李永建　李舜酩　郝青青　沈　峘

摘 要：在許多交通運(yùn)行機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)測(cè)量中,強(qiáng)噪聲和微弱振動(dòng)信號(hào)混疊在正常振動(dòng)信號(hào)中,給振動(dòng)系統(tǒng)的微弱信號(hào)采集與分析造成了困難。針對(duì)該問題,設(shè)計(jì)一種基于TMS320F2812的四通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠用于強(qiáng)噪聲存在下的微弱振動(dòng)信號(hào)采集,能夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)振幅變化自動(dòng)調(diào)整控制放大器的增益,具有自適應(yīng)數(shù)據(jù)測(cè)量與處理的功能,因而有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；數(shù)字信號(hào)處理；自適應(yīng)放大；振幅檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-187-04

Design of Weak Vibration Signal Adaptive Data Acquisition System

LI Yongjian,LI Shunming,HAO Qingqing,SHEN Huan

(College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016,China)

Abstract：Both the significant noise and weak vibration signal are often mixed in the original vibration signal in many vehicle′s vibration signal detection,and it could make data acquisition and processing of weak vibration signal beccom more difficult.To solve this problem,a real-time data acquisition system with 4 channels using TMS320F2812 DSP is presented.The system can be used to acquire weak vibration signal in the significant noise background,and the gain of the amplifier can be adaptively adjusted according to the amplitude of the signal detected.This system has the function of adaptive data acquisition and processing of weak vibration signal.It can be used widely.

Keywords：data acquisition；DSP；adaptive amplification；amplitude detection

0 引 言

在機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)過程中,許多微弱信號(hào)包含機(jī)械運(yùn)動(dòng)的豐富特征信息,如故障特征信息等,有必要提取出來加以分析。而在微弱信號(hào)提取過程中,有時(shí)信號(hào)非常微弱,極易受到外界的干擾而淹沒于強(qiáng)噪聲之中,有時(shí)被測(cè)信號(hào)振幅變化范圍又很大,給信號(hào)采集帶來很大困難［1］。放大電路本身的噪聲性能和頻率特性也將影響到信號(hào)的提取精度［2］。對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集及處理,通常是用普通的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)去采集,然后用數(shù)字信號(hào)處理的方法來提取數(shù)據(jù)的特征信息。但是,一些由采集系統(tǒng)的不足對(duì)信息造成的損失,是后期的數(shù)字信號(hào)處理無法補(bǔ)償?shù)?。振?dòng)信號(hào)的檢測(cè)是機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和早期故障診斷的關(guān)鍵,機(jī)械系統(tǒng)早期故障引起的異常振動(dòng)信號(hào)有時(shí)都很微弱而且持續(xù)時(shí)間短,信噪比低,容易淹沒于背景噪聲中。這對(duì)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)提出了很高的要求［3-5］。針對(duì)此情況,本文考慮設(shè)計(jì)一個(gè)微弱振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)采集系統(tǒng),能

夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)的振幅實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)放大器的增益,從而檢測(cè)出微弱振動(dòng)信號(hào)。

1 系統(tǒng)框圖與結(jié)構(gòu)原理

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括DSP芯片TMS320F2812、數(shù)據(jù)采集預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、JTAG仿真接口及與計(jì)算機(jī)的通信接口。其中數(shù)據(jù)采集預(yù)處理電路共有四路,每一路包括前置放大器、抗混疊濾波電路、程控放大電路和電壓抬升與保護(hù)電路。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)了四路預(yù)處理通道,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性?？紤]到采集對(duì)象是微弱信號(hào),在每路程控放大器前設(shè)計(jì)了低噪聲前置放大器,且每一路程控放大器的增益控制信號(hào)直接來自DSP。程控放大器之前設(shè)有抗混疊低通濾波器以濾去信號(hào)中混有的高頻噪聲,減小了噪聲對(duì)信號(hào)的影響,在每一路中也設(shè)置一個(gè)抬壓與保護(hù)電路,使輸入的信號(hào)電壓穩(wěn)定在0~3 V之間。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

微弱信號(hào)采集系統(tǒng)硬件電路由信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集處理模塊兩部分組成,信號(hào)調(diào)理電路主要是消除共模干擾,對(duì)微弱小信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、電壓抬升、信號(hào)傳輸；主要由測(cè)量放大器、多重反饋型5階巴特沃斯低通濾波器、程控放大器、電壓抬升電路和保護(hù)電路構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集處理模塊主要有DSP芯片TMS320F2812、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸模塊構(gòu)成,完成對(duì)四路模擬輸入信號(hào)的采樣、過采樣處理、信號(hào)振幅的計(jì)算、數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)的傳輸。

