯模块  44-45
  3.7 电源模块设计  45-48
    3.7.1 常用电源  45-46
    3.7.2 本系统电源设计  46
    3.7.3 2.5V电压基准  46-48
第四章轴承故障监测系统通讯方案的研究  48-60
  4.1 无线网络的通讯技术  48-50
  4.2 无线收发模块的选型  50-51
  4.3 NRF905射频芯片  51-57
    4.3.1 芯片功能模块  52-53
    4.3.2 nRF905的工作模式  53-56
    4.3.3 nRF905外围电路设计  56-57
  4.4 系统点对多点通信协议的实现  57-60
    4.4.1 通信协议的制定  57-58
    4.4.2 信号帧的分类及格式  58-59
    4.4.3 通信协议实现的注意事项  59-60
第五章轴承故障监测系统软件设计  60-74
  5.1 系统软件开发环境  60-62
    5.1.1 Embedded Workbench(嵌入式工作台)  60-61
    5.1.2 调试接口  61-62
  5.2 无线收发模块的软件设计  62-64
    5.2.1 系统软件的总体制作思想  62
    5.2.2 系统软件的主程序  62-64
  5.3 部分子程序设计  64-74
    5.3.1 A/D转换子程序  64-66
    5.3.2 定时器设计  66-67
    5.3.3 DMA控制器设计  67-68
    5.3.4 SPI接口初始化程序  68-70
    5.3.5 nRF905的配置  70-72
    5.3.6 串行异步通信设计  72-74
第六章系统的低功耗实现方法  74-80
  6.1 系统的能耗特点分析  74-75
  6.2 系统的低功耗实现方法  75-78
  6.3 系统的功耗分析及计算  78-80
第七章系统的调试与测试  80-86
  7.1 硬件电路测试  80-81
  7.2 软件调试  81-82
  7.3 系统综合测试  82-86
全文总结与展望  86-88
参考文献  88-92
致谢  92-93
读研期间发表的论文  93

基于无线传感网络轴承振动检测系统的研究

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