项目概述

笔者利用下班时间，编写了初版上位机软件。通过USB转RS485线，走Modbus协议，成功读取了串口加速度传感器数据。笔者在万能的X宝自费不到200软妹币购置了此款传感器。系虎彩全厂首次尝试编写上位机软件。

功能描述

将此传感器固定于印刷机等中大型设备的电机等位置处，即可实现对机器振动情况（对应传感器加速度）的在线监测，对峰值与峰峰值的监控可以确保机器的振动幅度在安全范围。当传动系统有异物进入或紧固件掉落导致电机堵转、轴类零件窜动时及时报警，防止损失扩大。对采样的数据进行可视化数据分析即可获知设备的劣化情况。利用Fourier变换还可得知时域的曲线，从而得知振动频率是否提高（项目搁置，暂未完成）。

上位机原理

使用NModbus库，读取出传感器寄存器中的数值，将寄存器中的二进制数转化为16位整数，并利用公式计算出实际的物理量。读取出的数据格式化为txt。

初始化连接

//初始化private void Form1_Load(object sender, EventArgs e){button4.Text= "开始自动更新";comboBox2.SelectedIndex = 2;comboBox5.SelectedIndex = 0;comboBox3.SelectedIndex = 0;comboBox4.SelectedIndex = 0;functionCode = "03 Read Holding Registers";}private SerialPort InitSerialPortParameter(){portName = "COM3";baudRate = 9600;parity = Parity.None;dataBits = 8;stopBits = StopBits.One;port = new SerialPort(portName, baudRate, parity, dataBits, stopBits);return port;}private SerialPort InitSerialPortParameter(){portName = "COM3";baudRate = 9600;parity = Parity.None;dataBits = 8;stopBits = StopBits.One;port = new SerialPort(portName, baudRate, parity, dataBits, stopBits);return port;}
private void button1_Click(object sender, EventArgs e){richTextBox1.Clear();richTextBox2.Clear();}private void button2_Click(object sender, EventArgs e){try{//初始化串口参数InitSerialPortParameter();master = ModbusSerialMaster.CreateRtu(port);ExecuteFunction();}catch (Exception){MessageBox.Show("初始化异常");}}private void SetReadParameters(int dataaddress_read){slaveAddress = 80;startAddress = (ushort)dataaddress_read;numberOfPoints = 1;}

由于本款传感器默认按16进制计算，很多参数需自行转化为10进制。Modbus地址为0x50，换算后为80。我选用波特率9600的低速模式，占用的端口为COM3。

读取寄存器原始数据

        private async void ExecuteFunction(){try{//每次操作是要开启串口 操作完成后需要关闭串口//目的是为了slave更换连接是不报错if (port.IsOpen == false){port.Open();}//读取保持寄存器SetReadParameters(dataaddress_read);registerBuffer = master.ReadHoldingRegisters(slaveAddress, startAddress, numberOfPoints);str_register = registerBuffer[0].ToString();str_register_int = int.Parse(str_register);//求补码if (str_register_int <= 32767){//正数的原码=补码}else{str_register_int_short = (short)((~str_register_int - 0xFFFF0000) + 1);str_register_int = -str_register_int_short;}for (int i = 0; i < registerBuffer.Length; i++){SetMsg(registerBuffer[i] + "\t");}//     SetMsg("\t\n");port.Close();}catch (Exception ex){MessageBox.Show(ex.Message);}}public void SetMsg(string msg){richTextBox1.Invoke(new Action(() => { richTextBox1.AppendText(msg); }));}

由于C#中int为32位，传感器的寄存器是16位二进制补码且按大端存储，故按照字符串的方式读出后仍需要想办法计算出带±的原码，否则无法获取角度/加速度为-时的物理量。我采用了按位取反后减去高位并+1的方法获取到高位为0的int32数值，再强制转化为short（即int16）获取到正确的10进制原始数值。
为防止串口占用导致软件功能异常，每次读取后都要关闭串口。
SetMsg为委托更新数据，防止卡死。

