人工智能 (AI) 一直是備受關(guān)注的話題。邊緣應(yīng)用是眾多 AI 應(yīng)用之一，可加強(qiáng)對(duì)機(jī)器人、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械及其電機(jī)的基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)(CbM)。借助無(wú)線報(bào)告，邊緣 AI可以分析與機(jī)器健康和性能有關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)，并在必要時(shí)發(fā)出警報(bào)。在邊緣執(zhí)行監(jiān)測(cè)功能可減小功耗和延遲，同時(shí)優(yōu)化可用帶寬的使用。

對(duì)于一個(gè)有效到系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)這種邊緣 AI CbM 功能，需要精心選擇并集成一套支持多種傳感器輸入的組件，包括加速度計(jì)、AI 處理器和電源管理。

本文將探討運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方面的挑戰(zhàn)。然后，介紹一個(gè)使用 Analog Devices 的模擬、數(shù)字和混合信號(hào)集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能的邊緣 AI 實(shí)例。以一個(gè)使用無(wú)線連接振動(dòng)評(píng)估套件的電池供電型系統(tǒng)為例，完整地展示了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、功能與實(shí)現(xiàn)。

電機(jī)監(jiān)測(cè)挑戰(zhàn)

在機(jī)器生命周期的早期進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)測(cè)性維護(hù)，可降低生產(chǎn)停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。這樣做會(huì)提高可靠性，顯著節(jié)約成本并提高工廠的生產(chǎn)率。

在大多數(shù)可監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器參數(shù)中，振動(dòng)是最常見(jiàn)也是最有價(jià)值的參數(shù)。雖然振動(dòng)并不難測(cè)量，但要有意義地使用并報(bào)告這些數(shù)據(jù)，則需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、先進(jìn)的算法和有效的連接方案。所有這些都必須以盡可能小的功耗完成，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。

為此，Analog Devices 開(kāi)發(fā)出 EV-CBM-VOYAGER4-1Z Voyager4 無(wú)線振動(dòng)評(píng)估套件（圖 1）。該套件提供了一個(gè)完整的低功耗振動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，讓設(shè)計(jì)人員在機(jī)器或測(cè)試裝置上快速部署無(wú)線解決方案。該平臺(tái)采用邊緣 AI 算法來(lái)檢測(cè)電機(jī)的異常情況，并觸發(fā)機(jī)器的診斷和維護(hù)請(qǐng)求。

Voyager4 的直徑為 46 mm，高 77 mm，底座上有一個(gè) M6 螺紋孔，用于安裝螺柱或粘接電機(jī)外殼。該套件采用鋁制底座和壁裝式外殼。為避免對(duì)藍(lán)牙低功耗 (BLE) 鏈路的天線造成屏蔽，該套件使用了 ABS 塑料外殼。

BLE 和邊緣 AI 微控制器單元 (MCU) 印刷電路板（PC 板）垂直安裝，且電池固定在支座上。微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 傳感器和電源電路板放置在底座上，靠近待監(jiān)測(cè)的振動(dòng)源。

在典型的無(wú)線電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器的工作占空比非常低。傳感器會(huì)在預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)被喚醒，然后測(cè)量溫度和振動(dòng)等相關(guān)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸回用戶端進(jìn)行分析，以便采取相應(yīng)的措施。

相比之下，Voyager4 系統(tǒng)則利用邊緣 AI 檢測(cè)技術(shù)來(lái)限制高耗電無(wú)線電的使用。當(dāng)傳感器被喚醒并測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，只有當(dāng) MCU 檢測(cè)到異常時(shí)才會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)回用戶。這樣，電池壽命至少可延長(zhǎng) 50%。

Voyager4 系統(tǒng)的核心器件是 ADXL382-2BCCZ-RL7，這是一款 16 位、8 kHz 三軸數(shù)字 MEMS 加速計(jì)集成電路（圖 2，左），專門(mén)用于采集振動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖 2：所示為 Voyager4 系統(tǒng)核心的決策路徑。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

原始振動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)路徑 (a) 到達(dá) MAX32666GXMBL+，這是一款集成了 BLE 無(wú)線電和 Arm? Cortex?-M4F DARWIN MCU 的芯片。這些數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練邊緣 AI 算法。然后，數(shù)據(jù)通過(guò) BLE 無(wú)線電鏈路發(fā)送給用戶（也可通過(guò) USB 端口發(fā)送）。

經(jīng)過(guò) Voyager4 的初始訓(xùn)練階段后，振動(dòng)數(shù)據(jù)可遵循路徑 (b)，MAX78000EXG+MCU
的邊緣 AI 算法將利用這些數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)器運(yùn)行情況：故障或健康。如果數(shù)據(jù)顯示健康，則無(wú)需使用 MAX32666
無(wú)線電，從而節(jié)省大量電池電量，Voyager4 傳感器的運(yùn)行可遵循路徑
(d)。與此同時(shí)，加速度計(jì)也會(huì)返回睡眠模式，從而節(jié)省電能。但是，如果算法預(yù)測(cè)出錯(cuò)誤或可疑的振動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就會(huì)遵循路徑 (c)，通過(guò) BLE
向用戶發(fā)送振動(dòng)異常警報(bào)。

