基于STM L6362A及STM32F469AI的具有传感器和IO-Link功能的预测性维护套件

预测性维护(PdM)基于来自各种传感器的数据收集,构建可在潜在故障发生之前识别的统计模型。 这种方法可以使用广泛的工具,通常在云中,例如统计分析和机器学习,以跟踪设备的健康趋势。状态监测(CM)是监测各种参数,例如振动或温度,以识别潜在的故障。 这可用于突显问题,允许安排预防性维护以避免发生损坏。连续状态监测技术通常用于压缩机,泵和电动机等设备。 数据收集是监控过程的重要组成部分,有助于确保工业4.0中工厂车间的顺利运行。

STEVAL-BFA001V1B是一款专为状态监测(CM)和预测性维护(PdM)而设计的德具有传感器和IO-Link功能的预测性维护套件可监控环境,声学和振动数据.硬件套件包括工业传感器板(STEVAL-IDP005V1),用于ST-LINK / V2-1编程和调试工,一根工业M12电缆,用于电源或与主端口连接。 使用标准多极电缆管理连接,其中一根电线用于IO-Link数据,一根用于L +线(正电源电压极),另一根用于L-线(负电源电压极)。

STEVAL-IDP005V1专门设计尺寸(50mm x 9mm x 9mm),可反映真实的工业应用和需求。程式包包括用于高级时域和频域信号处理的专用算法,以及具有3 kHz扁平带宽的3D数字加速度计的分析。该软件包包括压力,相对湿度和温度传感器监控的驱动程序。用于声发射(AE)的音频算法也是该包的一部分。程式运行在高性能STM32F469AI,ARM®Cortex®-M4,32位微控制器上,传感器数据分析结果通过基于IO-Link设备收发器的有线连接发送. STEVAL-BFA001V1B参考设计适用于监控电机,泵和风扇,并可加速预测性维护解决方案的开发。该软件包还允许与STEVAL-IDP004V1 IO-Link主控功能的多端口评估板连接;包中包含的PC GUI显示算法输出和传感器数据。通过简单地将STEVAL-IDP005V1通过任何STM32 Nucleo-64开发板上的STEVAL-UKI001V1适配器和ST-LINK / V2-1连接到PC,也可以使用公共终端仿真器在PC上显示数据。程式可在STSW-BFA001V1上免费获得。


硬件设计

电源管理
1. L6984是一款降压型单片开关稳压器,能够提供高达400 mA的DC。输出电压可调范围为0.9V。固定的3.3 V VOUT无需外部电阻分压器。“低功耗模式”(LCM)使轻负载下的效率最大化,并控制输出电压纹波。“低噪声模式”(LNM)使开关频率在负载电流范围内几乎恒定。PGOOD集电极开路输出可在加电阶段实现输出电压排序。同步整流,专为中重负载下的高效率和高开关频率而设计功能使应用程序的大小紧凑。 低侧功率元件上的逐脉冲电流感测实现有效的恒流保护。

2. LDK220是一款低压降稳压器,可提供最大200 mA的输出电流输入电压范围为2.5 V至13.2 V,典型压差为100 mV。 陶瓷电容器将其稳定在输出上。 极低的压降,低静态电流和低噪声使其适合于工业应用。 使能逻辑控制功能使LDK220处于停机模式,从而允许电流消耗低于1μA。 该器件还包括短路恒流限制和热保护。

微控器
STM32F469AI微控制器基于高性能ARM®Cortex®-M432位RISC内核以高达180 MHz的频率运行。 Cortex®-M4内核具有浮点单元(FPU)单精度,支持所有ARM®单精度数据处理指令和数据类型。它也是实现全套DSP指令和一个存储器保护单元(MPU),以增强应用程序安全。该设备集成了高速嵌入式存储器(最大2 MB,最大384 Kb的Flash存储器)。SRAM),高达4 KB的备用SRAM以及与之连接的各种增强型I / O和外设两个APB总线,两个AHB总线和一个32位多AHB总线矩阵。该器件提供了三个12位ADC,两个DAC,一个低功耗RTC,十二个通用16位定时器,其中包括两个用于电机控制的PWM定时器,两个通用32位定时器和一个真正的随机数发生器(RNG)。该微控制器具有以下标准和高级通信接口:
•最多三个I2C。
•六个SPI,两个I2S全双工。为了达到音频等级的精度,可以通过一个专用内部音频PLL或通过外部时钟进行同步。
•四个USART加四个UART。
•一个SAI串行音频接口。STM32F469AI器件在1.7至3.6 V电源的-40至+105°C温度范围内工作。

感测器
1. ISM330DLC是一个系统级封装,具有高性能3D数字加速度计和专为工业4.0应用量身定制的3D数字陀螺仪。ST的MEMS传感器模块系列充分利用了已经用于生产微机械加速度计和陀螺仪。各种传感元件均采用专门的微加工工艺制造,IC接口是使用CMOS技术开发的,可以设计专用电路,修整以更好地匹配传感元件的特性。在ISM330DLC中,加速度计和陀螺仪的传感元件都安装在同一传感器上硅芯片,从而保证了卓越的稳定性和鲁棒性。ISM330DLC的满量程加速度范围为±2 /±4 /±8 /±16 g,角速率范围为±125 /±250 /±500 /±1000 /±2000 dps。以超低功耗(高性能,组合式0.75 mA)提供高精度和稳定性模式),还可以在工业领域中实现持久的电池供电应用。ISM330DLC包括专用的可配置信号处理路径,具有低延迟,低噪声和
专用于控制环路稳定性的专用滤波。可以从该专用信号路径中获取数据通过辅助SPI接口提供,可为陀螺仪和加速度计进行配置。高性能,高质量,小尺寸,低功耗以及对机械的高耐用性震撼性使ISM330DLC成为创建和制造系统的系统设计师的首选
多功能可靠的产品。ISM330DLC采用塑料接地栅格阵列(LGA)封装。STSW-BFA001V1固件包包括应用程序和演示固件支持
加速度计部分。

