預測性維護（PdM）基於來自各種傳感器的數據收集，構建可在潛在故障發生之前識別的統計模型。 這種方法可以使用廣泛的工具，通常在雲中，例如統計分析和機器學習，以跟踪設備的健康趨勢。狀態監測（CM）是監測各種參數，例如振動或溫度，以識別潛在的故障。 這可用於突顯問題，允許安排預防性維護以避免發生損壞。連續狀態監測技術通常用於壓縮機，泵和電動機等設備。 數據收集是監控過程的重要組成部分，有助於確保工業4.0中工廠車間的順利運行。
STEVAL-BFA001V1B是一款專為狀態監測（CM）和預測性維護（PdM）而設計的德具有傳感器和IO-Link功能的預測性維護套件可監控環境，聲學和振動數據.硬件套件包括工業傳感器板（STEVAL-IDP005V1），用於ST-LINK / V2-1編程和調試工,一根工業M12電纜，用於電源或與主端口連接。 使用標準多極電纜管理連接，其中一根電線用於IO-Link數據，一根用於L +線（正電源電壓極），另一根用於L-線（負電源電壓極）。
STEVAL-IDP005V1專門設計尺寸（50mm x 9mm x 9mm），可反映真實的工業應用和需求。程式包包括用於高級時域和頻域信號處理的專用算法，以及具有3 kHz扁平帶寬的3D數字加速度計的分析。該軟件包包括壓力，相對濕度和溫度傳感器監控的驅動程序。用於聲發射（AE）的音頻算法也是該包的一部分。程式運行在高性能STM32F469AI，ARM®Cortex®-M4,32位微控制器上，傳感器數據分析結果通過基於IO-Link設備收發器的有線連接發送. STEVAL-BFA001V1B參考設計適用於監控電機，泵和風扇，並可加速預測性維護解決方案的開發。該軟件包還允許與STEVAL-IDP004V1 IO-Link主控功能的多端口評估板連接;包中包含的PC GUI顯示算法輸出和傳感器數據。通過簡單地將STEVAL-IDP005V1通過任何STM32 Nucleo-64開發板上的STEVAL-UKI001V1適配器和ST-LINK / V2-1連接到PC，也可以使用公共終端仿真器在PC上顯示數據。程式可在STSW-BFA001V1上免費獲得。
硬件設計
電源管理
1. L6984是一款降壓型單片開關穩壓器，能夠提供高達400 mA的DC。該輸出電壓可調範圍為0.9V。固定的3.3 V VOUT無需外部電阻分壓器。該“低功耗模式”（LCM）使輕負載下的效率最大化，並控制輸出電壓紋波。該“低噪聲模式”（LNM）使開關頻率在負載電流範圍內幾乎恆定。該PGOOD集電極開路輸出可在加電階段實現輸出電壓排序。該同步整流，專為中重負載下的高效率和高開關頻率而設計功能使應用程序的大小緊湊。 低側功率元件上的逐脈衝電流感測實現有效的恆流保護。
2. LDK220是一款低壓降穩壓器，可提供最大200 mA的輸出電流輸入電壓範圍為2.5 V至13.2 V，典型壓差為100 mV。 陶瓷電容器將其穩定在輸出上。 極低的壓降，低靜態電流和低噪聲使其適合於工業應用。 使能邏輯控制功能使LDK220處於停機模式，從而允許電流消耗低於1μA。 該器件還包括短路恆流限制和熱保護。
微控器
STM32F469AI微控制器基於高性能ARM®Cortex®-M432位RISC內核以高達180 MHz的頻率運行。 Cortex®-M4內核具有浮點單元（FPU）單精度，支持所有ARM®單精度數據處理指令和數據類型。它也是實現全套DSP指令和一個存儲器保護單元（MPU），以增強應用程序安全。該設備集成了高速嵌入式存儲器（最大2 MB，最大384 Kb的Flash存儲器）。SRAM），高達4 KB的備用SRAM以及與之連接的各種增強型I / O和外設兩個APB總線，兩個AHB總線和一個32位多AHB總線矩陣。該器件提供了三個12位ADC，兩個DAC，一個低功耗RTC，十二個通用16位定時器，其中包括兩個用於電機控制的PWM定時器，兩個通用32位定時器和一個真正的隨機數發生器（RNG）。該微控制器具有以下標準和高級通信接口：
•最多三個I2C。
•六個SPI，兩個I2S全雙工。為了達到音頻等級的精度，可以通過一個專用內部音頻PLL或通過外部時鐘進行同步。
•四個USART加四個UART。
•一個SAI串行音頻接口。STM32F469AI器件在1.7至3.6 V電源的-40至+105°C溫度範圍內工作。
感測器
