为从业工程师揭秘 VOYAGER4 振动监测器的核心要点

对于驱动各种应用中的基本工作流程来说，从自动化到工业系统，电机是不可或缺的设备。电机的任何故障或性能下降都可能导致不必要的停机，这会影响工厂的生产效率，造成生产商供应链的严重延误和中断并给公司带来巨大损失。除了损失时间和金钱外，意外停机还会损害制造商的市场形象。

因此，为确保电机在系统的整个生命周期内正确地发挥作用，必须在采用电机的系统中持续监控这些机器的运行状况和性能。这种对机器进行预测性维护可最大限度地减少故障，提高可靠性，并提升工厂的生产率。所有这些意味着能为公司节省大量资金。

虽然有多种旋转机械参数需要监控，但振动是检查和确定旋转机械健康状况所需的最重要和最有用的特征。振动是一个关键的预测性变量，可用于监测和检测旋转机械的潜在故障，如软底座、轴承和其他类似问题。虽然监测振动并不困难，但收集数据和有意义地报告数据并非易事。为此，需要进行数据分析、新颖的算法和无线连接。

监测电机振动

针对这种应用，Analog Devices, Inc (ADI) 利用微机电系统 (MEMS) 加速计检测技术，开发出一种无线振动监测传感器。MEMS 传感器因其体积小、功耗低以及高达 8 kHz 的宽频率响应能力而广受认可，成为各种工业旋转机械的首选技术。

ADI 的新一代 MEMS 传感器名为 VOYAGER4，专为在机器人和工业应用中进行基于状态的监控 (CbM) 而设计，它采用了边缘人工智能 (AI)，可在传感器层面进行更智能的数据分析。事实上，这款传感器一个完整的解决方案，包括配套集成电路、元器件和其他器件，如加速计、处理器和电源管理集成电路 (PMIC)（图 1）。

图 1：完整的 VOYAGER4 系统框图。 (图片来源：Analog Devices, Inc.）

VOYAGER4 评估套件

为了简化工程师对无线状态监测系统的理解，ADI 推出了 VOYAGER4 无线振动监测器评估套件 EV-CBM-VOYAGER4-1Z。该套件提供了一个完整的低功耗振动监测平台，使工程师能够为电机或类似测试装置快速部署无线监测解决方案。该套件包括：

• 在边缘侧实现智能、更智能且安全的决策
• 在边缘做决策的人工智能算法
• 机械安装和高达 8 kHz 带宽的测量能力
• 3 轴超低功耗、超低噪音 MEMS 加速计技术
• 超低功耗微控制器、低功耗且功能强大的低功耗蓝牙 (BLE) 技术

该套件的印刷电路板 (PCB) 上安装了 ADI IC 和其他组件（图 2），具体包括 ADXL382 和 ADXL367 三轴数字输出 MEMS 传感器、BLE MAX32666、MAX78000 AI 微控制器、PMIC MAX20335 以及功率器件 MAX17262 和 MAX38642。已装配好的印刷电路板垂直安装在铝制底座上，电池连接在支座上。该装配好的 PCB 垂直安装在铝底座上，电池则固定在一个支座上。底座上还有一个 M6 螺纹孔，用于将螺柱安装到电机外壳上。然后，整个装置被封装在一个直径 46 mm、高 77 mm 的铝制外壳中。

图 2：EV-CBM-VOYAGER4-1Z 的铝底座上已装配好的印刷电路板。(图片来源：Analog Devices, Inc.）

为了避免对 BLE 连接的天线形成屏蔽，外壳使用了 ABS 塑料盖（图 3）。这是一种坚固耐用的非金属材料，无线电信号能轻松穿过且造成的干扰最小。

图 3：VOYAGER4 传感器装置的机械组件及铝外壳和 ABS 塑料盖（图片来源：Analog Devices, Inc.）

通过模态分析，ADI 工程师设计出了一个坚固的机械外壳，使 VOYAGER4 传感器能够从待测电机或旋转机器中精确地获取敏感的振动数据。为此，该平台采用边缘 AI 算法来检测电机的异常情况，并触发机器的诊断和维护请求。不过，在软件开始诊断之前，需要使用 16 位 8 kHz 三轴 MEMS 加速计传感器 ADXL382 来采集振动数据。然后使用 MAX78000 AI 处理器处理收集到的原始振动数据。如果 AI 算法检测到故障或怀疑振动数据有误，系统就会通过 MAX32666 无线 BLE 无线电向用户发送振动异常警报。

传感器系统的运行

从原理上讲，VOYAGER4 传感器系统以明确的方法处理初始振动数据（图 4）。如图所示，MEMS 传感器收集的原始数据通过路径 (a) 到达 BLE 处理器。不过，在通过 BLE 无线电，或通过使用 FT234XD-R USB 至基本串行 UART 接口 IC 的 USB 连接发送给用户之前，这些 MEMS 数据会通过路径 (b) 先发送给带有边缘 AI 的处理器，以预测故障机器数据。如果 AI 算法预测振动数据有问题或可疑，系统会使用路径 (c) 通过 BLE 无线电向用户发出有关异常数据的警报。如果预测到故障或无异常，VOYAGER4 系统会使用路径 (d) 将 MEMS 传感器置于休眠模式，并使其在下一次检测事件发生前一直保持该模式。

