李品

（石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

高速公路機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)營質(zhì)量直接影響高速公路服務(wù)質(zhì)量，因此，隨著我國高速公路通車?yán)锍滩粩嘣黾?，提升機(jī)電設(shè)備可靠性是增強(qiáng)高速公路運(yùn)營水平的必要條件，而機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是保障其有效的重要環(huán)節(jié)，本文以溫濕度、振動(dòng)和電壓作為監(jiān)測(cè)參數(shù)，分析了采集各個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)樣本的方法，以期為同行參考借鑒。

一、監(jiān)測(cè)參數(shù)與采樣方案分析

（一）電壓參數(shù)

當(dāng)前，我國高速公路照明系統(tǒng)中的問題多出現(xiàn)于控制回路中，因此本文面向隧道配電回路開展電壓采樣，使用ATT7022通用三相交流電采集卡，采集有電壓值及功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。采集卡基于電源、采集對(duì)象的電壓和電源阻抗關(guān)系，能夠快速計(jì)算隧道配電回路工作負(fù)載數(shù)量，從而有效監(jiān)測(cè)各個(gè)照明回路運(yùn)作情況。

（二）振動(dòng)參數(shù)

面向風(fēng)機(jī)開展振動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)約有10Hz～10KHz的振動(dòng)頻率，因此風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)在該區(qū)間范圍內(nèi)有最大的振動(dòng)幅度，且在技術(shù)層面也比較容易監(jiān)測(cè)，進(jìn)而判斷風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)。為確保振動(dòng)采樣接口有跟節(jié)點(diǎn)其他接口一致的情況，保證硬件使用的可靠性，振動(dòng)采樣時(shí)，首先需要使用振動(dòng)傳感器采集模擬信號(hào)，再使用PCF8591芯片轉(zhuǎn)換A/D，并基于I2C接口讀取所得數(shù)據(jù)。在預(yù)處理振動(dòng)信號(hào)時(shí)，所得數(shù)據(jù)中的振動(dòng)分量可使用FFT變換提取，將重點(diǎn)振動(dòng)分量看做預(yù)處理結(jié)果。

（三）濕度、溫度參數(shù)

需基于設(shè)備類型、測(cè)量范圍和精度等角度，并結(jié)合節(jié)點(diǎn)通用性考慮濕度和溫度的測(cè)量過程。本文所討論系統(tǒng)中使用的是SM1910 B型傳感器，測(cè)量測(cè)溫范圍較為寬泛約為-40°C～124°C，測(cè)量相對(duì)濕度的范圍約為0RH～100RH，且抗震性能和測(cè)量精度均有效符合測(cè)量要求。

二、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)化

（一）硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器、接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊共同組成監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換后，即可得到數(shù)字信號(hào)，再將信號(hào)通過I2C接口轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA開展預(yù)處理，即可確保以太網(wǎng)接口和SPI接口功能充分發(fā)揮作用，有效保障系統(tǒng)集成度和可靠性。

濕溫度緩存單元、電壓緩存單元和振動(dòng)數(shù)據(jù)緩存單元共同構(gòu)成了FPGA數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中的各項(xiàng)緩存單元均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，各FIFO依次采集各測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所采集數(shù)據(jù)通過分復(fù)用控制器即可保存到外部?jī)?chǔ)存器中。顯示、存儲(chǔ)及通信等主要由FPGA執(zhí)行。FPGA系統(tǒng)板對(duì)應(yīng)每一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，且有唯一的IP地址與其對(duì)應(yīng)，基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接通信網(wǎng)絡(luò)。

（二）軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

使用NIOS II嵌入式處理器作為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的操作平臺(tái)，其功能主要包含采集數(shù)據(jù)、預(yù)處理和接口等。在啟動(dòng)NIOS II系統(tǒng)后，采集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)會(huì)初始化FPGA電路，并采集溫濕度、電壓和振動(dòng)數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包被FPGA采集并結(jié)束融合后，則會(huì)中斷并聯(lián)系預(yù)處理模塊讀取該數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，即可由網(wǎng)絡(luò)通信和SPI接口兩個(gè)模塊共同打包最后輸出。在網(wǎng)絡(luò)通信模塊中，將DM9000芯片控制寄存器配置到FGPA中，保持其工作狀態(tài)，并形成獨(dú)有的IP和MAC地址，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)的傳輸。

