基于LabVIEW的無線信號采集與分析系統(tǒng)

李夏青，張仁杰，陳雷亮，黎劍華

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

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基于LabVIEW的無線信號采集與分析系統(tǒng)

李夏青，張仁杰，陳雷亮，黎劍華

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

針對風力發(fā)電機運行過程中葉片損傷難以及時發(fā)現(xiàn)的問題，設計了一種風機葉片振動信號檢測與分析系統(tǒng)。系統(tǒng)包括加速度傳感器信號采集模塊、信號調(diào)理模塊、無線通信模塊、MSP430單片機控制模塊，利用LabVIEW軟件平臺對信號進行分析與處理。實驗表明，該系統(tǒng)能對發(fā)出的振動信號進行實時分析，發(fā)現(xiàn)葉片是否存在缺陷，在滿足設計要求同時使設備小型化。

無線通信；低功耗；MSP430；LabVIEW

由于一次性能源的大量使用，全球環(huán)境污染問題日趨嚴重[1]。風力發(fā)電因沒有燃料問題，不會產(chǎn)生輻射或空氣污染，并可循環(huán)利用，因此，而被廣泛應用[2]。風力發(fā)電機設備經(jīng)常會因復雜的工況條件受到破損或者發(fā)生事故[3]。風機葉片在運行過程中受到外界作用力產(chǎn)生形變，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，最終葉片會出現(xiàn)裂紋[4]。葉片損壞會影響到正常工作運行，造成經(jīng)濟損失。葉片開始出現(xiàn)裂紋時，用肉眼難以觀察到，葉片安裝位置通常較高，給檢查帶來不便[5]。因此為了保障風力發(fā)電機正常運行，及時發(fā)現(xiàn)葉片振動過程中出現(xiàn)的損傷[6]。本文設計了一種風力發(fā)電機葉片振動檢測裝置，考慮到風機葉片旋轉過程中采集振動信號不方便傳輸，本文將無線傳輸裝置和LabVIEW上位機信號處理系統(tǒng)相結合，能實時便捷地觀察到風機葉片振動信號的狀態(tài)[7]。

1 系統(tǒng)的總體設計方案

本文研究的對象是風機葉片振動信號，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。首先對硬件電路進行設計，硬件裝置需要固定在旋轉的葉片上，傳統(tǒng)的信號采集裝置無法滿足工作要求[8]，本系統(tǒng)采用無線通信模式，將模擬信號通過A/D轉換成數(shù)字信號發(fā)送給上位機。上位機采用LabVIEW軟件，對信號進行處理和分析，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、信號分析等。正常情況下，裝置處于休眠模式。工作時，上位機通過LabVIEW發(fā)送信號采集命令，單片機接收到上位機的命令后，從低功耗模式中被喚醒，開始信號采集。

圖1 系統(tǒng)的結構框圖

2 下位機硬件設計

裝置采用低功耗設計模式，使用MSP430系列單片機作為主控芯片。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 單片機和A/D模塊

MSP430 系列的單片機是具有16位總線的超低能耗單片機，工作電壓一般在1.8～3.6 V之間，通常供電使用3.3 V[9]。低功耗模式時耗電量為0.1 μA，正常工作模式下耗電250 pA/MIPS。MSP430時鐘系統(tǒng)一般有基礎時鐘系統(tǒng)和DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)兩種。MSP430單片機有一種正常工作狀態(tài)和5 種低功耗狀態(tài)(LPM0～LPM4)，可通過矢量的方法去觸發(fā)系統(tǒng)中斷，且單片機片內(nèi)有10幾個中斷源可供選擇，各中斷相互搭配使用，通過中斷觸發(fā)發(fā)送請求命令喚醒CPU只需6 ps。

傳感器將采集到的振動信號轉換為電信號，需要把電信號經(jīng)過模數(shù)轉換模塊(ADC)轉換為數(shù)字量才能被MSP430處理。MSP430帶有12位模數(shù)轉換模塊ADC12，可實現(xiàn)12位精度的模數(shù)轉換[10]。MSP430單片機通過定時器中斷采樣，采樣率可通過定時器來確定，代碼如下：

void Init_TimerA() //定時器A設置

{

TACTL |= TASSEL0 + TACLR;