2. HTS221是用于相对湿度和温度的超紧凑型传感器。 它包括一个感应元件和混合信号ASIC通过数字串行接口提供测量信息传感元件由能够检测相对电压的聚合物电介质平面电容器结构组成湿度变化,并使用专用的ST工艺制造。HTS221采用小型顶帽式接地栅格阵列(HLGA)封装,保证可在以下条件下工作:温度范围为-40°C至+120°C。

3. LPS22HB是一款超紧凑型压阻式绝对压力传感器,可作为数字输出气压计。 该设备包括一个感应元件和一个与之通信的IC接口通过I2C或SPI从传感元件到应用。检测绝对压力的传感元件由使用由ST开发的专用流程。LPS22HB采用全模孔LGA封装(HLGA)。 保证可以在温度范围从-40°C到+85°C。 包装上有孔,以允许外部压力达到感应元件。

4. MP34DT05-A是内置的超紧凑,低功耗,全向数字MEMS麦克风具有电容式感应元件和IC接口。使用专用硅制造能够检测声波的传感元件专门用于生产音频传感器的微机械加工过程。IC接口使用CMOS工艺制造,可以设计能够提供以下功能的专用电路:外部采用PDM格式的数字信号。MP34DT05-A是一款低失真数字麦克风,信噪比为64 dB,-26 dBFS±3 dB灵敏度。MP34DT05-A采用SMD兼容,EMI屏蔽的顶级端口,并保证能够工作在-40°C至+85°C的扩展温度范围内。

IO-LINK 通讯
STEVAL-IDP005V1板在M12 A编码连接器上具有IO-Link连接。IO-Link是用于硬件连接的工业标准。该标准规定:
•总线安装所需的电线数量
•颜色用于区分IO-Link总线的电源电压
•连接器引脚分配。

该标准还建立了两种不同的数据通信方法:
1.具有详细协议结构的纯串行数据通信(SDCI),用于管理传感器参数和传感器数据。
2.从高电平到低电平的简单电平转换,反之亦然,仅表示传感器状态。IO-Link系统的使用具有多个优点,例如:
•IO-Link设备的自动检测和参数设置:设备的操作参数为在设置过程中存储在主机中。连接后,主设备会识别设备并启用自动启动。如果像传感器这样的设备发生故障,则可以对其进行更换,并且将主设备中存储的参数化数据自动下载到替换设备。
•设备监视和诊断:IO-Link允许监视设备组件和系统,以及主动管理。 IO-Link设备提供的诊断功能可让控制系统跟踪数据和趋势,促进预防性和预测性维护并改善机器正常运行时间。
•动态更改:可以在机器运行时为已安装的设备快速调整参数,减少时间消耗。
•降低组件成本:通过利用IO-Link的配置功能,可以配置设备具有不同的输出功能。

L6362A
L6362A是符合PHY2(3线连接)支持的IO-Link收发器设备COM1(4.8 kbaud),COM2(38.4 kbaud)和COM3(230.4 kbaud)模式。 输出级可以配置为高端,低端或通过硬件连接推挽,它可以驱动电阻,电容和电感负载。IC可以使用串行数据通信接口(SDCI)将传感器节点连接到主机基于IO-Link协议和标准I / O模式(SIO)。 使用24 V工业电源管理通讯总线电压。 L6362A的VCC,GND,OUTH,OUTL和I / Q引脚具有反极性保护。IC还具有防止输出短路,过压和快速瞬态条件(±1 kV,500Ω和18μF耦合)。


软件包旨在帮助您基于状态监测开发工业预测性维护解决方案。 网页于下
https://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/evaluation-tool-software/stsw-bfa001v1.html

该软件在STM32F469AI微控制器上运行,并包括用于传感器设备HTS221,LPS25HB,ISM330DLC(仅支持加速度计),MP34DT05-A和M95M01-DF的驱动程序。该软件包将完整的中间件与用于加速度计数据信号处理的算法集成在一起,从而能够在时域和频域中监视旋转设备,例如电动机,泵和风扇,最大加速度计输出数据速率的最大带宽功能(高达ODR / 2 = 3.3kHz)。该软件包包括音频库中间件,以执行声发射分析。您可以通过终端仿真器监视环境,声学和振动数据。该软件带有不同的演示和应用程序,以监视传感器数据和输出算法结果。一种演示是基于可编程阈值的时域和频谱带中的警告和警报情况。该软件包具有IO-Link功能(不包括IO-Link堆栈),并带有与STEVAL-IDP004V1 IO-Link-master-capable多端口评估板进行通信的演示。

主要特色
一组固件示例,用于基于3D数字加速度计,环境和声学MEMS传感器构建状态监控和预测性维护应用程序中间件,包括用于振动分析的高级时域和频域信号处理算法可编程FFT大小(512、1024或2048点),可编程FFT平均和重叠,可编程窗口(平顶,汉宁,汉明),速度RMS移动平均,最大加速度峰值,集成了麦克风算法的中间件,用于:PDM转PCM声压音频,FFT为STM32F469AI开发的固件包,可轻松移植到不同的MCU系列中,通过任何免费的终端仿真器监控PC数据与STEVAL-IDP004V1具备IO-Link-master功能的多端口评估板和专用PC GUI进行通信的示例演示固件

场景应用图

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产品实体图

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