一种非接触式的球磨机旋转筒体振动信号采集系统

摘要

本公开揭示了一种非接触式的球磨机旋转筒体振动信号采集系统，所述系统包括信号采集模块、信号调理模块、AD数据采集模块、处理器模块和无线发送模块的数据采集端和包括无线接收模块的接收处理端；在数据采集端使用激光振动传感器来采集球磨机筒体振动信号，将采集的振动信号进行信号调理、AD数据采集和傅里叶变换相关处理后，通过无线发送模块发送，再通过无线接收模块进行接收。本公开通过使用激光振动传感器克服直接安装在球磨机筒壁的传统振动传感器持续供电问题；通过使用无线传输方式进行数据的发送和接收，不仅满足数据实时处理的需求，而且提高了装置系统的可移动性和多用性。

说明书

技术领域

本公开涉及球磨机负荷检测系统及技术领域，特别是一种非接触式的球磨机 旋转筒体振动信号采集系统。

背景技术

球磨机是一种高能耗、应用广泛的大型旋转设备，磨机负荷是磨矿过程优化 控制和优化运行的关键设备参数。通常采用安装在球磨机轴承座上振动信号间接 测量磨机负荷大小。近几年由于具有较高灵敏度和较强抗干扰性的球磨机筒体振 动信号蕴含大量反映球磨机负荷运行状态变化的信息，常被用于改进球磨机负荷 状态识别和参数监测精度。然而，由于运行过程中球磨机筒体处于不断旋转状态， 筒壁上振动信号的获取存在安装维护困难，还涉及振动采集装置系统的持续供电 以及振动信号无线传输问题。

发明内容

针对上述部分问题，本公开提供了一种非接触式的球磨机旋转筒体振动信号 采集系统，所述系统包括数据采集端和接收处理端；其中：

所述数据采集端包括信号采集模块、信号调理模块、AD数据采集模块、处 理器模块和无线发送模块；其中：

所述信号采集模块用于将采集的信号传输至信号调理模块，所述信号采集模 块包括激光振动传感器，所述激光振动传感器用于采集球磨机旋转筒体的振动信 号；

所述信号调理模块，用于将采集的信号依次进行低通滤波，信号放大和相位 补偿的处理；

所述AD数据采集模块用于对信号调理模块调理后的信号转换为数据，并传 输至处理器模块；

所述处理器模块用于将采集的数据进行信号预处理，并将处理后的数据以无 线方式发送至无线发送模块；

所述无线发送模块包括无线发送器，用于实时发送数据；

所述接收处理端包括无线接收模块；

所述无线接收模块包括无线接收器，所述无线接收器与无线发送器相匹配， 用于实时接收数据。

本公开的信号采集模块使用激光振动传感器，其安装可以脱离筒壁，不用附 着至球磨机表面，进而克服了安装在筒壁的传统振动传感器供电问题；通过无线 方式传输和接收数据，不仅满足数据实时处理的需求，而且提高了系统的可移动 性和多用性。

