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1.前言

本應(yīng)用指南旨在幫助開發(fā)者了解羅姆集團(tuán)旗下Kionix公司的KX13x系列三軸加速度傳感器搭載的獨(dú)有功能——高級(jí)數(shù)據(jù)路徑(Advanced Data Path,ADP)。ADP由用戶可定制的頻率濾波器和一個(gè)均方根(RMS)計(jì)算器組成,后者是提供所需帶寬內(nèi)的加速度振幅。X、Y和Z軸的16位ADP輸出可以從專用輸出寄存器中讀取,存儲(chǔ)在512字節(jié)的FIFO緩存中,然后被路由至Wake-Up(喚醒)和Back-to-Sleep(返回睡眠)引擎。通過設(shè)置想要的閾值振幅和計(jì)數(shù)器值,可以針對(duì)特定的動(dòng)作、旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)產(chǎn)生中斷。本文將通過介紹兩個(gè)簡單的示例來直觀地展示該新功能的優(yōu)勢(shì)。

高級(jí)數(shù)據(jù)路徑(ADP)原理示意

現(xiàn)實(shí)世界中的加速度信息(左)由不同頻率和振幅混合而成,KX13x的ADP不僅可以捕獲這些信息,而且能夠輸出指定頻率范圍內(nèi)的加速度振幅(右側(cè)列舉了各種情況示例)。

2.數(shù)據(jù)流

圖2所示的是一張普通數(shù)據(jù)流圖。該圖頂部的第一個(gè)方塊是數(shù)字加速度計(jì)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)路徑(Conventional Data Path,CDP)。CDP包含來自MEMS的模擬輸入、一個(gè)負(fù)責(zé)放大信號(hào)的模擬前端(AFE)、一個(gè)負(fù)責(zé)信號(hào)數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及一個(gè)負(fù)責(zé)進(jìn)一步處理的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)單元。高級(jí)數(shù)據(jù)路徑(ADP)包含一對(duì)高度可配置的數(shù)字濾波器——可用于低通和高通的組合濾波器,以及計(jì)算實(shí)時(shí)振幅的均方根(RMS)計(jì)算器。用戶可以靈活地對(duì)ADP濾波器進(jìn)行訪問并設(shè)置。該濾波器可以設(shè)為Butterworth、Bessel、Chebyshev濾波器,甚至配置成自定義濾波器。ADP的輸出可以存儲(chǔ)在專用輸出寄存器,也可以被路由至內(nèi)置的512字節(jié)FIFO緩存,也可以兩種方式同時(shí)實(shí)現(xiàn)。此外,ADP輸出可以作為一個(gè)輸入路由到內(nèi)置的動(dòng)作Wake-Up(喚醒)和Back-to-Sleep(返回睡眠)引擎。這些引擎可配置閾值和靈活的計(jì)數(shù)器,從而進(jìn)一步限定信號(hào)。如果滿足輸入信號(hào)判定標(biāo)準(zhǔn),那么器件中的中斷發(fā)生器將為主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)物理中斷,并設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)寄存器。圖2所示的是當(dāng)檢測(cè)到“持續(xù)了Th時(shí)間的特定振動(dòng)”時(shí)產(chǎn)生中斷的示例情況。

ADP數(shù)據(jù)流

3.應(yīng)用實(shí)例

3.1.機(jī)器健康狀況

假設(shè)fop為機(jī)械系統(tǒng)(比如旋轉(zhuǎn)電機(jī))的工作頻率,fe為系統(tǒng)的錯(cuò)誤/故障模式頻率(圖3)。在此例中,fe低于fop并且在該圖中顯示,也就是說,由于機(jī)身松動(dòng),電機(jī)正在緩慢振動(dòng)。對(duì)于傳統(tǒng)加速度傳感器,為了檢測(cè)這種故障模式,人們需要用MCU/DSP進(jìn)行頻率分析。而MCU/DSP一直保持工作狀態(tài),會(huì)導(dǎo)致額外的內(nèi)存空間需求以及更高的功耗。

而KX13x的ADP僅使用加速度傳感器就能夠檢測(cè)到這種事件,而且,如果把ADP數(shù)字濾波器設(shè)置為帶通或低通濾波器,讓fe通過而消除fop,還能為主機(jī)MCU產(chǎn)生中斷。

正常系統(tǒng)動(dòng)作和故障系統(tǒng)動(dòng)作的頻率分析

在圖4中,請(qǐng)注意,ADP被配置為低通濾波器以消除fop,而且RMS計(jì)算引擎被配置為獲取所需故障模式信號(hào)的絕對(duì)值。動(dòng)作引擎中的信號(hào)閾值(中間波形)用于限定事件。最后,圖下部的波形顯示了由運(yùn)動(dòng)引擎生成的真實(shí)信號(hào)。檢測(cè)到故障事件后,INS3寄存器中的WUFS位會(huì)被置位,而外部中斷引腳(如果已配置)則產(chǎn)生中斷信號(hào)。

ADP將目標(biāo)信號(hào)從原始加速度數(shù)據(jù)中分離出來,并將振幅信息傳遞給運(yùn)動(dòng)引擎

3.2.包絡(luò)分析

包絡(luò)分析是一種周期性振動(dòng)故障檢測(cè)的有效方法,比如減摩軸承失效。ADP可用于生成加速度數(shù)據(jù)的包絡(luò)線(* 1)。包絡(luò)波形的快速傅里葉變換(FFT)可以顯示振動(dòng)周期,這有助于識(shí)別系統(tǒng)中的缺陷部件。在該例中,ADP濾波器應(yīng)配置為“帶通”:同時(shí)包含振動(dòng)頻率和誤差頻率,排除直流噪聲和高頻噪聲。

(*1)注:ADP輸出是偽包絡(luò),不是希爾伯特變換結(jié)果。

軸承球體故障引起的周期性振動(dòng)

包絡(luò)波形可以存儲(chǔ)在KX13x的512字節(jié)緩沖區(qū)中,也可發(fā)送到主機(jī)處理器進(jìn)行FFT分析。

使用原始加速度數(shù)據(jù)及其包絡(luò)的FFT