CN0549

振動解析

振動検出は、従来もほとんどの CbM アプリケーションの主流を占めていますが、これは様々なセンサーを利用できること、および分析の背景となる科学への理解が進んでいることによります。しかし、新たな装置の分析が必要となったり、ある特定の使用事例が装置にどのように影響するのかをより深く理解する必要が生じたりした場合はどうでしょう。必要な見通しを立てるには、まず、最適条件下での動作や、故障を誘発するような条件下での動作において、その装置がどのような挙動を示すかを理解する必要があります。振動源のある状態で装置が動作した場合の周波数スペクトルの例を図 2 に示します。

振動センサー − IEPE インターフェース

IEPE は、今日の工業分野の主流となっているハイエンドの圧電振動センサーに広く使われているインターフェース標準です。IEPE インターフェースは、信号とグラウンドだけで構成される2 線式の信号規格の 1 つです。CN-0540 などの DAQ カードは、信号線を介し、通常 10V～30V の任意の電圧を持つ電流として、CN-0532 振動センサーに電源を供給します。信号線への電源供給は電流源によって行われるので、センサー・デバイスは電圧レール上の加速度データを変調することができます。したがって、1 本のワイヤを、センサーの電源と変調出力電圧の両方に使用できます。

MEMS センサーと圧電センサー

圧電式加速度センサーは、周波数応答の範囲が広く振動入力に対する感度が良好なことから、今日の CbM 市場の主流を占めています。しかし、最近の MEM 技術の進歩によって、圧電式とMEM 式の加速度センサーの性能的ギャップはかつてほどではなくなっています。

CN-0532 IEPE MEM 振動センサーは、ADXL1002 がベースになっています。ADXL1002 のノイズと帯域幅は圧電式センサーに匹敵するもので、更に温度感度、DC から低周波数での応答性、位相応答（したがってグループ遅延も）、耐衝撃性、衝撃からの回復などの点でも優れた性能を発揮します。このセンサーは±50g の直線的な測定範囲を備えていますが（フルスケール比（FSR）で±0.1%以内）、これは幅広い振動アプリケーションに十分対応できる値です。ADXL1002 と、IEPE インターフェースでそれを使用する方法についての詳細は、CN-0532 のウェブ・ページを参照してください。

CN-0549 を使用すると、圧電センサーの性能と MEMS ベースのセンサー・ソリューションの性能を直接比較することができます。

機械的なセンサー取り付け

CbM アプリケーションの大きな課題は、アナログの世界とデジタルの世界を橋渡しすることです。信頼できるセンサー・データをモニタ対象の装置からプロセッサに取り込むことは、容易ではありません。最初に問題となり、かつ最も重要なのは、センサーとモニタ対象装置を確実に接続する必要があるということです。対象装置にセンサーを取り付けた際には、機械的な異常やセンサー取り付けの影響によって、振動スペクトルが変わってしまわないようにすることが重要です。

EVAL-XLMOUNT1 は 5 面を使用できる取り付け用の立方体で、データに関するセンサーの性能を低下させることなく、測定対象装置に CN-0532 を取り付けることができます。EVAL-XLMOUNT1は、機械的取り付けによって生じる周波数20kHzまでのすべての誤差源を完全になくすことができるように設計され、テストされています。また、この取り付け用立方体には、アルミニウム表面に不導体層を形成して短絡を防止するために、陽極酸化処理も施されています。

データ･アクイジション − IEPE

一般的なデータ・アクイジションでは、電圧と電流を直接取り込んでデジタル・コードに変換します。しかし、IEPE インターフェースが異なるので、より特殊な DAQ ボードが必要です。DAQ ボードは、適切な電流と励起電圧レベルでセンサーに電源を供給できなければならず、更にセンサーが収集したデータをリードバックできなければなりません。このデータは、その同じ励起電圧で変調されます。

CN-0540は24ビットのシングル・チャンネルDAQシステムで、IEPE センサーとインターフェースを取るために最適化されています（図 4 を参照）。この DAQ システムは、約 26Vの最大励起電圧をセンサーに供給できます。AD7768-1 ADC は、256KSPSでサンプリングを行います。これは、6.144Mbps のデータがプロセッサに送られることを意味します。使用するデータ・アクイジションについての詳細は、CN-0540 のウェブ・ページを参照してください。

フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（FPGA）ホスト

CN-0540 のハードウェアは標準的な Arduino^®フォーム・ファクタなので、Arduino フォーム・ファクタに必要なデータ・レート、電気的ピン配置、および機械的フォーム・ファクタをサポートできるすべての処理システムを使用することができます。2 つの大手 FPGA メーカーが提供する開発システム、Intel DE10-Nano システム・オン・チップ（SoC）プラットフォームと、Xilinx Cora Z7-07S SoC プラットフォームがサポートされており、必要な機能をすべて備えたリファレンス設計も提供されています。また、ハードウェア記述言語（HDL）のリファレンス設計が、オープン・ソース・ソフトウェアとして提供されています。したがって、これらの設計は好みに応じて容易に他のプラットフォームへ移植することができます。HDL ファイルと関連文書の詳細については、CN0540 HDL ユーザ・ガイドのページを参照してください。