1. ISM330DLC是一個系統級封裝，具有高性能3D數字加速度計和專為工業4.0應用量身定制的3D數字陀螺儀。ST的MEMS傳感器模塊系列充分利用了已經用於生產微機械加速度計和陀螺儀。各種傳感元件均採用專門的微加工工藝製造，IC接口是使用CMOS技術開發的，可以設計專用電路，修整以更好地匹配傳感元件的特性。在ISM330DLC中，加速度計和陀螺儀的傳感元件都安裝在同一傳感器上矽芯片，從而保證了卓越的穩定性和魯棒性。ISM330DLC的滿量程加速度範圍為±2 /±4 /±8 /±16 g，角速率範圍為±125 /±250 /±500 /±1000 /±2000 dps。以超低功耗（高性能，組合式0.75 mA）提供高精度和穩定性模式），還可以在工業領域中實現持久的電池供電應用。ISM330DLC包括專用的可配置信號處理路徑，具有低延遲，低噪聲和
專用於控制環路穩定性的專用濾波。可以從該專用信號路徑中獲取數據通過輔助SPI接口提供，可為陀螺儀和加速度計進行配置。高性能，高質量，小尺寸，低功耗以及對機械的高耐用性震撼性使ISM330DLC成為創建和製造系統的系統設計師的首選
多功能可靠的產品。ISM330DLC採用塑料接地柵格陣列（LGA）封裝。STSW-BFA001V1固件包包括應用程序和演示固件支持
加速度計部分。
2. HTS221是用於相對濕度和溫度的超緊湊型傳感器。 它包括一個感應元件和混合信號ASIC通過數字串行接口提供測量信息傳感元件由能夠檢測相對電壓的聚合物電介質平面電容器結構組成濕度變化，並使用專用的ST工藝製造。HTS221採用小型頂帽式接地柵格陣列（HLGA）封裝，保證可在以下條件下工作：溫度範圍為-40°C至+120°C。
3. LPS22HB是一款超緊湊型壓阻式絕對壓力傳感器，可作為數字輸出氣壓計。 該設備包括一個感應元件和一個與之通信的IC接口通過I2C或SPI從傳感元件到應用。檢測絕對壓力的傳感元件由使用由ST開發的專用流程。LPS22HB採用全模孔LGA封裝（HLGA）。 保證可以在溫度範圍從-40°C到+85°C。 包裝上有孔，以允許外部壓力達到感應元件。
4. MP34DT05-A是內置的超緊湊，低功耗，全向數字MEMS麥克風具有電容式感應元件和IC接口。使用專用矽製造能夠檢測聲波的傳感元件專門用於生產音頻傳感器的微機械加工過程。IC接口使用CMOS工藝製造，可以設計能夠提供以下功能的專用電路：外部採用PDM格式的數字信號。MP34DT05-A是一款低失真數字麥克風，信噪比為64 dB，-26 dBFS±3 dB靈敏度。MP34DT05-A採用SMD兼容，EMI屏蔽的頂級端口，並保證能夠工作在-40°C至+85°C的擴展溫度範圍內。
IO-LINK 通訊
STEVAL-IDP005V1板在M12 A編碼連接器上具有IO-Link連接。IO-Link是用於硬件連接的工業標準。該標準規定：
•總線安裝所需的電線數量
•顏色用於區分IO-Link總線的電源電壓
•連接器引腳分配。
該標準還建立了兩種不同的數據通信方法：
1.具有詳細協議結構的純串行數據通信（SDCI），用於管理傳感器參數和傳感器數據。
2.從高電平到低電平的簡單電平轉換，反之亦然，僅表示傳感器狀態。IO-Link系統的使用具有多個優點，例如：
•IO-Link設備的自動檢測和參數設置：設備的操作參數為在設置過程中存儲在主機中。連接後，主設備會識別設備並啟用自動啟動。如果像傳感器這樣的設備發生故障，則可以對其進行更換，並且將主設備中存儲的參數化數據自動下載到替換設備。
•設備監視和診斷：IO-Link允許監視設備組件和系統，以及主動管理。 IO-Link設備提供的診斷功能可讓控制系統跟踪數據和趨勢，促進預防性和預測性維護並改善機器正常運行時間。
•動態更改：可以在機器運行時為已安裝的設備快速調整參數，減少時間消耗。
•降低組件成本:通過利用IO-Link的配置功能，可以配置設備具有不同的輸出功能。
L6362A
L6362A是符合PHY2（3線連接）支持的IO-Link收發器設備COM1（4.8 kbaud），COM2（38.4 kbaud）和COM3（230.4 kbaud）模式。 輸出級可以配置為高端，低端或通過硬件連接推挽，它可以驅動電阻，電容和電感負載。IC可以使用串行數據通信接口（SDCI）將傳感器節點連接到主機基於IO-Link協議和標準I / O模式（SIO）。 使用24 V工業電源管理通訊總線電壓。 L6362A的VCC，GND，OUTH，OUTL和I / Q引腳具有反極性保護。該IC還具有防止輸出短路，過壓和快速瞬態條件（±1 kV，500Ω和18μF耦合）。
