机器状态监控（CbM）正成为工业领域的核心议题——为了延长设备寿命、降低运维成本，甚至催生全新的商业模式，企业迫切需要精准捕捉机械的振动特征。但要真正建立可靠的监测系统，就得先获得全带宽的时域与频域数据，意味着高性能传感器和数据采集系统是绕不开的基础。下面就从评估板、电路设计到软件生态，一步步拆解这个完整的CbM参考方案。
评估和设计支持
电路评估板
CN‑0540参考设计板（EVAL‑CN0540‑ARDZ）
CN‑0532参考设计板（EVAL‑CN0532‑EBZ）
XLMOUNT1机械安装模块（EVAL‑XLMOUNT1）
设计和集成文件
原理图、布局文件、物料清单、软件、MATLAB示例、Python示例
电路功能与优势
在工业应用中，基于振动检测的机器状态监控（CbM）正变得越来越重要。公司希望优化机械寿命和性能、降低拥有成本，同时也有企业围绕此类信息的提供开发新的业务模式。为了准确表示需要监控的机械，必须收集大数据集，以确定设备在正常工作模式和故障情况下的基线工作点。一旦数据到位，便能创建算法或阈值检测例程，为设备提供正确的分析。
CbM要求捕获全带宽数据，确保时域和频域中的所有谐波、混叠及其他机械相互作用都被充分考虑。这种数据收集需要高性能传感器和数据采集（DAQ）系统，以便向数据分析工具或应用程序提供高保真度的实时数据。
有了成熟的工具（如MATLAB®）或基于Python的较新工具（如Tensorflow），数据分析、机械性能分析和智能决策算法的创建会大大简化。
由于有传感器的存在，振动检测传统上已在大多数CbM应用中占主导地位，其背后的科学原理也得到了较好理解。集成电子压电（IEPE）标准是当今工业中普遍使用的高端微电子机械系统（MEMS）和压电传感器的流行信号接口标准。
图1. CN‑0540系统框图
电路描述
振动分析
振动检测在CbM中的主导地位已无需多言，但面对一台新设备或特定使用场景的影响时，又该如何下手？首先需要摸清机器在最优条件下和诱发故障条件下的行为。图2给出了一个典型例子：在有振动源时，频谱会呈现出什么样的形态。
图2. 振动源的频谱示例
振动传感器—IEPE接口
IEPE是工业界广泛使用的高端压电振动传感器接口标准，采用两线制（信号和地）。DAQ卡（如CN‑0540）通过信号线为CN‑0532振动传感器提供电流，电压通常在10 V到30 V之间。由于信号线由电流源供电，传感器可以调制电压轨上的加速度数据——一根线既供电又传数据，很巧妙。
MEMS与压电
压电加速度计凭借宽带频率响应和对振动的敏感性，在CbM市场占据主流。但MEMS技术的进步正让两者差距迅速缩小。CN‑0532 IEPE MEMS振动传感器基于ADXL1002，噪声和带宽可与压电传感器媲美，同时在温度灵敏度、直流至低频响应、相位响应（群延迟）、抗冲击性和冲击恢复方面更胜一筹。其线性度达±0.1%满量程，测量范围±50 g，足以覆盖多数振动应用。关于ADXL1002及其在IEPE接口中的用法，可参考CN‑0532网页。
使用CN‑0540时，能直接对比压电传感器与MEMS传感器的性能差异。
机械传感器安装
CbM的一大挑战是如何在模拟和数字世界之间架桥——把可靠的传感器数据从机器送到处理器。首要任务是建立传感器与被监测设备之间的机械连接，并且要确保安装不会干扰振动频谱。图3展示了EVAL‑XLMOUNT1和EVAL‑CN0532‑EBZ。
图3. EVAL‑XLMOUNT1和EVAL‑CN0532‑EBZ
EVAL‑XLMOUNT1是一个五边安装立方体，让CN‑0532能可靠连接到设备上，且不会影响数据。设计和测试保证了安装带来的误差在20 kHz以下被消除。立方体经过阳极氧化处理，形成非导电层，防止短路。
数据采集—IEPE
典型数据采集是直接测量电压和电流并转换为数字码。但IEPE接口需要更特殊的DAQ板——既要提供正确的电流和激励电压，又要能从同一根线上读回传感器调制出的数据。CN‑0540是一款24位单通道DAQ系统，专门针对IEPE传感器优化（见图4），最大激励电压约26 V。AD7768‑1 ADC以256 kSPS采样，每秒产生6.144 Mbps的数据送往处理器。详细数据采集方案可参考CN‑0540网页。
现场可编程门阵列（FPGA）主机
CN‑0540硬件采用标准Arduino®外形，因此任何支持必要数据速率、电气引脚排列和Arduino尺寸的处理系统都能驱动它。设计支持两家主流FPGA厂商的开发系统：Intel DE10‑Nano SoC平台和Xilinx Cora Z7‑07S SoC平台，并提供完整参考设计。HDL参考设计以开源形式提供，方便移植到其他平台。选择FPGA SoC的原因在于CN‑0540会产生大量高精度数据——FPGA逻辑能以更低功耗高效执行固定处理，让嵌入式ARM®有时间处理其他任务。
软件架构和基础结构