加入 IC，完善整體設(shè)計(jì)

完整的 Voyager4 系統(tǒng)包括加速度計(jì)、AI、電源管理、瞬態(tài)保護(hù)、數(shù)據(jù)完整性和無(wú)線連接集成電路（圖 3）。除了 ADXL-832 MEMS 加速計(jì)之外，還通過(guò)超低功耗、14 位、100 Hz ADXL367BCCZ-RL7 三軸 MEMS 加速計(jì)在發(fā)生重大振動(dòng)或撞擊事件時(shí)將 BLE 無(wú)線電從深度睡眠模式喚醒。這種喚醒設(shè)備的功耗僅為 180 nA，有助于大幅節(jié)省功耗。

圖 3：完整的 Voyager4 系統(tǒng)組合了加速度計(jì)、AI 以及其他處理器、電源管理、瞬態(tài)保護(hù)、數(shù)據(jù)完整性和無(wú)線連接集成電路。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

使用兩個(gè)加速度計(jì)看似多余，但每個(gè)加速度計(jì)都發(fā)揮重要作用。性能較低的超低功耗型 ADXL367 可用于持續(xù)檢測(cè)并啟用喚醒功能，而精確度較高的 ADXL832 則提供高精確度、高速數(shù)據(jù)。

在信號(hào)路徑管理方面，該系統(tǒng)采用了 ADG1634BCPZ-REEL7 模擬開(kāi)關(guān)。這是一款 4.5 Ω、四電路、2:1 單刀雙擲 (SPDT) CMOS 器件，用于將 MEMS 的原始振動(dòng)數(shù)據(jù)路由至 MAX32666 BLE 無(wú)線電或 MAX78000 AI MCU，其中 BLE MCU 用于控制開(kāi)關(guān)。

MAX32666 BLE MCU 還連接了其他幾個(gè)外設(shè)，包括用于監(jiān)測(cè)電池電流的 MAX17262REWL+T LiFePO 4 /Li-ion 電量計(jì) IC。MAX32666 可通過(guò) Future Technology Devices International (FTDI) 的 FT234XD-RUSB 至基本串行 UART 接口 IC，使用 BLE 或 USB 將 ADXL382 MEMS 原始數(shù)據(jù)流傳輸?shù)街鳈C(jī)。

在電氣方面，MAX3207EAUT+T 瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管陣列的電容僅為 2 pf（可忽略不計(jì)），提供符合人體 (HBM) 和氣隙模型測(cè)試要求的 ±15 kV 保護(hù)。在數(shù)據(jù)完整性方面，DS28C40ATB/VY+T 安全驗(yàn)證器提供了一套核心加密工具，這些工具源自集成的非對(duì)稱 (ECC-P256) 和對(duì)稱 (SHA-256) 安全功能。

先進(jìn)的電源管理可實(shí)現(xiàn)最低消耗

電源管理的細(xì)節(jié)說(shuō)明了在 Voyager4 運(yùn)行的多個(gè)電源階段中，電池壽命是如何受到影響的。這種管理的核心是多用途 MAX20355EWO+ 電源管理集成電路 (PMIC)。這是一款集成了電源線通信、升降壓轉(zhuǎn)換器以及專有 ModelGauge 電量計(jì)的器件。

該 IC集成了兩個(gè)超低靜態(tài)電流降壓穩(wěn)壓器、三個(gè)超低靜態(tài)電流低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器。每個(gè) LDO 和降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓均可單獨(dú)啟用和禁用，每個(gè)輸出電壓值均可通過(guò)器件的 I^2^C 接口設(shè)定。BLE 處理器可針對(duì)不同的 Voyager4 運(yùn)行模式啟用或禁用單個(gè) PMIC 的電源輸出。該 IC 采用 MAX38642AELT+T 提供附加電源，這是一款可調(diào)的單輸出、正壓降壓穩(wěn)壓器，可提供高達(dá) 350 mA 的電流。

在運(yùn)行過(guò)程中，Voyager4 的功能取決于 BLE 和 AI 工作模式，以確定 MAX32666 和 MAX78000 的激活或非激活模式，這對(duì)于最大限度降低總體功耗具有決定作用（圖 4）。

*圖 4：為了將總體功耗降至最低，Voyager4 會(huì)根據(jù) BLE 和 AI 的運(yùn)行階段，在激活和非激活狀態(tài)之間切換其電源模式功能。（圖片來(lái)源：Analog Devices） *

例如在訓(xùn)練模式下，BLE MCU 必須首先在 BLE 網(wǎng)絡(luò)中廣播其存在，并與網(wǎng)絡(luò)管理器連接。然后，Voyager4 通過(guò) BLE 網(wǎng)絡(luò)將 ADXL382 MEMS 的原始數(shù)據(jù)傳輸至用戶 PC，用于訓(xùn)練 AI 算法。

