人工智能 (AI) 一直是備受關(guān)注的話題。邊緣應用是眾多 AI 應用之一，可加強對機器人、轉(zhuǎn)動機械及其電機的基于狀態(tài)的監(jiān)測(CbM)。借助無線報告，邊緣 AI可以分析與機器健康和性能有關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以便進行預測性維護，并在必要時發(fā)出警報。在邊緣執(zhí)行監(jiān)測功能可減小功耗和延遲，同時優(yōu)化可用帶寬的使用。

對于一個有效到系統(tǒng)，要實現(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、AI 處理器和電源管理。

本文將探討運動監(jiān)測方面的挑戰(zhàn)。然后，介紹一個使用 Analog Devices 的模擬、數(shù)字和混合信號集成電路來實現(xiàn)這一功能的邊緣 AI 實例。以一個使用無線連接振動評估套件的電池供電型系統(tǒng)為例，完整地展示了該系統(tǒng)的設計、功能與實現(xiàn)。

電機監(jiān)測挑戰(zhàn)

在機器生命周期的早期進行有針對性的預測性維護，可降低生產(chǎn)停機風險。這樣做會提高可靠性，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)測的轉(zhuǎn)動機器參數(shù)中，振動是最常見也是最有價值的參數(shù)。雖然振動并不難測量，但要有意義地使用并報告這些數(shù)據(jù)，則需要進行數(shù)據(jù)分析、先進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，以最大限度地延長電池壽命。

為此，Analog Devices 開發(fā)出 EV-CBM-VOYAGER4-1Z Voyager4 無線振動評估套件（圖 1）。該套件提供了一個完整的低功耗振動監(jiān)測平臺，讓設計人員在機器或測試裝置上快速部署無線解決方案。該平臺采用邊緣 AI 算法來檢測電機的異常情況，并觸發(fā)機器的診斷和維護請求。

Voyager4 的直徑為 46 mm，高 77 mm，底座上有一個 M6 螺紋孔，用于安裝螺柱或粘接電機外殼。該套件采用鋁制底座和壁裝式外殼。為避免對藍牙低功耗 (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)測的振動源。

在典型的無線電機監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器的工作占空比非常低。傳感器會在預定的時間間隔內(nèi)被喚醒，然后測量溫度和振動等相關(guān)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸回用戶端進行分析，以便采取相應的措施。

相比之下，Voyager4 系統(tǒng)則利用邊緣 AI 檢測技術(shù)來限制高耗電無線電的使用。當傳感器被喚醒并測量數(shù)據(jù)時，只有當 MCU 檢測到異常時才會將數(shù)據(jù)發(fā)回用戶。這樣，電池壽命至少可延長 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 加速計集成電路（圖 2，左），專門用于采集振動數(shù)據(jù)。

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

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

經(jīng)過 Voyager4 的初始訓練階段后，振動數(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)預測機器運行情況：故障或健康。如果數(shù)據(jù)顯示健康，則無需使用 MAX32666
無線電，從而節(jié)省大量電池電量，Voyager4 傳感器的運行可遵循路徑
(d)。與此同時，加速度計也會返回睡眠模式，從而節(jié)省電能。但是，如果算法預測出錯誤或可疑的振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就會遵循路徑 (c)，通過 BLE
向用戶發(fā)送振動異常警報。

加入 IC，完善整體設計

完整的 Voyager4 系統(tǒng)包括加速度計、AI、電源管理、瞬態(tài)保護、數(shù)據(jù)完整性和無線連接集成電路（圖 3）。除了 ADXL-832 MEMS 加速計之外，還通過超低功耗、14 位、100 Hz ADXL367BCCZ-RL7 三軸 MEMS 加速計在發(fā)生重大振動或撞擊事件時將 BLE 無線電從深度睡眠模式喚醒。這種喚醒設備的功耗僅為 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、AI 以及其他處理器、電源管理、瞬態(tài)保護、數(shù)據(jù)完整性和無線連接集成電路。（圖片來源：Analog Devices）

使用兩個加速度計看似多余，但每個加速度計都發(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)。

在信號路徑管理方面，該系統(tǒng)采用了 ADG1634BCPZ-REEL7 模擬開關(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 的原始振動數(shù)據(jù)路由至 MAX32666 BLE 無線電或 MAX78000 AI MCU，其中 BLE MCU 用于控制開關(guān)。

