Обзор

Ресурсы проектирования

Файлы проектирования и интеграции

  • Схемы
  • Спецификация
  • Gerber-файлы
  • Файлы сборки
  • Файлы маршрутизации Allegro
Загрузить файлы проектов 1.63 K

Оценочные платы

Буква "Z" в наименовании компонента указывает на соответствие требованиям RoHS. Отмеченные платы нужны для оценки данной схемы

  • EVAL-CN0532-EBZ ($75.00) IEPE-Compatible Interface for Wideband MEMS Accelerometer Sensor
  • EVAL-CN0540-ARDZ ($150.00) 24-Bit Data Acquisition System for IEPE Sensors
  • EVAL-XLMOUNT1 ($85.00) Mechanically optimized mounting block for MEMs accelerometer boards
Проверка наличия и приобретение

Драйверы устройств

ПО (код на С и/или FPGA) для связи с цифровым интерфейсом компонента.

AD7768-1 Linux Driver

Особенности и преимущества

  • Данные широкополосного МЭМС-акселерометра выводятся в популярном формате стандарта IEPE
  • Простая установка на промышленные механизмы (например, насосы, вентиляторы и двигатели) при сохранении целостности сигнала датчика
  • Система сбора данных позволяет с высокой точностью считывать соответствующий стандарту IEPE аналоговый сигнал с частотой от 0 до 54 кГц
  • Встроенное в ПЛИС типа FPGA программное обеспечение позволяет собирать и хранить исходные данные для последующей обработки как локально во встраиваемой системе, так и в облаке
  • Приложение IIO Oscilloscope позволяет пользователям быстро визуализировать данные для проведения их оценки

Техническая документация

Функции и преимущества схемы

Мониторинг состояния оборудования, основанный на использовании датчиков вибрации, все чаще используется в промышленности. Компании стремятся оптимизировать срок службы и рабочие характеристики промышленного оборудования, а также снизить стоимость владения им, а некоторые даже стремятся разработать новые бизнес-модели на основе предоставления диагностической информации. Чтобы точно понять, какое оборудование нуждается в мониторинге, необходимо собрать большие объемы данных, чтобы определить базовую рабочую точку, разграничивающую функционирование оборудования в нормальных режимах работы и в нештатных режимах. После сбора этих данных можно создать алгоритм или процедуру определения порогового значения, что позволит получать правильные результаты анализа состояния конкретного оборудования.

Для организации мониторинга состояния оборудования требуется сбор данных во всей полосе пропускания, что позволит учесть все гармоники, наложения спектров и другие влияния механических изменений как во временной, так и в частотной области. Для осуществления такого сбора данных требуется высококачественный датчик и система сбора данных, которая может обеспечить высокую точность передачи данных в реальном времени в аналитический инструмент или приложение для анализа данных.

Использование популярных инструментов, таких как MATLAB® или более новых инструментов на основе Python, таких как Tensorflow, значительно упрощает анализ данных, получение рабочих характеристик оборудования и создание алгоритмов для принятия обоснованных решений.

В системах мониторинга состояния оборудования традиционно в большинстве случаев используют метод измерения вибрации благодаря доступности датчиков, а принципы анализа данных являются довольно простыми для понимания. IEPE является популярным стандартом организации интерфейса передачи данных для высококачественных микроэлектронных механических систем (МЭМС) и пьезодатчиков, которые сегодня широко используются в промышленности.

Рисунок 1. Блок-схема системы CN-0549

Описание схемы

Анализ вибрационных данных

В системах мониторинга состояния оборудования традиционно в большинстве случаев используют метод измерения вибрации благодаря доступности датчиков, а принципы анализа данных являются довольно простыми для понимания. Но что, если необходимо будет проанализировать работу нового оборудования, или возникнет необходимость более детального анализа того, как конкретный частный случай повлияет на работу оборудования? Чтобы получить необходимую информацию, сначала необходимо понять, как оборудование ведет себя при работе в оптимальных условиях и в нештатных условиях, при которых наблюдаются сбои и отказы. На рисунке 2 показан пример того, как может выглядеть частотный спектр, когда источник вибрации оказывает влияние на работу оборудования.

Рисунок 2. Пример частотного спектра источника вибрации


Датчики вибрации – интерфейс IEPE

IEPE является популярным стандартом организации интерфейса передачи сигналов для высококачественных пьезодатчиков вибрации, которые сегодня широко используются в промышленности. IEPE – это 2-проводной интерфейс, состоящий только из сигнального провода и провода заземления. Плата системы сбора данных, такая как CN-0540, через сигнальный провод обеспечивает для датчика вибрации CN-0532 питание в виде тока с произвольным напряжением в диапазоне от 10 В до 30 В. Поскольку питание через сигнальный провод обеспечивается источником тока, сенсорное устройство может модулировать данные об ускорении на шине напряжения. Таким образом, один провод можно использовать как для питания, так и для передачи модулированного выходного напряжения датчика.


