基于Cortex-M3的齿轮传动轴损伤动态监测系统的设计与实现

摘  要： 针对传统的齿轮传动轴监测与诊断系统的局限性，提出了在封闭小体积环境下局域强信号的采集与传输机制。详细论述了系统的工作原理、硬件及软件设计，给出了系统的测试结果。该系统已经成功用于某型汽车发动机传动轴损伤动态监测，对齿轮传动系统的损伤动态监测起到了巨大的推动作用。
关键词： Cortex-M3； 局域强信号； 齿轮传动轴； 动态监测
       传统的齿轮传动轴监测与诊断系统一般是将用于分析和监测的加速度等传感器安装在齿轮箱的轴承座上，采用广域信号进行诊断与分析。如果仅是简单将现有传感器安装在大功率小体积的重要装备齿轮箱中，不仅加速度、温度和应变等传感器安装困难，而且所测信号很难向外传输。因此，无法实时获取齿轮和轴承实际工况条件下的真实动态应力和扭矩等重要信息，一些关键设备的齿轮传动轴的实时动态监测就无法有效实现。
　本文为解决上述问题，创新性地提出了“局域强信号”新概念，将传感器直接安装在所需检测和监测的位置[1]，感知局域强信号的变化。由于局域强信号距离信号发生源近，感知的信号强度远高于其他位置测取的信号，故信号可靠度与可信度高，从而大幅度提高齿轮传动系统损伤动态监测与判断的成功率。突破了传统广域信号在箱体外采集信号与数据传输的局限性，实现了监测“零距离”局域强信号从箱体内部向箱体外部的高速和低误码率的传输，具有鲜明的“零距离接触”特色，是本系统的重要创新点。
1 损伤动态监测系统的工作原理
　本系统由数据采集端和数据接收端两部分构成。数据采集端以LPC1768微控制器为控制核心，包括前端数据采集电路、信号调理电路（放大和滤波）、RF发射模块和电源电路。数据接收端包括LPC1768微处理器、数据存储电路、RF接收模块和电源电路。系统总体结构如图1所示。
   
   　本系统采用无线RF方式传输数据。在数据采集端，首先由前端数据采集电路测得与扭矩成正比的电压信号，经信号调理电路处理后送入LPC1768微控制器进行A/D变换，最后通过RF发射模块将经过MSK调制过后的数字信号通过天线发射出去。在数据接收端，通过LPC1768微控制器的控制，将RF接收模块接收到的数据通过USB接口实时传入PC机进行数据分析，同时将接收数据存入外部存储器。
2 系统的硬件设计
     采用NXP公司的基于第二代ARM Cortex-M3内核的微控制器LPC1768作为系统的核心单元。通过LPC1768内部ADC(转换频率高达1 MHz)，实现4路扭矩信号的采样,精度达到12 bit，采样频率达到4 kHz。LPC1768通过控制CC1101实现数据收发,控制NAND Flash实现数据存储，控制内部USB设备控制器实现与PC之间的数据传输，从而实现系统的基本功能，同时保证了系统在体积、功耗、性能上的最优化。