//選擇輔助時鐘ACLK為時鐘源

CCTL0 =CCIE; //CCRO中斷允許

CCR0 = 33;//時間間隔為1 ms周期，采樣率1 kHz

TACTL |= MC0; //增計數(shù)模式，開始計數(shù)

return;

}

2.2 傳感器

在振動檢測中，信號數(shù)據(jù)由加速度傳感器采集到的。加速度傳感器安裝在葉片表面上，要求裝置質(zhì)量輕并采用鋰電池供電。葉片的振動加速度范圍在0.01g～1g(1g=9.81 m/s2)，要求傳感器的靈敏度至少為500 mV/g。

LIS344ALH是意法半導體一款高性能微機電系統(tǒng)加速度傳感器，包括一個傳感元件和一個集成電路接口，能將加速度信號轉換為模擬電壓信號。LIS344ALH的靈敏度為660 mV/g，測量加速度范圍為0～6 g，頻率響應范圍為0.2 Hz～6 kHz，質(zhì)量是0.04 g，采用鋰電池供電。

2.3 信號調(diào)理電路

LIS344ALH加速度傳感器轉換輸出的電壓信號微弱，并伴隨著直流信號、噪聲等干擾信號。為提高采樣的準確性和穩(wěn)定性，在進行數(shù)據(jù)A/D采集前，將電壓信號放大并濾除掉噪聲等干擾信號。

濾波電路如圖3所示。電阻R2、R3，電容C4、C5與運算放大TL084組成二階有源低通濾波器，起到抗混疊作用。將該濾波器的上截止頻率設定在

則f0=79 Hz，低通濾波器的截止頻率設定在80 Hz，保留有用信號同時濾掉高頻干擾成分。

圖3 濾波電路

采用的低功耗運算放大器AD627完成信號放大[11]，AD627可提供單電源供電，工作過程中最大損耗只有85 μA。由芯片手冊可知，Gain=5+(200 kΩ/RG)，R1=33 kΩ，放大倍數(shù)約為11倍。LIS344ALH加速度傳感器在零加速度的情況下會產(chǎn)生VCC/2的直流電壓，應在輸出電壓中減去VCC/2，輸出電壓直接反映了加速度的數(shù)值。

圖4 放大電路

2.4 電壓調(diào)整及控制模塊

此模塊負責給各個電路提供電源。將鋰電池電壓穩(wěn)定在3.3 V，一路輸出為Vout供CPU及無線通信模塊使用，另一路VCC供振動加速度傳感器、信號調(diào)理電路、信號電平位移電路使用。為減少功率損耗，Vout始終供電，而VCC在進入測量后由CPU控制命令開啟，這樣可以延長裝置的使用壽命。

圖5 電源調(diào)整及控制原理圖

2.5 無線通信模塊

采用SV610無線模塊作為上、下位機的無線通信模塊。SV610是一款具有高集成的無線信號收發(fā)模塊，空間結構小巧、靈敏度高、功耗低，輸出功率達100 mW以上，在業(yè)界處于領先地位。模塊有多個頻段、信道和網(wǎng)絡ID可供選擇，增加了信號傳輸性能，傳輸距離最遠可達到幾千米?？赏ㄟ^控制上位機軟件或者在線的方式去重置端口和射頻的相關參數(shù)。工作頻段選為433 MHz，工作電壓為2.8～ 6.0 V ，由鋰電池直接供電。

3 上位機軟件設計

上位機LabVIEW軟件采用模塊化設計，整體構架主要包括串口通訊、參數(shù)圖形化顯示、數(shù)據(jù)存儲和信號分析與顯示。

3.1 串口通訊

LabVIEW提供了完善的串口通訊模塊[12]，在上位機程序設計時只需要設置VISA的相關參數(shù)即可完成與下位機的通信，包括VISA參數(shù)配置、VISA讀取、VISA寫入、VISA關閉等。采用該方式設計的優(yōu)點是：每個函數(shù)開始接收一個端口號，結束后輸出一個其復制的口號，這樣在設計中就不會出現(xiàn)對于一個端口有遺忘或重復的操作。

