基于ARM的振动信号采集及文件存储系统

2021-05-17 来源：eefocus

引言

在机械结构的振动过程中，许多微弱信号包含机械运动的丰富特征信息，如故障特征信息等，有必要提取出来加以分析。在微弱信号提取过程中，有时信号非常微弱，极易受到外界的干扰而淹没于强噪声之中，有时被测信号振幅变化范围又很大，会绐信号采集带来很大困难。放大电路本身的噪声性能和频率特性也将影响信号的提取精度。对振动信号的采集及处理，通常是用普通的数据采集系统去采集，然后用数字信号处理的方法来提取数据的特征信息。但是，一些由于采集系统的不足对信息造成的损失，是后期的数字信号处理无法补偿的。振动信号的检测是机械系统状态检测和早期故障诊断的关键，机械系统早期故障引起的异常振动信号有时很微弱，而且持续时间短、信噪比低，容易淹没于背景噪声中。

1 系统功能结构

针对信息化管理程度，该系统设计成既可作为一个独立系统单独运行，又可作为功能模块无缝整合接入基于ARM的信息管理系统。该系统功能结构如图1所示。

信号调理模块：通过加速度传感器采集微弱振动信号，进而经过信号调理电路(包括程控调节增益)送到LPC1768的A/D转换模块进行采集。

PC机通信模块：通过USB接口与PC机通信，可实现文件数据的增加、删除、新建等功能。

SD卡存储模块：基于FatFs文件系统的存储设计，通过SPI总线与主芯片通信，可完成数据的任何格式(如Wav)的写入，也可对SD卡内的数据进行读取。

语音播报模块：在测试过程中实时语音提醒用户当前的操作状态，语音命令预存储在SD卡内，可通过SPI总线通信进行。

2 硬件电路设计

2.1 信号调理电路设计

信号调理电路主要包括压电式加速度传感器、电荷放大电路、两级程控放大电路、带通滤波电路和电压抬升电路等。

加速度传感器：把振动信号转化为电荷信号，此处采用压电式加速度传感器，灵敏度高达1.294 pC/m·s-2，本实验主要测试频率段为1～10 kHz。

电荷放大电路：把微弱的电荷信号放大成电压信号。运算放大电路选择AD823，是双通道、精密、16 MHz带宽和高增益的放大器;反馈电容C决定了电荷转电压输出的大小以及电荷放大的频率响应特性，电容性能的好坏直接决定着电荷放大器是否稳定，此处反馈电容C设定为100 pF;反馈电阻主要作用是抑制反馈电容引起的零点漂移，由电荷放大器的下线截止频率

可知，在C一定的情况下，要保证下限截止频率，反馈电阻R必须尽可能大，此处设定为100MΩ。

带通滤波电路：设计由低通滤波电路和高通滤波电路组合的带通滤波电路，可根据通带频率计算出电阻电容值，本实验通带频率为1～10 kHz。

电压抬升电路：利用运放将电压抬升到1.5 V，同时增加了电位器的设计，可实现对抬升电位的灵活调节。

2.2 信号放大电路设计

该调理电路最突出的特点是运用数字电位器AD5245来实现对信号的自适应放大，如图2所示。

数字电位器AD5245可实现与机械电位器或可变电阻相同的电子调节功能，具有增强的分辨率、固态可靠性和出色的低温度系数性能，可通过IC兼容型数字接口控制，其调节范围可达256位。在数据采集中，主芯片LPC1768通过预采样值来判断AD5245的调节范围和调节方向，并通过I2C总线对放大倍数进行调节。

由表1可知，AD5245有多种连接方式。针对此实验，本文采用的连接方式如图3所示。

这种接法放大器的放大倍数为Rd/R，可对放大倍数进行256位分辨率的调节。

3 软件及算法设计

3.1 FatFs文件系统

FatFs是一个为小型嵌入式系统设计的通用FAT文件系统模块。FatFs的编写遵循ANSIC，并且完全与磁盘I/O层分开。独立于硬件架构，可以被嵌入到低成本的微控制器中。其结构图如图4所示。