FPGAベースのSoCは、CN-0540が生成する大量の高精度データを扱うために特別に選ばれたものです。固定処理は、ロジックを使うことで、CPU 処理よりもはるかに少ない消費電力で効率的に行うことができます。FPGA は、このような固定処理の負荷を軽減し、組込み ARM^®を解放して他のタスクを行えるようにするために使用できます。

ソフトウェア・アーキテクチャとインフラストラクチャ

DE10-Nano および Cora Z7-07S SoC プラットフォームは、共にLinuxを実行して CN-0540とインターフェースを取り、その制御を行います。Linux は、アナログ・デバイセズの Kuiper Linux ディストリビューションで提供されます。これは Raspbian をベースにしたものです。このディストリビューションには、標準コンパイラと Python のようなインタープリタを含む、組込み開発とデバッギング用の標準ソフトウェア・ツールが含まれています。このディストリビューションによって提供されるカーネルには、CN-0540 の様々な部品を制御するために必要なドライバが含まれています。

CN-0540 のドライバは、工業用入出力（Industrial Input Output:IIO）フレームワークと呼ばれる標準カーネル・ドライバ・フレームワークで提供されます。IIO フレームワークは、アナログ・デバイセズや他の多くのベンダが製造するコンバータ、アンプ、センサーなどの製品や、その他いくつかの部品をサポートしています。

CN-0540 ソフトウェア・ファイルと、ソフトウェア・イメージを使用するための準備方法の詳細については、アナログ・デバイセズの Kuiper Linux のウェブ・ページを参照してください。

低レベル制御

IIO ドライバは、CN-0540 の制御と、データまたはバッファ収集の両方の側面を扱います。レジスタ・アクセスを含め、最も低いレベルでドライバとのインターフェースを取る場合は、IIO ライブラリ（libIIO）を使用することができます。libIIO は、実行コードによって、それ自体がドライバと通信できます。通信はSoC ボード上で直接行うか、あるいはホスト PC からリモートで行います。IIO デバイスのデバッグ用として、標準グラフィカル・インターフェース（IIO-Oscilloscope）が提供されています。このツールには、移動高速フーリエ変換（FFT）機能が標準で付属しています。これにより、センサーの帯域内で発生するあらゆる異常振動を可視化することができるので、外部 PCを接続しなくても、基本的なデバッグと分析が可能です。

IIO-Oscilloscope は、特定のドライバ群との連携を容易にするために、カスタマイズ可能なプラグインをサポートしています。CN-0540 は、IEPE バイアス誤差の補正を容易にして回路のアンプ・ゲインをできるだけ大きくするために、特別なプラグインを備えています。この補正は一般に IIO-Oscilloscope を通じて行うことができますが、プラグインを使用すれば、補正プロセスがより簡単なものになります。

アルゴリズム開発 − MATLAB と Python

IIO-Oscilloscope を使用して、システムが意図したとおりに動作するかどうかの検証と妥当性確認が完了したら、異なる言語を使用する他のインターフェースや、データ分析用に設計された他のツールへ移行することができます。CN-0540 へのインターフェースには C/C++を使用することができます。しかし、基本的なツールの組込みは、Pythonや MATLAB によって行います。これらの言語は、Python 側に立脚した Tensorflow や PyTorch のようなフレームワーク、あるいは MATLAB 用の様々なツールボックスへデータを取り込むためのワークフローを簡素化します。

CN-0540 は、pyadiiio モジュールを通じて Python をサポートしています。このモジュールは、データ・サイエンティストやアルゴリズム開発者向けに開発された、使い易いアプリケーション・プログラミング・インターフェース（API）を提供します。Kuiper Linux にプレインストールされていますが、Python Package Index（PyPI）を通じて入手することもできます。ADXL1002 を取り付けた CN-0540 に接続して、データを取り出す場合の簡単な例を図 6 に示します。

CN-0540 は、アナログ・デバイセズのセンサー・ツールボックスを通じて MATLAB をサポートします。これは自己完結型のツールボックスで、例（サンプル）、インターフェース・クラス、およびセンサーのようなハードウェアを対象としたインフラストラクチャが含まれています。Pythonクラスに似た MATLABインターフェース・クラスは一般的な API に従ったもので、MathWorksが提供していたAPIがベースになっています。Python同様、このインターフェース・クラスは、データ・サイエンティストやアルゴリズム開発者向けに開発された使い易い API を備えています。ADXL1002 を取り付けた CN-0540 に接続して、データを取り出す場合の簡単な例を図 7 に示します。

このツールボックスは、MATLAB の Addon Explorer から直接インストールするか、GitHub のインストーラを通じてインストールすることができます。