串口通訊程序波特率為9 600 bit·s-1， 8個數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1個停止位。下位機傳送的數(shù)據(jù)格式是十六進制的ASCII形式，需要將其轉換成十進制數(shù)字形式代能保存并顯示，可以通過Extract Number轉換成為數(shù)字形式。

3.2 參數(shù)圖形化顯示

專門建立一個數(shù)據(jù)庫，保存輸入的風機基本參數(shù)，方便數(shù)據(jù)的查詢調(diào)用，數(shù)據(jù)庫依據(jù)時間排序來保存本次數(shù)據(jù)參數(shù)。將系統(tǒng)的當前獲取時間放入表中作為存儲順序，這樣只需輸入時間便可調(diào)出該時間段的所有數(shù)據(jù)[13]。

如圖6所示，參數(shù)設置主要記錄本次實驗的基本信息，包括傳感器安裝位置、模擬失效類型、葉片長度、葉片安裝角度、葉片質(zhì)量、葉片旋轉速度以及葉片質(zhì)量分布等[14]。其中兩個選項采用復選框的格式：傳感器安裝位置設了葉尖部位、葉中部位和葉根部位3個選項；模擬失效類型用戶可自身設置。其他均采用文本輸入格式。輸入本次實驗風機的基本參數(shù)，點擊<確定>，就會進入數(shù)據(jù)采集主界面。

圖6 風機參數(shù)錄入

3.3 數(shù)據(jù)存儲

使用NI公司提供的LabVIEW SQL Toolkit進行數(shù)據(jù)庫訪問，采用微軟的Access創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。

首先創(chuàng)建一個文件夾，命名shujuku，在文件夾下創(chuàng)建一個shujucunchu.accdb數(shù)據(jù)庫文件，然后采用DSN連接數(shù)據(jù)庫。連接完成后，進行數(shù)據(jù)庫的搭建。為了直觀驗證波形數(shù)據(jù)的正確性，將波形數(shù)據(jù)完整保存，同時存儲數(shù)據(jù)波形的圖片，存儲順序是按系統(tǒng)的時間來存儲。用戶只需要根據(jù)時間便可找出該時間段的所有數(shù)據(jù)，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的讀取。波形數(shù)據(jù)與參數(shù)設置都放在同一個數(shù)據(jù)庫中，建立兩個表來存儲，與之前的參數(shù)設置匹配。圖7所示為數(shù)據(jù)存儲的程序框圖。

圖7 數(shù)據(jù)存儲框圖

3.4 信號分析模塊

獲取的信號往往含有多種頻域成分，為了利于信號的進一步處理與分析，將其中需要的頻率成分提取出來，將不需要的頻率成分衰減掉。信號采集需要較好的高頻衰減特性，選用巴特沃斯濾波器對信號進行濾波處理。

時域測量模塊調(diào)用信號源選擇模塊的數(shù)據(jù)，進行相關參數(shù)測量，本模塊主要實現(xiàn)信號的周期平均值、周期均方根、正反峰以及均方根等參數(shù)測量。通過時域分析對設備故障給出簡單診斷，如設備運行中有異常發(fā)生，時域信號會產(chǎn)生一定波動。將時域信號變換成頻域信號稱為頻譜分析，頻譜分析模塊實現(xiàn)了對信號的FFT，通過頻譜分析可得到信號的幅值譜和相位譜，可進一步觀察信號狀態(tài)。

4 測試結果分析

葉片振動檢測實驗分為無損傷葉片振動檢測和有損傷葉片振動檢測[15]，將振動結果進行比較。正常風機葉片的時域波形以隨機信號為主，伴有一定的調(diào)幅現(xiàn)象。實驗葉片設計材料為玻璃纖維增強復合材料，葉片頻域上的第一峰值約在16 Hz，第二個峰值約在45 Hz[16]。從圖8(a)時域圖難以看出正常振動信號的特征，通過信號的頻譜圖可知，第一峰值在17 Hz左右，第二峰值約在46 Hz，與理論值上的值極為接近，證明檢測裝置是可靠的。