DE10‑Nano和Cora Z7‑07S SoC平台均运行Linux来连接和控制CN‑0540。Linux通过ADI公司Kuiper Linux发行版提供，该版本基于Raspbian，内置标准编译器和Python等解释器，方便开发。内核包含控制CN‑0540不同器件所需的驱动程序，这些驱动在工业输入输出（IIO）框架中提供——该框架支持ADI及许多其他厂商的转换器、放大器、传感器等器件。
图4. CN‑0540简化功能框图
底层控制
IIO驱动程序既控制CN‑0540，也处理数据或缓冲区收集。与底层驱动（包括寄存器访问）交互，可使用IIO库（libIIO）——既能在SoC板上直接运行代码，也能从主机PC远程通信。IIO‑Oscilloscope是标准图形界面，内置移动FFT功能，让用户直观看到传感器带宽内的振动异常，即便不连PC也能做基本调试分析。
IIO‑Oscilloscope支持可定制插件，CN‑0540有一个专门插件用于消除IEPE偏置误差、最大化放大器增益。虽然校准也能通过IIO‑Oscilloscope手动完成，但插件让流程更简单。
图5. CN‑0540 IIO‑Oscilloscope插件图形用户界面
算法开发—MATLAB和Python
通过IIO‑Oscilloscope验证系统运行正常后，便可转向更高级的数据分析语言和工具。CN‑0540支持C/C++，但主要集成集中在Python和MATLAB，目的是简化工作流，让数据轻松进入Tensorflow、PyTorch或MATLAB的各种工具箱。
Python支持通过pyadi‑iio模块提供，该模块预装在Kuiper Linux中，也可通过PyPI安装。图6展示了一个简单的数据获取示例（连接ADXL1002）。
图6. CN‑0540 Python示例
MATLAB支持通过Analog Devices Sensor Toolbox提供，这是一个自足的工具箱，包含示例、接口类和针对硬件的目标基础结构。MATLAB接口类遵循基于MathWorks历史API的通用API，同样易于使用。图7是MATLAB的数据获取示例。
图7. CN‑0540 MATLAB示例
该工具箱可从MATLAB的Addon Explorer或通过GitHub安装。
常见变化
如需更多输入通道，AD7768‑4最多4个通道，AD7768最多8个输入通道。若需要不同带宽或G值范围的MEMS振动传感器，可选用ADXL1003、ADXL1004和ADXL1005。
电路评估与测试
设备要求
•EVAL‑CN0532‑EBZ
•EVAL‑CN0540‑ARDZ
•EVAL‑XLMOUNT1
•DE10‑Nano FPGA开发板
•SMA电缆
•HDMI电缆
•16 GB MicroSD卡（已安装Kuiper Linux映像）
•USB OTG适配器
•无线键盘和鼠标（带USB加密狗）
系统设置
系统设置参见图8。
图8. CN‑0540连接到装有CN‑0532传感器的DE10‑Nano
开始使用
以下是测试系统和启动运行的基本步骤。
1. 使用Analog Devices Kuiper Linux网页上的最新软件映像准备microSD卡。（此步骤未在图9中显示。）
2. 使用Arduino引脚连接器将CN‑0540 DAQ板和DE10‑Nano FPGA平台连接在一起。
3. 使用SMA连接器将CN‑0532连接到CN‑0540。注意CN‑0532上没有SMA连接器，需剪断电缆直接焊接至板。
4. 使用安装模块随附的螺钉将CN‑0532连接到EVAL‑XLMOUNT1的一侧。
5. 在DE10‑Nano上，插入microSD卡，连接USB OTG适配器，然后从监视器插入HDMI电缆。
6. 通过DE10‑Nano评估套件随附的5 V直流壁式电源为DE10‑Nano供电。
图9. CN‑0540连接到带外设的DE10‑Nano
详细步骤请参阅CN0549用户指南。
测试结果
请按以下步骤测试系统：
1. 使用EVAL‑XLMOUNT1将CN‑0532安装到可编程振动源上（最好使用振动台或等效设备）。
2. 打开CN‑0540 IIO‑Oscilloscope插件，校准传感器偏移并写入偏移电压。
3. 启动振动源，产生2 kHz的振动音。
4. 在IIO‑Oscilloscope的捕捉窗口设置频域图：16384个样本，3样本平均。
5. 点击捕捉窗口中的播放按钮。
6. 确认频谱中有2 kHz信号音。注意，由于振动源或机械附件的影响，可能会看到一些杂散信号。
图10. 使用CN‑0532和CN‑0540的IIO‑Oscilloscope捕捉画面
了解更多
CN0549设计支持包可访问官方网站获取。
数据手册和评估板：
CN‑0540参考设计板（EVAL‑CN0540‑ARDZ）
CN‑0532参考设计板（EVAL‑CN0532‑EBZ）
MEMS机械安装模块（EVAL‑XLMOUNT1）
DE10‑Nano FPGA开发板
I2C指最初由Philips Semiconductors（现为NXP Semiconductors）开发的一种通信协议。