MAX32666 BLE MCU 還連接了其他幾個外設，包括用于監(jiān)測電池電流的 MAX17262REWL+T LiFePO 4 /Li-ion 電量計 IC。MAX32666 可通過 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。

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），提供符合人體 (HBM) 和氣隙模型測試要求的 ±15 kV 保護。在數(shù)據(jù)完整性方面，DS28C40ATB/VY+T 安全驗證器提供了一套核心加密工具，這些工具源自集成的非對稱 (ECC-P256) 和對稱 (SHA-256) 安全功能。

先進的電源管理可實現(xiàn)最低消耗

電源管理的細節(jié)說明了在 Voyager4 運行的多個電源階段中，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 電量計的器件。

該 IC集成了兩個超低靜態(tài)電流降壓穩(wěn)壓器、三個超低靜態(tài)電流低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器。每個 LDO 和降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓均可單獨啟用和禁用，每個輸出電壓值均可通過器件的 I^2^C 接口設定。BLE 處理器可針對不同的 Voyager4 運行模式啟用或禁用單個 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 350 mA 的電流。

在運行過程中，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 會根據(jù) BLE 和 AI 的運行階段，在激活和非激活狀態(tài)之間切換其電源模式功能。（圖片來源：Analog Devices） *

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

當評估套件在培訓模式下工作且BLE 處于活動狀態(tài)，每小時進行一次廣播、連接和數(shù)據(jù)傳輸時，其耗電量約為 0.65 毫瓦 (mW)。如果
Voyager4 傳感器在 AI 模式下工作，即使傳感器每小時激活一次，功耗也會降至 0.3 mW。測試數(shù)據(jù)顯示，無需傳輸原始 BLE
數(shù)據(jù)的傳感器可減少高達 50% 的功耗（圖 5）。

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

由于功耗僅為 0.3 mW，因此使用單節(jié) 1500 毫安時 (mAh) 電池，電池使用壽命可達兩年；使用兩節(jié) 2.6 安培時 (Ah) 的
AA 電池，則使用壽命可達七年以上。為達到最長使用壽命，這些 AA
電池應選用專為低基準工作電流而設計且僅需周期性脈沖的類型。在這種條件下，這些設備至少可以運行 5 年，而某些高端版本可提供 20 多年的電力。

還需要進行機械模態(tài)分析

設計合適的機械外殼需要進行模態(tài)分析，用于了解被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動特性。通過分析，可深入了解設計的固有頻率和法向模態(tài)（相對變形）。

模態(tài)分析的主要目的是避免產(chǎn)生共振，即結(jié)構(gòu)設計的固有頻率與外加振動載荷的固有頻率緊密匹配。對于振動傳感器來說，外殼的固有頻率必須大于
MEMS 傳感器測量到的外加振動載荷的固有頻率。對于 Voyager4 來說，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 時不應有任何明顯的共振。

采用 ANSYS 和其他模擬工具進行分析，并輔以適當?shù)牟寮?。通過這些工具，可以探索幾何形狀、材料選擇和機械裝配對傳感器外殼頻率響應特性的影響。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 個模態(tài)結(jié)果。

有幾種模式最初引起了關(guān)注，但在進一步研究后被認為沒有問題（圖 6）。模式 1（圖
6，左）位于底座處，遠離傳感器電路板；這種輕微共振應該不會影響 ADXL382 MEMS 的性能。模式 7（圖 6，中間）在頻率約為 7 kHz
時出現(xiàn)在 z 軸上（垂直）。雖然這種模式對外殼垂直側(cè)壁的影響有些明顯，但對底座本身的影響影響并不強烈。

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

圖 6：機械模態(tài)分析表明，兩個被認為可能存在問題的機械共振不會成為問題（模態(tài) 1（左）和模態(tài) 7（中））；這些結(jié)果在振動臺測試中使用的 Voyager4 得到了證實（右）。（圖片來源：Analog Devices）

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

結(jié)語

AI 可以帶來切實的好處，例如當在機器人、轉(zhuǎn)動機械及其電機的 CbM 中使用時，可延長電池使用壽命。要在一個有效的系統(tǒng)中實現(xiàn)這種邊緣 AI
CbM 功能，需要精心選擇、集成一系列組件。借助具有無線功能的 EV-CBM-VOYAGER4-1Z 評估套件，帶有嵌入式 AI 硬件加速器的
Analog Devices MCU 可用來快速開發(fā) CbM 邊緣 AI 解決方案。

審核編輯 黃宇