旋转机械内的数据采集系统的无线技术

无线传感器的关键需求是可以放置在工业机械，飞机喷气发动机和风力涡轮发电机等旋转部件上，以执行关键部件的健康监测。无线传感器由于其相对低的成本和功率要求而在旋转机械的状态监测中越来越受欢迎。利用他们的无线连接，数据可以发送到工厂管理网络或推送到云端，可以用来远程监控世界任何地方的关键旋转部件，为工程师提供设备故障的高级警告，并允许他们优化维护安排和减少停机时间。

其他潜在的应用包括可以实时平衡负载的洗衣机，监控热量和控制润滑剂注入的钻头，监控着陆轮轴承摩擦的传感器等等。将无线传感器放在实际的旋转部件上是一项非常重要的任务。虽然功率和信号可以通过一系列简单的电刷和换向器，但是当存在更精确的解决方案时，即使它更复杂，这也不是一个好方法。更重要的是，在制造应用中，机器中存在的磁场可以阻挡无线传感器之间传输的信号。本文着眼于无线技术，允许旋转机器内的低功率传感器和数据采集系统进行无线通信。

更简单更好

蓝牙，Wi-Fi，ZigBee和6LoWPan无线链接都是成熟的技术。它们需要与数字无线电紧密耦合的相当高端的处理器。随着这些技术的发展，越来越多的传感器将内置无线功能和协议。毫无疑问，那些没有集成无线功能的传感器将在外部添加。通常，这些设计需要相当大的堆栈和专用数字无线电电路，并且可以消耗大量功率，尤其是在发现模式中。

旋转部件内部空间狭窄。 100针以上的高端处理器需要晶体，RAM，平衡 - 不平衡转换器，驱动器等，工程师将很难将这些部件安装到旋转机械中。更重要的是，这些高功率的猪不能运行通常用于为远程传感器供电的低水平可收获能源。这意味着需要小型，低功耗，AM，FM，PM和更简单的ISM链路。让我们来看一个说明这一点的应用程序。假设我们正在构建一台数控机床，我们希望监控每个装订夹头的压力，以寻找不平衡并监控切削工具的应力。每个卡盘元件都可以通过磁铁/线对（图1）无线获取电力，并根据传感器数据驱动具有压控振荡器（VCO）的低功率，超短距离RF发射器。低成本接收器使用解码的音调或频率来提取应变和压力信息。解决方案简单，成本低，可靠，体积小

图1：简单的感应式能量收集可以提供足够的功率来偏置驱动VCO的基本模拟传感器。 VCO频率或音调可通过小型低功率AM或FM链路传输，可通过解码将传感器数据提供给微型传感器。虽然这些低成本发射器中的许多可以使用少量晶体管设计IC制造商在制造相当小，阻抗平衡，温度补偿和高度集成的解决方案方面做得更好，这些解决方案可以利用单片基板上固有的晶体管匹配。例如，小型8 -pin Melexis Technologies MLX72013KDC是一款高度集成的专用发送器，适用于425至445 MHz范围（图2）。它使用更简单的ASK/FSK调制技术，可以产生高达40 kbit/s的数据速率。

图2：虽然制作RF只需要几个晶体管发射器，为了更多的PCB空间，可以获得更全面，匹配和温度补偿的解决方案。

通过外部晶体稳定，开路集电极输出可以直接驱动小环形天线，或使用小，用于50欧姆外部或基于PCB的天线的分立式天线匹配网络。由于发射和接收之间的距离可能会有所不同，因此一个特别好的功能是输出功率可调节性，从-14到+11 dBm分四步进行。低至1.95 V的操作也非常适合从旋转感应，压电振动甚至光电池中获取能量。

Melexis和其他公司也生产配套接收器，如MLX71122RLQ，可在ASK，FSK或FM模式下工作实现适度的100 kHz数据速率。可以使用八个预定义的频率范围，或者3线接口允许将您自己想要的频率设置为27到930 MHz。为了最大限度地降低功耗和复杂性，内部使用了经过验证的双转换超外差方法。