當(dāng)評(píng)估套件在培訓(xùn)模式下工作且BLE 處于活動(dòng)狀態(tài)，每小時(shí)進(jìn)行一次廣播、連接和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其耗電量約為 0.65 毫瓦 (mW)。如果
Voyager4 傳感器在 AI 模式下工作，即使傳感器每小時(shí)激活一次，功耗也會(huì)降至 0.3 mW。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，無(wú)需傳輸原始 BLE
數(shù)據(jù)的傳感器可減少高達(dá) 50% 的功耗（圖 5）。

圖 5：無(wú)需傳輸原始 BLE 數(shù)據(jù)的傳感器可減少高達(dá) 50% 的功耗。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

由于功耗僅為 0.3 mW，因此使用單節(jié) 1500 毫安時(shí) (mAh) 電池，電池使用壽命可達(dá)兩年；使用兩節(jié) 2.6 安培時(shí) (Ah) 的
AA 電池，則使用壽命可達(dá)七年以上。為達(dá)到最長(zhǎng)使用壽命，這些 AA
電池應(yīng)選用專為低基準(zhǔn)工作電流而設(shè)計(jì)且僅需周期性脈沖的類型。在這種條件下，這些設(shè)備至少可以運(yùn)行 5 年，而某些高端版本可提供 20 多年的電力。

還需要進(jìn)行機(jī)械模態(tài)分析

設(shè)計(jì)合適的機(jī)械外殼需要進(jìn)行模態(tài)分析，用于了解被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。通過(guò)分析，可深入了解設(shè)計(jì)的固有頻率和法向模態(tài)（相對(duì)變形）。

模態(tài)分析的主要目的是避免產(chǎn)生共振，即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的固有頻率與外加振動(dòng)載荷的固有頻率緊密匹配。對(duì)于振動(dòng)傳感器來(lái)說(shuō)，外殼的固有頻率必須大于
MEMS 傳感器測(cè)量到的外加振動(dòng)載荷的固有頻率。對(duì)于 Voyager4 來(lái)說(shuō)，X、Y 和 Z 軸的 3 分貝 (dB) 帶寬為 8
kHz，因此傳感器外殼在低于 8 kHz 時(shí)不應(yīng)有任何明顯的共振。

采用 ANSYS 和其他模擬工具進(jìn)行分析，并輔以適當(dāng)?shù)牟寮?。通過(guò)這些工具，可以探索幾何形狀、材料選擇和機(jī)械裝配對(duì)傳感器外殼頻率響應(yīng)特性的影響。分析結(jié)果表明，傳感器外殼的質(zhì)量、剛度和固有頻率是相互關(guān)聯(lián)的。

Voyager4 傳感器組件的仿真外殼底部和中段使用 3003 鋁合金，蓋子使用 ABS-PC 塑料。模態(tài)分析的仿真結(jié)果顯示，在相關(guān)頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了 14 個(gè)模態(tài)結(jié)果。

有幾種模式最初引起了關(guān)注，但在進(jìn)一步研究后被認(rèn)為沒(méi)有問(wèn)題（圖 6）。模式 1（圖
6，左）位于底座處，遠(yuǎn)離傳感器電路板；這種輕微共振應(yīng)該不會(huì)影響 ADXL382 MEMS 的性能。模式 7（圖 6，中間）在頻率約為 7 kHz
時(shí)出現(xiàn)在 z 軸上（垂直）。雖然這種模式對(duì)外殼垂直側(cè)壁的影響有些明顯，但對(duì)底座本身的影響影響并不強(qiáng)烈。

模態(tài)仿真結(jié)果表明，任何模態(tài)都不會(huì)對(duì)位于外殼底座上的 ADXL382 傳感器電路板產(chǎn)生明顯影響，而且 8 kHz (3 dB) 的相關(guān)帶寬也不會(huì)產(chǎn)生明顯的機(jī)械共振。

圖 6：機(jī)械模態(tài)分析表明，兩個(gè)被認(rèn)為可能存在問(wèn)題的機(jī)械共振不會(huì)成為問(wèn)題（模態(tài) 1（左）和模態(tài) 7（中））；這些結(jié)果在振動(dòng)臺(tái)測(cè)試中使用的 Voyager4 得到了證實(shí)（右）。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

仿真結(jié)果通過(guò)放置在模態(tài)激振器上的 Voyager4 傳感器進(jìn)行了驗(yàn)證，具有恒定的 0.25 峰值 ( g ) 輸入振動(dòng)，頻率掃描范圍為 0 至 8 kHz。觀察到的 Voyager4 傳感器頻率響應(yīng)在 ±1.5 dB 范圍內(nèi)，最高頻率為 8 kHz（圖 6，右側(cè)）。

結(jié)語(yǔ)

AI 可以帶來(lái)切實(shí)的好處，例如當(dāng)在機(jī)器人、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械及其電機(jī)的 CbM 中使用時(shí)，可延長(zhǎng)電池使用壽命。要在一個(gè)有效的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這種邊緣 AI
CbM 功能，需要精心選擇、集成一系列組件。借助具有無(wú)線功能的 EV-CBM-VOYAGER4-1Z 評(píng)估套件，帶有嵌入式 AI 硬件加速器的
Analog Devices MCU 可用來(lái)快速開(kāi)發(fā) CbM 邊緣 AI 解決方案。

審核編輯 黃宇