軟件包旨在幫助您基於狀態監測開發工業預測性維護解決方案。 網頁於下
https://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/evaluation-tool-software/stsw-bfa001v1.html
該軟件在STM32F469AI微控制器上運行，並包括用於傳感器設備HTS221，LPS25HB，ISM330DLC（僅支持加速度計），MP34DT05-A和M95M01-DF的驅動程序。該軟件包將完整的中間件與用於加速度計數據信號處理的算法集成在一起，從而能夠在時域和頻域中監視旋轉設備，例如電動機，泵和風扇，最大加速度計輸出數據速率的最大帶寬功能（高達ODR / 2 = 3.3kHz）。該軟件包包括音頻庫中間件，以執行聲發射分析。您可以通過終端仿真器監視環境，聲學和振動數據。該軟件帶有不同的演示和應用程序，以監視傳感器數據和輸出算法結果。一種演示是基於可編程閾值的時域和頻譜帶中的警告和警報情況。該軟件包具有IO-Link功能（不包括IO-Link堆棧），並帶有與STEVAL-IDP004V1 IO-Link-master-capable多端口評估板進行通信的演示。
主要特色
一組固件示例，用於基於3D數字加速度計，環境和聲學MEMS傳感器構建狀態監控和預測性維護應用程序中間件，包括用於振動分析的高級時域和頻域信號處理算法可編程FFT大小（512、1024或2048點），可編程FFT平均和重疊，可編程窗口（平頂，漢寧，漢明），速度RMS移動平均，最大加速度峰值，集成了麥克風算法的中間件，用於：PDM轉PCM聲壓音頻，FFT為STM32F469AI開發的固件包，可輕鬆移植到不同的MCU系列中，通過任何免費的終端仿真器監控PC數據與STEVAL-IDP004V1具備IO-Link-master功能的多端口評估板和專用PC GUI進行通信的示例演示固件
►場景應用圖
►產品實體圖
►方案方塊圖
►除了定期維護 , 隨時地監控也非常重要
►多重偵測 搭配使用者圖形介面的IO-LINK完整工控套件
►整個系統由以下功能子系統組成： 1.電源管理 2.單片機 3. MEMS傳感器 4. EEPROM 5.有線連接 6.外部連接器 傳感器通過單獨的總線SPI和I2C外設連接到微控制器。 連接選項是：
►反面
►環境監控畫面
►核心技術優勢
可以在時域和頻域監控旋轉設備，如電機，泵和風扇，最高可達加速度計輸出數據速率的帶寬函數（最高可達ODR / 2 = 3.3kHz）。 - 對於頻域：可編程傅立葉變換(FFT) ◦可編程FFT大小（256,512,1024,2048） ◦可編程FFT輸入數據重疊 ◦可編程FFT輸入數據窗口（Flat Top, Hanning, Hamming） ◦可編程FFT輸出平均值 ◦可編程FFT子範圍分析 - 對於時域： ◦HP過濾以減少加速度計偏移 ◦加速度計最大峰值評估 ◦加速度計集成以評估速度 ◦移動RMS速度評估 •帶麥克風算法的中間件： - PDM到PCM - 聲壓 - 音頻FFT 具有時域和跨光譜的可編程警告和警報閾值的示例應用程序。 可在不同STM32 MCU系列中輕鬆移植通過任何免費終端仿真器監控PC數據 專用PC GUI進行通信的示例演示軟件 佈局滿足IEC61000-4-2 / 4和EN60947對工業應用的要求
►方案規格
基於3D數字加速度計，環境和聲學MEMS傳感器的狀態監測和預測性維護的緊湊型解決方案 主電源電壓：18 V - 32 V. 主要成分： 用於信號處理和分析的32位ARM®Cortex®-M4內核（STM32F469AI） iNEMO 6DoF（ISM330DLC） 絕對數字壓力傳感器（LPS22HB） 相對濕度和溫度傳感器（HTS221） 數字麥克風傳感器（MP34DT05-A） IO-Link PHY設備（L6362A） EEPROM（M95M01-DF）用於數據存儲 降壓型開關穩壓器和LDO穩壓器（L6984和LDK220） IO-Link PHY使用L6362A設備收發器與主機單元進行數據通信 M12工業連接器 SWD連接器，用於調試和編程功能 符合WEEE標準 符合RoHS標準