附图说明

图1本公开一个实施例中传感器位置摆放示意图；

图2本公开一个实施例中系统的模块结构示意图；

图3本公开一个实施例中采用具体元件的系统结构示意图。

具体实施方式

在一个基础的实施例中，提供了一种非接触式的球磨机旋转筒体振动信号采 集系统，所述系统包括数据采集端和接收处理端；其中：

所述数据采集端包括信号采集模块、信号调理模块、AD数据采集模块、处 理器模块和无线发送模块；其中：

所述信号采集模块用于将采集的信号传输至信号调理模块，所述信号采集模 块包括激光振动传感器，所述激光振动传感器用于采集球磨机旋转筒体的振动信 号；

所述信号调理模块，用于将采集的信号依次进行低通滤波，信号放大和相位 补偿的处理；

所述AD数据采集模块用于对信号调理模块调理后的信号转换为数据，并传 输至处理器模块；

所述处理器模块用于将采集的数据进行信号预处理，并将处理后的数据以无 线方式发送至无线发送模块；

所述无线发送模块包括无线发送器，用于实时发送数据；

所述接收处理端包括无线接收模块；

所述无线接收模块包括无线接收器，所述无线接收器与无线发送器相匹配， 用于实时接收数据。

在这个实施例中，鉴于球磨机振动信号的振动频率范围为50KHz～0KHz，而 选择的传感器感知外界信号频率务必大于被采信号的最高频率，因此所述信号采 集模块使用激光振动传感器。由于所述激光振动传感器的安装可以脱离筒壁，不 用附着至球磨机表面，因此克服了安装在筒壁的传统振动传感器供电问题；由于 通过无线方式传输和接收数据，因此不仅满足数据实时处理的需求，而且提高了 装置系统的可移动性和多用性。如图1所示，将激光传感器支架放置在上图的 P1，P2，P3，P4位置分别在箭头拐角处的点放置传感器分别照射至A，B，C，D 四点于桶壁上。数据进行4路轮回采样，可以对某一路进行单独处理，也可以将 4路数据合成一路，即分辨率提升4倍。优选的，所述激光振动传感器为单点激 光测振ZLDS100/HS，其测量频率最大可以达到150KHz，完全在磨机振动频率范 围之内。

在一个实施例中，将所述处理器模块设计为包括单片机控制器和DSP处理器 的模块，其中：

所述单片机控制器用于发出控制信号；

所述DSP处理器用于进行数据中转、傅里叶频谱变换，以及控制AD数据采 集模块进行数据采样，控制无线发送模块进行数据传输。

在这个实施例中，所述单片机控制器用于发出控制信号，用于对整个装置系 统进行控制，能够通过SMBus(SystemManagementBus，系统管理总线)发送指 令到DSP处理器。其中，所述控制信号包括开启设备，关闭设备，开始无线传输 数据，进行频谱变换，复位等信号。优选的，为了显示状态，所述单片机控制器 可以配有一个LCD显示屏，用于显示当前控制状态。所述DSP处理器将采集的数 据用于信号预处理，包含粗大噪声剔除、数字滤波和频谱变换等，用户可通过对 单片机控制器的操作，决定DSP处理器将原始数据还是变换后的频谱数据通过无 线发送模块发送到到接收处理端。例如，当单片机控制器传输一个开启传输的命 令，DSP处理器立即开始控制无线装置模块进行数据传输。

优选的，所述DSP处理器的滤波采用软件滤波的低通滤波器实现；

所述低通滤波器通过MATLAB仿真确定系数，其中：设定通带边缘频率10kHz， 阻带边缘频率22kHz，阻带衰减75dB，采样频率50kHz。

在一个实施例中，所述低通滤波器根据MATLAB仿真确定其系数，其中：设 定通带边缘频率50kHz，阻带边缘频率62kHz，阻带衰减75dB，采样频率100kHz， 则可以得到：

(1)过渡带宽度＝阻带边缘频率-通带边缘频率＝62-50＝12kHz

(2)采样频率：

F1＝通带边缘频率+(过渡带宽度)/2＝50000+12000/2＝56kHz

Ω1＝2πf1/fs＝1.12π

(3)理想低通滤波器脉冲响应：

h1[n]＝sin(nΩ1)/n/π＝sin(1.12πn)/n/π

根据要求，选择凯瑟(Kaiser)窗，窗函数长度为：

N＝5.98fs/过渡带宽度＝5.98*100/56＝10.7

选择N＝11，窗函数为：

w[n]＝0.42+0.5cos(2πn/11)+0.8cos(4πn/11)

则滤波器脉冲响应为：

h[n]＝h1[n]w[n]|n|≤11

h[n]＝0|n|＞11

进一步地，所述无线发送模块和无线接收模块之间的无线传输的最高速率不 能低于0.78M/s。

由于采集的为时域的信号，激光振动传感器、AD转换模块和处理器模块都 有各自的要求，为了达到指标务必要选择一个合理的数据采集量。在将模拟量转 换成数字量的过程中，务必要遵循奈奎斯特时域采样定理。设定信号的最高频率 为100KHz，则需要以至少200KHz的速率进行采样，为了达到一定的精度，以4 倍的速率进行采样，则为400KHz，因此采样两个点之间的时间为：