FatFs具有非常清晰的层次结构，应用层为用户提供一系列API函数，如f_open、f_close、f_read、f_write等，用于对文件的读写等;中间层FatFsModule为Fat协议层;最底层是用户在移植过程中需要处理的接口，包括存储媒介读/写接口DiskIO和文件修改时间所需的实时时钟。根据层次式软件设计的思想，将软件工作分为3步：SD卡的通信实现、RTC时钟配置和FatFs的移植。

①SD卡的通信实现。通过SPI总线系统实现SD卡与LPC1768、PC机的通信，可实现采样数据的自动存储与通过PC机对SD卡内数据的新建、删除、修改和查找等功能。主要包括SPI模式的配置、SPI字节的读写实现、SD卡的读写实现和USB接口的配置。

②RTC时钟配置。利用LPC1768内含的RTC设备实现实时时钟功能，主要包括时钟频率的选择SysTick_Config、RTC实时时钟的初始化RTC_Init及设定RTC_SetFullTime，为文件系统提供准确的时间，可实现对每个存储文件的时间标记。

③FatFs的移植。对FatFs接口函数的编写，主要包括：存储介质初始化函数disk_initialize、存储介质状态检测函数disk_status、读扇区函数disk_read、写扇区函数disk _write、存储介质控制函数disk_ioctl等。

3.2 算法设计和软件流程实现

LPC1768微控制器内置一个8通道的12位A/D转换器，而该采集系统仅用到单路信号输入，可以实现较高频率的采样，提高了采集数据的精度。软件设计思想是在系统初始化后首先进行模式的判断，分为采集模式和USB通信模式。在采集模式下，正式数据采集存储前先进行数据预采集，对预采集的信号进行采样处理，计算采集到的信号的幅值差，并与满量程3.3 V进行判断是否需要调节和计算出调节值。通过I2C总线来调节AD5245，预调节完成后进行正式信号采集，把采集到的数据进行数字滤波并存储到数组中，数组中的数据通过SPI总线存储在SD卡中，存储完成后通过功放播放语音信号提示完成。USB模式主要为SD卡中数据与PC机的通信。主流程如图5所示。

3.2.1 信号幅值检测的算法

在程控放大器的设计中，对被测信号振幅的检测至关重要，它是实现程控放大的关键。以往的程控放大器，多数是根据被测信号的幅值来调节程控放大器的放大倍数，此方法比较适合直流信号的检测。交流信号的幅值是变化的，若根据被测信号的幅值调节程控放大器的增益，需要时刻改变程控放大器的增益，这将浪费CPU的很多资源，影响了A/D转换的速度，限制了被测信号的范围。因器件程序的计算和器件的延时也会给测量结果带来很大的误差，不适合做高频信号的采集。

故本设计采用预采集进行幅值判断，具体方法为开辟定长的数组Buffer用来存储预采集信号，同时注意在设定此Buffer长度的时候，一定要满足该长度至少为待采集信号的一个周期，然后对预采集信号进行处理判断，确定调节值及调节方向。

对预采集信号的处理：首先要计算出数组中的最大值和最小值，由于定义的数组可能较大，故给出一种新的算法代码，以大幅提高其效率(n很大时)。具体做法是：每次成对地处理数据，先将一对元素进行比较，然后把较大者与当前最大值比较，较小者与当前最小者比较，因此每两个元素需要比较3次。具体实现时需考虑n的奇偶，n为奇数，3×(n /2)次;n为偶数，3n/2—2次，因此总的比较次数至多为3×(n-2)，大大提高了计算的速度。

根据以上算法可得△V=Vmax-Vmin，故需要调节的放大倍数β约为：

这样就计算出了需要调节的AD5245_W的调节值，通过I2C总线通信完成调节，进而进行数据的正式采集。

4 实验结果及分析

通过对系统进行设计和实现，并对系统进行了测试，在采样频率为50 kHz下，对振动信号进行采样分析，预采集信号时间长度为50 ms，正式采集长度为4 00ms，由频带为1～10 kHz的激励源来激振被测物体，同时实验存储数据格式为标准的WAV格式。通过USB接口上传到PC，用上位机频谱分析软件对实验数据原信号和频谱分析进行对比试验，试验现象如图6所示。