Atmel还提供适用于1 GHz以下几种频率范围的小型，低功耗发射器，接收器和收发器。例如，小型8引脚50 kbaud基于ASK或FSK的ATA8403C发送器，用于868至928 MHz操作。这些器件还采用晶体控制，电压低至2.0 V，并结合了PLL和环路滤波器，VCO以及高能效的单端天线驱动器和LNA。由于VCO锁定为64 X，小尺寸和低成本的13.5672或14.2969 MHz外部晶体可分别产生精确的868.3和915 MHz频率。

虽然发射器只能在8.5 mA时输出+5.5 dBm，但可以通过较小的天线使用较少的输出功率建立短而可靠的RF链路。 Atmel还提供了一个有用的带有这些部件的天线布局指南，展示了如何将功率要求与集成放大器相匹配。一些电路板环形天线设计也在应用笔记中有所说明。¹

Maxim在这个领域提供了一个很好的产品，其MAX7044AKA是另一个小型8引脚发送器，依赖于300至450 MHz范围内的ASK调制。简单的开关键控（OOK）在2.1至2.7 V输入范围内支持高达100 kbits/s的数据吞吐量，并且在激活时通常消耗7.7 mA。

一个特别好的功能是自动关闭模式可以放置器件在低功耗模式下，如果数据输入没有切换特定的等待时间。短距离链路的另一个有用功能是通过简单的电阻编程实现可调输出功率电平控制（图3）。

图3：Maxim部分的一个很好的特性是可调节的通过使用电阻进行功率编程。

该部分还提供开漏输出级，可以适应驱动不同的阻抗，如PCB和环形天线。功率控制采用天线匹配网络进行调谐，其理想阻抗为125Ω。

您还应该看看Micrel部件，例如小型1.8至3.6 V 10引脚UHF（300至450 MHz） ASK/FSK变送器 - MICRF112YMM。这是该公司QwikRadio系列的成员，包括发射器，接收器和开发套件，如MICRF112-433评估板。

MICRF112YMM在11 mA时具有高10 dBm输出功率，同时以50 kbaud提供数据在ASK模式下的速率。 FSK模式最高可达10 kbits/s，适用于9，600波特链路。与其他几个部件一样，这些部件具有非常低的元件数量的简单设计（图4）。

图4：这些简单发射器的一个很好的特性是减少了外部元件数量。大多数人将使用晶体来提高稳定性，并使用分立的天线匹配网络来优化性能。另一个选择来自Silicon Labs，其EZ Radio系列包括从119 MHz到近1 GHz的收发器，接收器和发射器，以及数据速率高达1 Mbit/s。

如果空间不是问题

并非每个旋转机器都有空间限制，并且几个通用部件在这里可以很好地发挥作用，特别是作为收发器。通过使链路双向，传感器可以进行调整，校准和调整，以提供更高的精度水平以及卓越的诊断功能。较大尺寸的旋转部件也可为电池提供空间;消除了大量的能量收集要求，并在嘈杂的环境中提供更高的发射功率。

32引脚ADI公司ADF7023收发器等较大的器件可在902至958 MHz ISM频段内提供高达300 kHz的数据速率。较高的发射电流（32 mA，2.2至3.6 V）可能使其无法用于极低能量收集系统，但其12.8 mA的低接收电流使其成为良好的基站部件。

同样，24 ADI公司ADF7012BRUZ-RL等基板部件仅为发射器部件，工作频率范围为75 MHz至1 GHz。这些器件还具有五种不同的调制方案，睡眠时间《0.1μA。虽然灵活，但这类零件需要嵌入式微型，因为它们是通过三线串行接口设置的。 ADI公司为其ASF7xxx ISM收发器提供产品培训模块，可在Digi-Key网站上找到。

总之，无论是应用于真空吸尘器中的调谐风力发电机，还是用于监控三相感应电动机或卫星中的旋转控制器，在实际旋转元件中嵌入传感器提供更好的设备状态和控制数据。本文介绍了几种低成本和低风险的选项，可以为传感器无法过去的地方提供快速可靠的无线电链路。