陈义 张泉

【摘要】手机已经成为现代人民生活出行的非常重要的工具，但将手机和工业检测相结合的应用比较少。因此本文在传统虚拟故障诊断检测仪的基础上，将传统虚拟检测仪的功能植入到手机移动端，研究开发一款移动的虚拟故障模式识别检测仪，方便用户的使用，便于测量。讨论虚拟仪器的优缺点，并研究移动虚拟故障模式识别仪的硬件系统和软件系统。并通过滚动轴承的信号作为数据来源进行实验分析，通过实验结果表明，通过将传统仪器的能够移植到手机端同样能进行准确识别。

【关键词】虚拟仪器;手机移动;模式识别

中图分类号：TN92                       文献标识码：A                 DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.18.032

由于移动互联网具有巨大的市场空间，手机等移动终端作为进入移动互联网的入口，得到众多移动终端厂商和互联网公司的重视。随着电子制造技术、终端制造技术的提升、未来智能移动终端将会更普遍的出现在市场。传统终端设备生产厂商、互联网企业、解决方案提供商等也通过终端整合其互联网相关应用及业务，促进移动终端设备市场的总体发展。相比较平板电脑检测仪器的开发，手机检测仪器开发成本低，携带便捷。根据使用人群不同，基于手机平台开发的检测仪器的目的也将会有本质上的区别。

1. 移动故障识别仪整体方案

虚拟仪器（Virtual Insturment）是计算机软硬件和总线技术与测试技术、仪器仪表技术学科交叉发展出的成果。虚拟仪器系统通过在计算机平台上模拟仪器，将计算机系统武装成仪器系统。虚拟仪器技术的核心特征为可重构性，虚拟仪器技术主要分成如下三大部分：模块化的硬件、硬件集成平台。和软件开发平台。

本系统的工作流程：数据感知终端对传感器信号进行调理并采集，然后通过蓝牙/Wi-Fi等通信方式将数据发送到手机终端进行分析处理。手机虚拟仪器接收数据进行分析处理，功能模块包括：数据传输模块、存储模块、数据呈现模块和数据分析模块。设计思路如图1所示：

2. 移动故障识别仪硬件系统设计

系统的硬件选择是本系统开发中的重要任务之一，性能优良的硬件设备可以为后期的软件开发及检测仪器的正常运行提供良好的工作基础。移动故障识别仪硬件系统设计的任务主要选择合适的采集卡、蓝牙模块、WiFi模块和手持终端四个部分。

其中采集卡为了简化后期软件开发的难度，下位机采集卡采用Google公司开发的支持Android设备的外接扩展硬件arduino ADK。arduino ADK通过MAX3421E芯片提供的USB HOST扩展模块连接Android設备。将ADK通过USB与计算机相连时，USB会自动虚拟出一个COM通道，通过这个通道来调试和下载程序到ADK。

蓝牙模块可实现设备之间的短距离数据交换。蓝牙技术起初由爱立信公司于1994年创制，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，克服了数据同步的难题。本硬件系统选择的是蓝牙适配器HK-750，蓝牙5.0通信协议，传输距离约10米，其传输率为1Mbps，内置2.4GHz天线。

Wifi模块能够广泛支持数据、图像、语音和多媒体等业务。相比蓝牙技术，其特点是传输速率较高，传输距离较长。本文选用的是TI的CC3200芯片，其主要特点是功耗较低，但速率很快，所以非常适合植入基于手机移动的便携虚拟设备。

3.移动故障识别仪软件系统设计

本系统的软件开发设计主要分为下位机程序开发以及上位机手机程序开发。由于Android系统系统的开放性和广泛性，所以程序开发将基于Android系统。软件系统下位机主要要达到的功能有：（1）通过无线传输方式（WIFI/蓝牙方式），接受上位机发送进来的参数设置指令和数据采集控制指令;（2）将集成传感器采集到的数据通过无线传输发送到上位机。Android ADK开发环境的优点主要为使用Arduino IDE作为开发工具，Arduino IDE是开源并可扩展的，这一点与普通的单片机不同。最终通过软件系统设计实现界面显示功能、分析功能、储存功能等要求。

3.1 显示模块

作为用户使用的最直观的功能，一个能够用户认可的移动故障识别仪，首先的任务就是需要做到良好的人机交互。让显示界面能够让用户直观的、简洁的、有效的进行系统操作和分析。本移动故障识别仪显示功能模块主要进行时域、频率、直方图等信号的显示，并且实时显示波形图，已经将原数据进行FFT变换和HHT变换后的频谱图的显示。

3.2 分析模块

作为本系统最核心的模块。分析功能模块需要根据所识别的数据特点进行具体的分析。本系统的分析模块主要由时域分析模块和频域分析模块组成。其中，时域分析功能模块主要进行时域相关统计指标的计算，如均值、方差、峰峰值、峭度、脉冲指标等，另外也能够通过直方图进行展示。通过分析上述时域统计指标达到对对滚动轴承允许状态和故障模式的判断和预测。时域分析模块的统计指标计算并不复杂，所以直接用Java语言来实现。频域分析模块主要进行时域信号到频域信号的转换，从而快捷的分析振动信号的各频率成分，通过故障特征频率进行故障种类的判断。本文将进行傅里叶频谱分析、功率谱分析、倒频谱分析。

3.3 储存模块

作为系统的基础模块，任何数据都必须进行保存。存储功能模块主要实现采样数据的保存，便于对测试者重新调用、再次分析操作提供保障。另外，便于实现数据回放的功能。

本系统采用的Android系统支持多种数据存储方式，比如文件存储、SharePreferences及SQLite数据库等。SharePreferences处理实际上就是处理一对key-Value，比较通俗易懂。SQLite是一个进程内的库，实现了自给自足的、无服务器的、零配置的、事务性的SQL数据库引擎。它是一个零配置的数据库，这意味着与其他数据库不一样，不需要在系统中配置。本文考虑到开发平台所采集到的数据可能会和其他平台进行交互，故采用文本文件进行数据记录。

最终系统移植到手机的UI界面效果如图2所示：

4. 总结

本文研究新型基于手机端虚拟仪器，融合手机移动终端和虚拟仪器的特点，结合了WIFI技术和蓝牙等无线通信技术、Android平台开发技术和滚动轴承故障诊断技术，进一步促进了检测仪器向手机移动平台的新发展。提出了具体研究整理设计思路，对移动故障识别仪硬件和软件系统进行了设计。通过将计算机或嵌入式平台的检测系统植入到移动手机端，避免计算机平台有线传输、仪器体积大、成本较高以及不够便捷的缺点，真正实现虚拟检测仪器的便捷性，进一步提高识别的效率。未来的智能检测技术将会有效的同手机移动终端结合，进行高效便捷的在线检测，拓展手机终端在工业上的应用。

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作者简介：陈义，重庆渝北，工程师，硕士研究生，研究方向：工业工程，信号处理