МЭМС-датчики и пьезоэлектрические датчики

Сегодня в системах мониторинга состояния оборудования в большинстве случаев используются пьезоакселерометры благодаря их широкополосной АЧХ и высокой чувствительности к вибрации. Однако в связи с недавними достижениями в области технологии производства МЭМС-компонентов разрыв между пьезоэлектрическими датчиками и МЭМС-акселерометрами стал меньше, чем когда-либо прежде.

МЭМС-датчик вибрации CN-0532, соответствующий стандарту IEPE, основан на акселерометре ADXL1002. Его шумовые характеристики и полоса пропускания сравнимы с аналогичными параметрами пьезоэлектрических датчиков, при этом ADXL1002 имеет очень низкую температурную чувствительность, оптимальный переходный процесс в низкочастотной области, оптимальную фазовую характеристику (и, следовательно, групповое время запаздывания), высокую устойчивость к ударам и быстрое восстановление после удара. Датчик имеет линейный (в пределах ± 0,1% от полного диапазона) диапазон измерения ± 50 g, что вполне достаточно для работы с различными системами, где необходимо измерять вибрацию. Для получения дополнительной информации об акселерометре ADXL1002 и о том, как он используется в рамках передачи данных по интерфейсу IEPE, посетите веб-страницу, посвященную CN-0532.

При использовании CN-0549 можно сравнить характеристики пьезоэлектрического датчика с характеристиками датчика на основе МЭМС-акселерометра.


Механическое крепление датчика

Основной задачей при разработке систем мониторинга состояния оборудования является организация связи между аналоговым и цифровым мирами. Обеспечение надежной передачи данных от датчиков, установленных на исследуемом оборудовании, в процессор является сложной задачей. Во-первых, что наиболее важно, необходимо установить механическую связь между датчиком и интересующими элементами оборудования. После установки датчика на оборудование важно убедиться, что спектр сигналов вибрации не изменяется из-за каких-либо механических аномалий или эффектов, образовавшихся после установки датчика.

Рисунок 3. EVAL-XLMOUNT1 с EVAL-CN0532-EBZ


EVAL-XLMOUNT1 представляет собой куб с пятью сторонами для монтажа, который позволяет пользователю прикрепить CN-0532 к элементу оборудования без какого-либо снижения надежности передачи данных от датчика.


Сбор данных – IEPE

В рамках стандартного процесса сбора данных напряжения и токи непосредственно преобразуются в цифровые коды. Однако, поскольку метод с использованием интерфейса IEPE отличается от стандартных процессов, в данном случае требуется более специализированная плата сбора данных. Плата сбора данных должна обеспечивать питание датчика, выдавая необходимые уровни тока и напряжения возбуждения, а также иметь возможность считывать данные, получаемые от датчика, которые модулируются тем же напряжением возбуждения.

CN-0540 представляет собой 24-битную одноканальную систему сбора данных, оптимизированную для работы с датчиками, соответствующими стандарту IEPE (рисунок 4). Эта система сбора данных может подавать на датчик максимальное напряжение возбуждения около 26 В.> AD7768-1 осуществляет выборку со скоростью 256 KSPS (тыс. выб/с), что означает, что процессору передаются данные со скоростью 6,144 Мбит/с. Для получения более подробной информации об используемой системе сбора данных посетите веб-страницу, посвященную CN-0540.


Хост на основе ПЛИС типа FPGA

Поскольку аппаратная часть CN-0540 выполнена в стандартном форм-факторе Arduino®, любая система обработки, которая может принимать информацию с требуемыми скоростями передачи данных, имеет такое же расположение выводов и такой же форм-фактор Arduino, может работать с CN-0540. В данном случае обеспечивается полная поддержка (с предоставлением типовых проектов) систем разработки от двух основных производителей FPGA – платформы с системой на кристалле (SoC) DE10-Nano компании Intel и платформы с системой на кристалле Cora Z7-07S компании Xilinx. Также в виде программного обеспечения с открытым исходным кодом предоставляются типовые проекты на языке HDL. Следовательно, эти проекты при необходимости могут быть легко перенесены на другие платформы. Для получения дополнительной информации о файлах HDL и сопутствующей документации посетите страницу руководства пользователя по HDL для CN0540.