换算为实际物理量

private void button3_Click(object sender, EventArgs e){try{//61,62,63为角度寄存器地址；52，53，54为加速度寄存器地址//显示时间richTextBox1.Text = richTextBox1.Text + DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:fff")+"\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:fff") + "\t";for (dataaddress_read = 61; dataaddress_read < 64; dataaddress_read++){ExecuteFunction();if (dataaddress_read == 61){angel_x = (double)str_register_int / 32768 * 180;}else if (dataaddress_read == 62){angel_y = (double)str_register_int / 32768 * 180;}else{angel_z = (double)str_register_int / 32768 * 180;}label14.Text = angel_x.ToString();label15.Text = angel_y.ToString();label16.Text = angel_z.ToString();}//    richTextBox1.Text = richTextBox1.Text + "\n";for (dataaddress_read = 52; dataaddress_read < 55; dataaddress_read++){ExecuteFunction();if (dataaddress_read == 52){ax =- (double)str_register_int / 32768 * 16*9.8;}else if (dataaddress_read == 53){ay =- (double)str_register_int / 32768 * 16 * 9.8;}else{az =- (double)str_register_int / 32768 * 16 * 9.8;}label19.Text = ax.ToString();label18.Text = ay.ToString();label17.Text = az.ToString();                   }richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + angel_x.ToString()+  "\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + angel_y.ToString() + "\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + angel_z.ToString() + "\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + ax.ToString() + "\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + ay.ToString() + "\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + az.ToString() + "\t";richTextBox1.Text = richTextBox1.Text + "\n";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + "\n";}catch (Exception){MessageBox.Show("初始化异常");}}

此为手动模式下的换算及格式化。

Modbus RS458转USB加速度传感器上位机

自动模式

private void button3_Click(object sender, EventArgs e){try{//61,62,63为角度寄存器地址；52，53，54为加速度寄存器地址//显示时间richTextBox1.Text = richTextBox1.Text + DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:fff")+"\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:fff") + "\t";for (dataaddress_read = 61; dataaddress_read < 64; dataaddress_read++){ExecuteFunction();if (dataaddress_read == 61){angel_x = (double)str_register_int / 32768 * 180;}else if (dataaddress_read == 62){angel_y = (double)str_register_int / 32768 * 180;}else{angel_z = (double)str_register_int / 32768 * 180;}label14.Text = angel_x.ToString();label15.Text = angel_y.ToString();label16.Text = angel_z.ToString();}//    richTextBox1.Text = richTextBox1.Text + "\n";for (dataaddress_read = 52; dataaddress_read < 55; dataaddress_read++){ExecuteFunction();if (dataaddress_read == 52){ax =- (double)str_register_int / 32768 * 16*9.8;}else if (dataaddress_read == 53){ay =- (double)str_register_int / 32768 * 16 * 9.8;}else{az =- (double)str_register_int / 32768 * 16 * 9.8;}label19.Text = ax.ToString();label18.Text = ay.ToString();label17.Text = az.ToString();                   }richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + angel_x.ToString()+  "\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + angel_y.ToString() + "\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + angel_z.ToString() + "\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + ax.ToString() + "\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + ay.ToString() + "\t";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + az.ToString() + "\t";richTextBox1.Text = richTextBox1.Text + "\n";richTextBox2.Text = richTextBox2.Text + "\n";}catch (Exception){MessageBox.Show("初始化异常");}}

由于采用的是只读模式，传感器在9600波特率可达到50Hz采样频率，115200波特率可达到100H在采样频率，考虑到使用txt保存数据的方式不足以解决数据量过大的问题，暂且使用计时器2Hz自动刷新。

C#编写的ModbusRTU加速度传感器上位机

数据保存

private void button6_Click(object sender, EventArgs e){//保存数据到txtif (richTextBox2.Text == string.Empty){MessageBox.Show("要写入的文件内容不能为空");}else{//设置保存文件的格式saveFileDialog1.Filter = "文本文件(*.txt)|*.txt";if (saveFileDialog1.ShowDialog() == DialogResult.OK){//使用“另存为”对话框中输入的文件名实例化StreamWriter对象StreamWriter sw = new StreamWriter(saveFileDialog1.FileName, true);//向创建的文件中写入内容sw.WriteLine(richTextBox2.Text);//关闭当前文件写入流sw.Close();richTextBox2.Text = string.Empty;}}}

数据可视化分析

将格式化后的txt手动粘贴到excel并链接到tableau。
利用获得的3轴角度及3轴加速度绘制曲线图。

容易看出笛卡尔坐标系下3个轴的振动情况。

尾言

使用costura可以将Nmodbus4.dll打包为一个exe，方便部署。

100Hz*86400s/d*365d=3153600000=31e条数据/年

可以看出，如果把数据全部保存，光是一个传感器的数据量就很庞大。如何保存如此庞大的数据量，并加以利用（如：拟合出劣化曲线，预测设备宕机的概率，实现预防性机修与保养）？这就需要大数据与机器学习。

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