實驗以葉片裂紋為研究對象，采用兩個同型號的葉片進行模擬裂紋實驗，用切割方式分別在距離葉根部位1/4和3/4處切割裂紋。從圖8中可得，損傷葉片與正常葉片振動信號之間差別較小，但損傷葉片比正常葉片振幅大。損傷葉片頻譜圖中的峰值所在的頻率段與正常葉片相比有明顯減小。

圖8 實驗測試結果的時域、頻域波形圖

通過實驗可知，當葉片出現(xiàn)裂紋時，風機葉片時域波形有一定的變化，通常這種變化并不明顯，而在頻域內(nèi)的峰值出現(xiàn)明顯的變化。缺陷的產(chǎn)生會導致風機葉片的剛度減小，造成葉片的振動頻率降低。所以當葉片振動的振幅發(fā)生變化時，葉片可能出現(xiàn)異常情況，再查看葉片振動的頻域信號，如果頻域中的峰值出現(xiàn)明顯變化，則可以判定葉片產(chǎn)生缺陷。

5 結束語

本文設計了一個操作簡單、功能齊全的風機葉片振動信號檢測系統(tǒng)。其采用低功耗的MSP430微處理器，使得硬件運算速度快，系統(tǒng)運行平穩(wěn)。無線傳輸裝置克服了振動信號通過有線方式傳輸困難的問題。LabVIEW圖形化編程軟件成功實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集與分析功能。

[1] 張芳.當前能源形勢及解決能源問題的對策[J].科技傳播,2013(3):49-50.

[2] 孫安萍.風電發(fā)展專利情報分析研究[D].綿陽:西南科技大學,2011.

[3] 賀德馨.風工程與工業(yè)空氣動力學[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[4] 喬印虎.風力發(fā)電機葉片振動研究與保護[D].烏魯木齊:新疆大學,2006.

[5] Lu B,Li Y,Wu X,et al.A review of recent advances in wind turbine condition monitoring and fault diagnosis[C].NZ,USA:IEEE Symposium on Power Electronics and Machines in Wind Applications,2009.

[6] Ribrant J.Reliability performance and maintenance-a survey of failures in wind power systems[D].Sweden:KTH School of Electrical Engineering,2005.

[7] 李舜酩,李香蓮.振動信號的現(xiàn)代分析技術與應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[8] 宮靖遠.風電場工程技術手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[9] 沈建華,楊艷琴,翟曉曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[10] 胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設計與開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[11] 汪華章.低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的研究與設計[J].中原工學院學報,2009,20(4):58-61.

[12] 劉君華,郭會軍,趙向陽,等.基于LabVIEW虛擬儀器的設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[13] 黃云江.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)[J].福建電腦,2008,24(4):114,99.

[14] 蔣東翔,洪良友,黃乾，等.風力機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008,24 (9):40-44.

[15] 喬印虎,張春燕.風力發(fā)電機葉片振動失效機理分析[J].機械工程師,2007(4):55-57.

[16] 周偉,張洪波,馬力輝,等.風電葉片復合材料結構缺陷無損檢測研究進展[J].塑料科技,2010,38 (12):84-86.

Wireless Signal Acquisition and Analysis System Based on LabVIEW

LI Xiaqing，ZHANG Renjie，CHEN Leiliang，LI Jianhua

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Considering blade damage difficult be discovered during the operation of the wind turbine, a fan blade vibration signal detection and analysis system was designed in this paper. The system includes acceleration sensor signal acquisition module, signal conditioning module, wireless communication module and MSP430 MCU control module, using LabVIEW software platform for signal analysis and processing. Tests show that the system can analyze the vibration signal in real time, and find out whether there are defects in the blades, thus meeting the design requirements and miniaturizing equipment.

wireless communication; low-power consumption; MSP430 microcontroller; LabVIEW

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.010

2016- 02- 04

李夏青(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：測試信息獲取與處理。

TN92；TM614

A

1007-7820(2016)12-033-04