$Ts=\frac{1}{fs}=\frac{1}{400000Hz}=2.5\times {10}^{-6}s=2.5us$

在1s内采样400000个数，每个数共16bit，则1s的数据量为：

N＝400000×16bit＝6.4×10⁶bit

所以，需要的速度V为：

V＝6400Kbps＝800KBps＝0.78MB/s

所以，无线传输的最高速率不能低于0.78M/s。

优选的，所述DSP处理器为TMS320F28335，用于完成所有的数据处理和功 能协调，其为所述装置系统的核心，是数据的中转站，能够识别主控的命令，并 且将数据采集模块与无线发送模块无缝地连接起来。该型号的处理器该DSP芯片 采用超长指令字哈佛流水线结构，在这种架构中，单个周期时间内可以实现多条 指令，而每个指令所实现的任务比一般处理器要少，因此哈佛流水线结构加上优 秀的指令集使DSP在指令执行方面获得了优越性。其次，就是DSP的时钟速率， 可以倍频到外部晶振的32倍，其处理速度完全满足本装置系统的使用。

但由于TMS320F28335内部的ADC转换速率比较低，采样频率仅仅21.5KHz， 所以只能采样一些频率比较低的信号，进而无法满足本公开装置系统的要求。因 此，采用扩展ADC芯片的方式来进行数据信号的采集。

优选的，所述TMS320F28335与无线发送模块之间使用SPI协议进行数据传 输。TMS320F28335提供了SPI外设模块，通过配置寄存器即可完成对于SPI外 设备的操作。在TMS320F28335为核心的处理器与无线发送模块在数据交换时， 设定TMS320F28335为核心的处理器为主设备，设定无线发送模块的RF24L01+芯 片为从设备，这样TMS320F28335在数据传输时候的将提供脉冲信号直至这一轮 传输结束。

优选的，所述TMS320F28335使用XINTF2区作为扩展内存；

所述TMS320F28335的地址线分别与XINTF接口的XA0-XA18相连，数据线的 D0-D17与XINTF接口的数据线相连；

所述TMS320F28335的XZZCS2引脚与XINTF接口的片选信号相连。

在这个优选方式中，由于TMS320F28335中具有128K*16位的FLASH空间， 当程序代码大于这个长度的时候就不满足这个大小了。通过XINTF接口来外扩 FLASH。TMS320F28335有19根地址线和16根数据线。将XA0～XA18分别接到 TMS320F28335对应的地址线上。同样原理将，数据线也接到TMS320F28335的 D0～D17位置上，代表数据线相连。片选信号F_CS和TMS320F28335的XZZCS2引 脚相连。因为扩展内存是用XINTF2区，该内存的起始地址是0x80000。

进一步地，所述AD数据采集模块包括A/D转换器，所述A/D转换器使用 AD7606的16位8路AD同步采样模数转换器。选择AD7606的一个好处是由于 AD7606采用1MΩ的阻抗，且激光传感器的模拟数据量各项要求基本可以与 AD7606进行对接，为了节约成本，采用软件滤波的方式，可以不需要调理电路 模块。

优选的，所述AD7606选用并行数据传输方式；

所述AD7606使用1个5V电源，所述电源连接到AD7606的VCC引脚上；

在所述AD7606的电源接入端加入电感和电容LC型网络形成的低通滤波器。

在这个优选方式中，由于AD7606芯片对于电源要求质量比较高，在转换器 件会中出现尖锐噪声，因此在电源优化上加入电感和电容LC型网络形成的低通 滤波器，滤除供电噪声信号。