图 4：VOYAGER4 系统的工作原理。 （图片来源：Analog Devices, Inc.）

该系统使用两个 MEMS 加速计是有原因的。当高性能 ADXL382 MEMS 加速计用于采集振动数据时，超低功耗、14 位、100 Hz ADXL367 可用于在发生重大振动或冲击事件时将 BLE 无线电设备从深度睡眠模式下唤醒。该唤醒设备的功耗仅为 180 nA，可大大节省电能，延长电池寿命。同时，MEMS 原始振动数据通过 ADG1634BCPZ-REEL7 单刀双掷 (SPDT) 模拟开关传输到 MAX32666 BLE 无线电或 MAX78000 AI 微控制器。该模拟开关由 BLE 微控制器控制。

与 MAX32666 BLE 微控制器连接的其他外设包括 MAX17262 多电池电量计 IC、MAX3207EAUT+T 瞬态电压抑制 (TVS) 二极管阵列和 DS28C40ATB/VY+T 安全验证器。锂离子电量测量 IC 采用 Maxim ModelGauge m5 EZ 算法来监测电池电流，而低输入电容 TVS 二极管阵列则基于人体和气隙模型提供 ±15 kV ESD 保护。同样地，在数据完整性方面，该安全认证器提供了一套核心加密工具，这些工具源自集成的非对称 (ECC-P256) 和对称 (SHA-256) 安全功能。

管理功耗和电池寿命

为了最大限度地降低功耗，VOYAGER4 可根据 BLE 微控制器和边缘 AI 处理器的运行模式智能地管理板载 PMIC 的运行。实质上，BLE 微控制器会针对不同的 VOYAGER4 工作模式启用或禁用 MAX20335 PMIC 的各个输出。该 IC 集成了两个超低静态电流降压稳压器、三个超低静态电流低压差 (LDO) 线性稳压器（图 5）。通过 PMIC 的 I²C 接口，可设定每个输出电压的值。如果需要额外的电源，该套件还提供了 MAX38642AELT+T 可调节单输出正压降压稳压器，用于提供高达 350 mA 的电流。

图 5：MAX20335 的框图。(图片来源：Analog Devices, Inc.）

为了将功耗降至最低，VOYAGER4 传感器可根据 BLE 和 AI 工作模式，在激活和非激活状态之间调节其电源模式。例如在训练模式下，BLE MCU 必须首先在 BLE 网络中广播其存在，并通过 BLE 连接网络管理设备。然后，Voyager4 通过 BLE 网络将 ADXL382 MEMS 的原始数据传输至用户 PC，用于训练 AI 算法。在正常 AI 模式下，BLE 无线电的广告、连接和流媒体功能默认为禁用。与此同时，MAX78000 会定期唤醒并运行 AI 推理。如果没有检测到异常，VOYAGER4 将返回深度睡眠模式（图 6）。

图 6：VOYAGER4 传感器的平均功耗与事件的时间间隔之间的关系。(图片来源：Analog Devices, Inc.）

图 6 显示，当传感器不通过 BLE 无线电传输原始数据时，其功耗降低高达 50%。在训练模式下，当 BLE 无线电处于活动状态时，每小时进行一次广告、连接和数据传输所需的功率大约 0.65 mW。当传感器以正常 AI 模式运行时，即使传感器每小时激活一次，系统功耗也仅为 0.3 mW。数据分析显示，单节 1,500 mAh 电池的功耗为 0.3 mW，工作期限为两年。不过，使用两节 2.6 Ah 标准 AA 电池可将电池寿命延长至 7 年左右。如果持续时间较长，建议使用具有低基极电流和周期性脉冲的电池。

VOYAGER4 的 GUI 和固件

VOYAGER 图形用户界面 (GUI) 是用 Python 语言编写的，采用了 bleak、asyncio 和 Tkinter 等关键库，以实现通过 BLE 无线电连接 VOYAGER4 传感器的交互式界面。

VOYAGER4 评估套件包括两个微控制器和几个外围设备，包括传感器、PMIC、闪存和通信接口。ADI 提供了各种工具，用于开发控制主机和与主机通信所需的代码。例如，工程师可以利用 CodeFusion IDE 进行整体嵌入式开发，利用 VOYAGER SDK 进行 AI 应用部署。具体而言，对于 MAX32666 和 MAX78000 微控制器，可利用开发人员专用资源对这些器件进行编程。

结语

ADI 的无线振动监测传感器 VOYAGER4 是一种有效的工具，可对机器人电机和工业系统中的其他旋转机器进行基于状态的监测。ADI 的评估套件为快速部署无线振动监测系统提供了一个完整的低功耗平台，使工程师能够了解和应用 MEMS 传感器。