Системы на кристалле на основе FPGA были выбраны специально благодаря возможности обработки большого количества высокоточных данных, которые могут быть получены от CN-0540. FPGA могут быть использованы для повышения эффективности обработки данных благодаря ее реализации в логике при гораздо меньшем энергопотреблении по сравнению с обработкой в процессоре, что позволит освободить ядро ARM® для выполнения других задач.


Программная архитектура и инфраструктура

Платформы DE10-Nano и Cora Z7-07S работают под управлением операционной системы Linux, благодаря которой обеспечивается взаимодействие и управление CN-0540. Среда Linux предоставляется через основанный на Raspbian дистрибутив Kuiper Linux компании Analog Devices. Этот дистрибутив включает в себя стандартные программные инструменты для разработки и отладки встраиваемых систем, в том числе стандартные компиляторы и даже интерпретаторы, такие как интерпретатор Python. Ядро, поставляемое с этим дистрибутивом, содержит необходимые драйверы для управления различными компонентами CN-0540.

Драйверы для CN-0540 предоставляются в стандартном фреймворке драйверов ядра, который называется Industrial Input Output (IIO) framework. Фреймворк IIO поддерживает работу с такими продуктами, как преобразователи, усилители, датчики и некоторые другие компоненты, которые выпускает компания Analog Devices, а также многие другие производители.

Для получения дополнительной информации о файлах программного обеспечения CN-0540 и о том, как подготовить образ программного обеспечения для последующего использования, посетите веб-страницу, посвященную дистрибутиву Kuiper Linux компании Analog Devices.

Рисунок 4. Упрощенная блок-схема CN-0540


Низкоуровневое управление

Драйверы IIO обеспечивают как управление аппаратной частью CN-0540, так и сбор данных и буферизацию. Для взаимодействия с драйвером на самых низких уровнях, в том числе с осуществлением доступа к регистрам, можно использовать библиотеку IIO (libIIO). Сама библиотека libIIO может взаимодействовать с драйвером посредством выполнения кода непосредственно в системе на кристалле или удаленно с хост-компьютера. Стандартное приложение с графическим интерфейсом IIO-Oscilloscope предназначено для отладки устройств IIO. Данный инструмент предоставляется с возможностями быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые позволяют пользователю визуализировать любую аномалию сигналов вибрации, возникающую в полосе пропускания датчика, что позволяет выполнять базовую отладку и анализ даже без подключения ПК.

Приложение IIO-Oscilloscope поддерживает настраиваемые плагины для упрощения взаимодействия со специальными коллекциями драйверов. У CN-0540 есть специальный плагин, который помогает откалибровать ошибки смещения IEPE и установить на максимум коэффициент усиления схемы. Такую калибровку, как правило, можно выполнить с помощью приложения IIO-Oscilloscope, но плагин упрощает для пользователей процесс калибровки.

Рисунок 5. Графический пользовательский интерфейс плагина IIO-Oscilloscope для CN-0540


Разработка алгоритмов – MATLAB и Python

После завершения проверки того, что система работает должным образом с IIO-Oscilloscope, пользователи могут перейти на другие интерфейсы на других языках, а также инструменты, предназначенные для анализа данных. Для CN-0540 можно писать программы с помощью C/C++. Однако основными инструментами являются Python и MATLAB, что позволяет работать с такими фреймворками, как Tensorflow и PyTorch, основанными на Python, или с различными наборами инструментов для MATLAB.

Поддержка Python для CN-0540 обеспечивается с помощью модуля pyadi-iio. Данный модуль предоставляет простой в использовании интерфейс прикладного программирования (API), предназначенный для специалистов по анализу данных и разработчиков алгоритмов. Этот модуль предустановлен в Kuiper Linux, а также доступен через Python Package Index PyPI. На рисунке 6 показан простой пример подключения и получения данных от CN-0540 с подключенным акселерометром ADXL1002.

Рисунок 6. Пример кода на языке Python для работы с CN-0540

Рисунок 6. Пример кода на языке Python для работы с CN-0540


Поддержка MATLAB для CN-0540 обеспечивается с помощью Analog Devices Sensor Toolbox, который представляет собой набор инструментов с примерами, классами интерфейсов и необходимыми инфраструктурными компонентами для работы с датчиками. Классы интерфейсов MATLAB, например, классы Python, соответствуют стандартному API, основанному на предыдущих API от MathWorks. Как и в случае с Python, классы интерфейсов предоставляют простой в использовании API, предназначенный для специалистов по анализу данных и разработчиков алгоритмов. На рисунке 7 показан простой пример подключения и получения данных от CN-0540 с подключенным акселерометром ADXL1002.