基于AD数据采集模块和DSP处理器的选型，在一个实施例中，提供了AD数 据采集模块和DSP处理器的连接方式，即所述AD7606和TMS320F28335的接口方 式为：

将AD7606的PAR/SET/BYTE引脚和DB15引脚接低电平设置为并行接口；

将AD7606的DB0-DB15接TMS320F28335的D0-D15数据总线的引脚；

将TMS320F28335的GPI00-GPIO7口接标准CS，RD，BUSY，CONVST，进而通 过控制CONVST信号启动AD7606芯片让其转换模拟量，从而通过CS和RD信号， 将转换结果输出到数据总线上。

在一个实施例中，所述单片机控制器为MSP430F149单片机。其处理能力强、 运算速度快、超低功耗和片上资源丰富等特点。

在一个实施例中，使用MSP430F149单片机和TMS320F28335处理器组成了双 CPU结构的处理器模块。

优选的，所述单片机控制器通过USB或圆头变压器供电，并通过稳压芯片 LM7805和LM1117得到5V和3.3V的稳定直流电；且所述电源通过利用3.3V电 压接地时，MSP430F149的58引脚检测到的低电平实现复位；所述上位机采用8MHz 的晶振，并配有两个30pF的起振电容来提供基时钟。

在一个实施例中，所述无线发送模块和无线接收模块采用工作在 2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。所述单片无线收发器芯片的 型号优选为RF24L01+型号的射频收发芯片，其输入输出使用的是SPI(Serial PeripheralInterface)高速串行接口协议，传输方便，编程相对简单，并且 RF24L01+最高速度可达2Mbps，传输距离可达1500m。

在一个实施例中，采用了具有如图2所示的装置系统模块结构示意图的系 统。该实施例中不同于基础实施例的地方在于，所述系统中的无线接收模块在接 收数据后，通过USB模块将数据传给了上位机，以便进行进一步处理。

无线发送模块通过SPI接口的MISO和MOSI两条数据线、CLK信号线和EN 使能信号线，共4条线与DSP处理器模块相连，接收DSP处理器发送过来的数据。 无线接收模块经过SPI接口将接收到的数据传送到USB装置，此时，无线接收模 块的RF24L01+芯片设定为SPI主设备模式工作，而USB设定为SPI的从设备模 式工作。数据在USB模块中先存储起来，在进行协议转换后，通过USB协议将数 据传输至支持USB协议的USB设备中，比如支持USB的上位机。

所述上位机用于提供可视化的用户界面，通过界面上相应按钮，能够与USB 模块中的USB转接板进行通信，进而通过保持命令将接收的数据保存至上位机的 硬盘中。所述上位机还用于数据显示和绘制波形图、频谱图等。所述上位机可以 是PC机、也可能是ARM专业设备，或者平板电脑，甚至可能是一部手机。

在一个实施例中，所述系统的整体结构如图3所示。在该系统中， MSP430F149为整个装置系统的监控设备，通过其提供的LCD液晶显示屏幕显示 当前系统状态；通过通用IO口扫描按键作为人机接口，通过键盘输入如启动ADC、 开始无线传输、输出信号的频域数据等的控制信号。命令通过SMBUS总线协议运 输到TMS320F28335数字信号处理器，等待DSP处理器响应。其中DSP处理器优 选使用TMS320F28335数字信号处理器，负责从SMBUS协议栈中解析命令，并做 出该命令的正确行为。

在激光振动传感器采集到球磨机旋转筒体的振动信号后，发送给信号调理模 块进行信号的依次进行低通滤波，信号放大和相位补偿的处理后，发送给AD7606 采样板进行ADC转换；ADC转换后的数据通过DSP处理器的外部设备连接接口 EMIF，通过数据总线读到DSP的DARAM中，并进行数据预处理和快速傅里叶变换。 待数据转换完毕，触发DMA事件，通过DMA通道将数据运送到McBSP模块。McBSP 被设定为SPI模式，触发无线芯片nRF24L01+的启动，完成通信。

以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实 施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的系统及其核心 思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用 范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。