传统的齿轮传动轴监测与确诊体系一般是将用于剖析和监测的加速度等传感器装置在齿轮箱的轴承座上，选用广域信号进行确诊与剖析。假如仅是简略将现有传感器装置在大功率小体积的重要配备齿轮箱中，不只加速度、温度和应变等传感器装置困难，而且所测信号很难向外传输。因而，无法实时获取齿轮和轴承实践工况条件下的实在动态应力和扭矩等重要信息，一些要害设备的齿轮传动轴的实时动态监测就无法有用完结。
本文为处理上述问题，立异性地提出了“局域强信号”新概念，将传感器直接装置在所需检测和监测的方位[1]，感知局域强信号的改变。由于局域强信号间隔信号发生源近，感知的信号强度远高于其他方位测取的信号，故信号牢靠度与可信度高，然后大幅度进步齿轮传动体系损害动态监测与判别的成功率。突破了传统广域信号在箱体外收集信号与数据传输的局限性，完结了监测“零间隔”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，具有显着的“零间隔触摸”特征，是本体系的重要立异点。
1 损害动态监测体系的作业原理
本体系由数据收集端和数据接纳端两部分构成。数据收集端以LPC1768微操控器为操控中心，包含前端数据收集电路、信号调度电路（扩大和滤波）、RF发射模块和电源电路。数据接纳端包含LPC1768微处理器、数据存储电路、RF接纳模块和电源电路。体系整体结构如图1所示。
本体系选用无线RF办法传输数据。在数据收集端，首先由前端数据收集电路测得与扭矩成正比的电压信号，经信号调度电路处理后送入LPC1768微操控器进行A/D改换，最终经过RF发射模块将经过MSK调制往后的数字信号经过天线发射出去。在数据接纳端，经过LPC1768微操控器的操控，将RF接纳模块接纳到的数据经过USB接口实时传入PC机进行数据剖析，一同将接纳数据存入外部存储器。
2 体系的硬件规划
选用NXP公司的依据第二代ARM Cortex-M3内核的微操控器LPC1768作为体系的中心单元。经过LPC1768内部ADC(转化频率高达1 MHz)，完结4路扭矩信号的采样,精度到达12 bit，采样频率到达4 kHz。LPC1768经过操控CC1101完结数据收发,操控NAND Flash完结数据存储，操控内部USB设备操控器完结与PC之间的数据传输，然后完结体系的基本功能，一同确保了体系在体积、功耗、功能上的最优化。
2.1 前端数据收集电路
数据收集电路由应变元件和桥电路两部分组成。选用精度很高的应变元件制成的杂乱传感器来丈量形变，应变元件被放置在需求丈量的基体之上，当基体受力发生应力改变时，应变元件会随基体改变发生相应的物理形变，该形变会导致应变元件的阻值发生相应改变。经过惠斯通桥电路将应变元件阻值的改变转化成电压的改变。由于应变片张贴往后会存在阻值上的差错，而且别的3个桥臂电阻阻值存在差错，故惠斯通桥电路在丈量开端前很难确保准确平衡，本体系在桥电路中参加数字电位器，经过程序操控，确保电桥在丈量开端前零点准确平衡而且在丈量过程中不呈现零漂。前端收集电路如图2所示。
2.2 信号调度电路
经由桥电路收集输出的信号具有较小的差模信号(几毫伏)和较大的共模信号(几伏)，需求扩大电路具有很高的共模抑制比、高增益、低噪声和高输入阻抗[2]。本体系选用ADI公司的AD8221外表扩大器来扩大桥电路的输出信号。AD8221是一款增益可编程的高功能外表扩大器，低电压失调、低失调漂移、低增益漂移、高增益精度和高共模抑制比特性，使AD8221成为桥式信号调度的绝佳挑选。AD8221选用±5 V供电，经过一只外部电阻设置增益(1~1 000)，参阅电压VREF由双通道Rail-to-Rail扩大器AD8032准确供给。图3中电容C318起到旁路电压噪声、进步电路的抗搅扰功能效果。经过增益和VERF的调理，可将AD8221的输出电压操控在0~3.3 V之间，满意ADC输入电压规模。图中输出端的电阻R504、R508和%&&&&&%C504、C510组成RC滤波电路，可滤除高频搅扰信号。
2.3 RF发射和接纳模块