Рисунок 7. Пример кода в MATLAB для работы с CN-0540

Рисунок 7. Пример кода в MATLAB для работы с CN-0540

Данный набор инструментов можно установить непосредственно через Addon Explorer в MATLAB или с помощью установщиков из GitHub.

Основные варианты исполнения

Для подключения дополнительных датчиков необходимо обеспечить доступ к большему количеству каналов системы сбора данных.В AD7768-4 можно использовать до 4 каналов, а AD7768 имеет 8 доступных входных каналов.

В случае если требуется другая полоса пропускания или другой диапазон измеряемого ускорения (g), то можно использовать МЭМС-акселерометры ADXL1003, ADXL1004 и ADXL1005.

Оценка параметров и тестирование схемы

CN0549 представляет собой платформу разработки систем мониторинга состояния оборудования, совместимую со стандартом IEPE и реализованную на основе доступных плат и аппаратных компонентов как от Analog Devices, так и от авторизованных дистрибьюторов. Данная платформа используется совместно с программным обеспечением с открытым исходным кодом, которое позволяет упростить процесс подключения, визуализацию и взаимодействие с инструментами анализа данных.


Необходимое оборудование

Для организации работы платформы требуется следующее оборудование:

  • EVAL-CN0532-EBZ
  • EVAL-CN0540-ARDZ
  • EVAL-XLMOUNT1
  • Плата разработки на основе FPGA (DE10-Nano или Cora Z7-07s)
  • Кабель SMA
  • Кабель HDMI
  • Карта MicroSD на 16 ГБ с установленным образом Kuiper Linux
  • Адаптер USB OTG
  • Беспроводная клавиатура и мышь с USB-донглом


Настройка системы

Для настройки системы ознакомьтесь с рисунком 8 для правильного подключения ее компонентов.

Рисунок 9. Плата CN-0540, подключенная к DE10-Nano, а также необходимая периферия


Подробные пошаговые инструкции по запуску системы с использованием DE10-Nano или других поддерживаемых платформ приведены в руководстве пользователя CN0549.


Результаты тестирования

Осуществите следующие шаги, чтобы протестировать работоспособность системы:

  1. Используйте EVAL-XLMOUNT1, чтобы прикрепить CN-0532 к программируемому источнику вибрации. В качестве такого источника лучше всего использовать вибростенд или подобное оборудование.
  2. Откройте плагин CN-0540 в IIO-Oscilloscope, откалибруйте смещение датчика и запишите напряжение смещения, используя процедуру калибровки.
  3. Запустите источник вибрации и задайте вибрацию с частотой 2 кГц.
  4. Перейдите в окно просмотра осциллограмм в приложении IIO-Oscilloscope и настройте график в частотной области с количеством выборок, равным 16384, и усреднением, равным 3.
  5. Нажмите на кнопку Play в окне Capture (в верхней левой части).
  6. Убедитесь, что заданная частота 2 кГц находится в частотном спектре, как это и предполагалось. Обратите внимание, что на графике могут быть видны некоторые другие пики сигнала частоты, которые могут возникать вследствие работы источника вибрации или неидеального механического крепления.

Рисунок 10. Осциллограмма в приложении IIO-Oscilloscope при тестировании CN-0532 и CN-0540


Подробные пошаговые инструкции по запуску системы с использованием DE10-Nano или других поддерживаемых платформ приведены в руководстве пользователя CN0549.

Образцы

Образцы

Продукт

Описание

Доступный продукт
Модели для образца

AD7768-1 Прецизионный 24-разрядный АЦП для динамического анализа сигналов с масштабированием энергопотребления, полоса от нуля до 204 кГц

AD7768-1BCPZ

ADXL1002 Высокочастотный акселерометр МЭМС с низким шумом, диапазон измерений +/-50g

ADXL1002BCPZ

Функционирование раздела Покупка возможно только в полной версии сайта
Оценочные платы Цена указана за одну единицу.
Назад
Проверить наличие
Через сайт Analog.com можно приобрести не более двух оценочных плат. Чтобы заказать более двух оценочных плат, пожалуйста, совершайте покупку через наших дистрибьюторов.
Цены указаны за одну штуку, в долларах США, на условиях ФОБ. Являются рекомендованными розничными ценами в США, приведены только для примерного расчета и могут меняться. Международные цены могут отличаться на величину местных пошлин, налогов, сборов и курсов валют.