（三）FPGA嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建

在主控電路中安裝嵌入式鎖相環(huán)，為CPU提供100MHz的穩(wěn)定時(shí)鐘，并將其他硬件資源連接到CPU接口中。配置NIOS II處理器和接口時(shí)，嵌入式處理器由SOPC Bulider軟件配置，確保其具有儲(chǔ)存、定時(shí)中斷等必要功能。設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)時(shí)，主控流程、接口協(xié)議及預(yù)處理數(shù)據(jù)等軟件均由NIOS II EDS平臺(tái)設(shè)計(jì)，且采用C語言編寫程序，確保其執(zhí)行力高效。

本文所用系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試和下載不同于傳統(tǒng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)需使用Quartus II軟件編譯，并將結(jié)果保存到FPGA中開展相應(yīng)的配置設(shè)置，以得到硬件設(shè)計(jì)的最終電路；最后，還需基于該硬件電路在FLASH芯片中保存NIOS II EDS軟件調(diào)試的代碼，以在該硬件的電路中執(zhí)行。

（四）采樣控制電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)基于FPGA設(shè)計(jì)采樣控制電路，相關(guān)控制模塊功能使用硬件描述語言設(shè)計(jì)，以確保各自間工作的開展可協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。各模塊設(shè)計(jì)方案如下：

1.I2C通信模塊

傳感器中得到的數(shù)據(jù)和送達(dá)FPGA的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)都將基于I2C通信協(xié)議傳輸。在運(yùn)行系統(tǒng)前，傳感器和FPGA系統(tǒng)板寄存器必須經(jīng)過接口配置，具體設(shè)計(jì)測(cè)試成果如圖1所示。數(shù)據(jù)經(jīng)過RESETn和STARTn后將被傳輸至寄存器中，從測(cè)試波形來看，數(shù)據(jù)傳輸基于協(xié)議正常運(yùn)行。

圖1 I2C控制模塊測(cè)試結(jié)果

2.FIFO存儲(chǔ)器模塊

由于FPGA通信接口與傳感器數(shù)據(jù)傳輸速率不同，為使兩者的傳輸速率相匹配，必須將FIFO存儲(chǔ)器添加到兩者中。此外，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器還可將數(shù)據(jù)來源提給時(shí)分復(fù)用控制模塊，該模塊的測(cè)試如圖2所示。

圖2 FIFO存儲(chǔ)器模塊測(cè)試結(jié)果

從結(jié)果可知，該電路與預(yù)計(jì)目標(biāo)的邏輯功能一致，但考慮到100MHz以上時(shí)鐘頻率會(huì)導(dǎo)致芯片延遲，進(jìn)而破壞所設(shè)計(jì)電路邏輯，推薦使用50MHz以下的時(shí)鐘頻率。

3.時(shí)分復(fù)用模塊

因振動(dòng)傳感器有較高的采樣頻率，因此在時(shí)分復(fù)用模塊里根據(jù)順序讀取1024個(gè)datain-a、1個(gè)datain-b、1個(gè)datain-c，并將所得數(shù)據(jù)合并。所得測(cè)試結(jié)果說明，通過時(shí)分復(fù)用使該模塊能夠成功融合三部分?jǐn)?shù)據(jù)。

（五）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

為確保現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)可有效反映出采樣節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，本文以某高速公路隧道PLC控制箱為研究對(duì)象開展測(cè)量工作。針對(duì)控制箱內(nèi)溫濕度、電壓及振動(dòng)情況，使用安裝傳感器的方式開展檢測(cè)。從結(jié)果來看，節(jié)點(diǎn)所處地點(diǎn)可通過采樣節(jié)點(diǎn)有效檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，并可有效保存所得數(shù)據(jù)或?qū)⑺脭?shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

三、結(jié)語

本文針對(duì)當(dāng)前高速公路機(jī)電設(shè)備中缺乏狀態(tài)監(jiān)測(cè)的情況，基于運(yùn)行環(huán)境的角度，從機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的各監(jiān)測(cè)參數(shù)入手，制定采樣和數(shù)據(jù)融合方法，通過FPGA硬件和NIOS II軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣模塊，監(jiān)測(cè)結(jié)果與預(yù)期相符，可有效采集機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)。