CC1101是Chipcon公司一款高性价比单片UHF收发器，为低功耗无线电运用而规划。具有体积小、接纳灵敏度高、传输速度快、作业电压规模宽、功耗低及输出功率高级特色，一同具有杰出的数据包处理才能、主动的前向纠错、CRC校验、交错以及白化等功能[3]。
RF电路对电源噪声搅扰十分灵敏，尤其是高次谐波和电压毛刺，当搅扰严峻时可导致 RF器材无法正常作业。因而，本体系对RF收发电路独自制版，并用金属罩对其进行电磁屏蔽，一同电源部分加上耦合电路，以确保RF收发模块牢靠作业。RF发射和接纳模块如图4所示。CC1101与LPC1768之间的通讯选用SPI总线接口完结，CSN(片选)、SCLK(串行时钟)、SO(串行输出)、SI(串行输入)别离与LPC1768的P0.6、P0.7、P0.8和P0.9引脚相连。LPC1768作为主机，CC1101作为从机挂接在SPI总线上，LPC1768经过SPI接口对CC1101进行装备和数据交互。别的，GDO0引脚与LPC1768的P0.4引脚相连，用于指示是否已完整地接纳或发送了一个数据包，它可作为LPC1768的外部中止源信号。C607、C608、C609、L600和L601组成了一个非平衡变压器，用于在差分信号和单端RF信号之间进行电平转化，C613、C615、C616、L602和L603组成了一个LC滤波器，它与非平衡变压器一同完结与50 Ω的天线相匹。
2.4 数据存储和传输
本体系的数据存储模块规划选用三星公司的K9NBG08U5A NandFlash芯片完结。容量为2 GB,读写速度极快；I/O引脚为地址、数据、指令总线复用；内部为每一页留有剩余字节空间,可用作ECC校验数据的寄存[4]。
由于USB具有热插拔、传输速度快和携带方便等长处,十分合适用于嵌入式体系中。本体系选用LPC1768内嵌的USB2.0全速设备操控器,以DMA办法完结和PC机之间数据的传输。
3 体系的软件规划
体系软件选用模块化规划，依据不同的功能模块规划相应的软件，这样体系有很好的裁剪性。每个模块软件驱动分为底层驱动和接口运用，整个下位机软件选用前后台体系完结[5]。
3.1数据收集端软件规划
数据收集端软件首要完结扭矩收集，通讯时需注意A/D采样速率和CC1101发送速率的匹配。CC1101以包为单位收发数据，当TX FIFO中装满64 bit的数据后，CC1101将主动对数据进行打包并发送，经试验测得本体系CC1101完结一次数据发送需近2 ms的时刻，所以要求在2 ms时刻内将A/D收集的数据存入CC1101的TX FIFO中，以便实时发送。经过定时器每隔0.25 ms发生一次中止（然后完结4 kHz的采样频率），相关中止服务程序会调用A/D采样函数进行4路通道采样，由于每一路模拟信号被量化为12 bit，所以用2 B存储一路的采样成果，则每2 ms取得64 bit(正好是CC1101的TX FIFO巨细)数据送入CC1101的TX FIFO进行发送，然后完结了A/D采样速率和CC1101发送速率的最佳匹配。数据收集端软件流程如图5所示。
3.2数据接纳端软件规划
设备与PC机的通讯选用自定义的帧传输办法，指令帧经过LPC1768内部USB设备操控器的逻辑端点1进行传输，数据帧经过逻辑端点2进行传输。接纳端每隔2 ms接纳一次收集端传来的64 B数据并将其存入外部存储器中，假如接纳到PC机发送来的数据读取帧，则实时地将数据经过USB接口传入PC机，假如接纳到PC机发送来的读取中止帧，则中止向PC传数。数据接纳端软件流程如图6所示。
4 测验成果与剖析
运用本体系对某型轿车发动机的传动轴在不同工况和转速的条件下进行动态监测，测验成果如图7、图8所示。在工况1和工况2中，跟着发动机转速添加，输出扭矩增大，别离在3 500 r/m和3 000 r/m时到达最大，随后输出扭矩敏捷减小，阐明传动轴在滚动过程中存在显着的共振现象，需求对其结构进行改进。
本体系成功处理了某型轿车发动机传动轴的扭振测验难题。实践测验成果证明该体系的规划思路和办法是成功的。本体系以要害传动设备为研讨目标，其办法、原理和技能可扩展到旋转机械、往复机械等设备的毛病预告，具有宽广的运用远景。