2.1 前置放大器的設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的對(duì)象為微弱信號(hào),需要用前置放大器進(jìn)行放大。由于測(cè)量放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、抗共模干擾能力強(qiáng)、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn),在微弱信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)中廣泛用作前置放大器。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AD公司的高性能運(yùn)放AD620作為測(cè)量放大器,AD620是一種只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為1~1 000的低功耗/高精度儀表放大器。AD620具有很好的直流特性和交流特性,最大輸入失調(diào)電壓漂移為1 μV,其共模抑制比大于93 dB。在1 kHz處輸入電壓噪聲為9 nV/Hz。在0.1~10 Hz范圍內(nèi)輸入電壓噪聲的峰-峰值為0.28 μV,輸入電流噪聲為0.1 pA/Hz。G=1時(shí),它的增益帶寬為120 kHz,建立時(shí)間為15 μs。因此AD620的性能滿足該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。

2.2 程控放大電路設(shè)計(jì)

2.2.1 DSP芯片的性能特征

TMS320F2812芯片是美國(guó)德州儀器(Texas Instruments)公司研制的數(shù)字信號(hào)處理器,它是一個(gè)定點(diǎn)運(yùn)算、集成度高、高性能的DSP芯片,特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合［6,7］。其主要特點(diǎn)有：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),能在一個(gè)周期內(nèi)完成32*32位的乘法累加運(yùn)算,時(shí)鐘頻率最高可達(dá)150 MHz。片內(nèi)具有128 KB的16位FLASH存儲(chǔ)器,8 KB的16位SARAM,2個(gè)事件管理器EVA和EVB,3個(gè)32位的CPU定時(shí)器。16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)含兩路采樣保持器,可實(shí)現(xiàn)雙通道同步采樣,最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為80 ns。含2個(gè)通用異步串口(SCI),2個(gè)多通道緩沖串口(McBSP),56個(gè)獨(dú)立配置的通用多功能I/O(GPIO)。

2.2.2 DAC0832芯片的性能特征

DAC0832是AD公司生產(chǎn)的高精度、低功耗、8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器,能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。DAC0832具有數(shù)字輸入鎖存的功能。DAC0832的互補(bǔ)輸出端Iout1,Iout2均為電流信號(hào),且之和為常數(shù)。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位,轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs,參考電壓為-10～+10 V,供電電源為+5～+15 V,邏輯電平輸入與TTL兼容。DAC0832具有兩級(jí)鎖存器,第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器,它的允許鎖存信號(hào)為ILE,第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器。

2.2.3 程控放大電路的組成

程控放大電路由DAC0832芯片、高精度放大器LM357和反饋電阻組成,受TMS320F2812芯片的控制信號(hào)、片選信號(hào)控制,如圖2所示。DAC0832用作程控放大器,是把DAC0832的參考電壓端接輸入信號(hào),數(shù)字信號(hào)輸入端接TMS320F2812芯片的控制信號(hào),互補(bǔ)輸出端Iout1和Iout2引腳分別接放大器LM357的反向輸入端和同向輸入端。DAC0832的互補(bǔ)輸出端Iout1、Iout2均為電流信號(hào),需外接一個(gè)放大器實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換。T型電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻是10 KΩ,接一個(gè)阻值為2.55 MΩ反饋電阻R璮,就構(gòu)成一個(gè)程控放大器。用該程控放大電路可以實(shí)現(xiàn)增益為：20,21,22,…,28-1,從而擴(kuò)大了被測(cè)信號(hào)的范圍。

圖2 程控放大器電路

其中:8號(hào)引腳Uref是模擬電壓輸入端,接前置放大器的輸出端；CS1和ILE1是來自DSP芯片的片選與使能信號(hào)；XD0~XD7是來自DSP芯片的增益控制信號(hào)；DAC0832芯片的Iout1和Iout2引腳分別接放大器LM357的反向輸入端2和同向輸入端3；R66為反饋電阻R璮,LL1為放大器輸出端。

2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

有源濾波器不僅體積小,而且輸出阻抗和截止頻率f瑿無關(guān),能夠前、后級(jí)之間相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)。巴特沃斯低通濾波器具有通頻帶比較平坦,且下降快等優(yōu)點(diǎn)。在該系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)中,采用多重反饋型5階巴特沃斯低通濾波器。

2.4 電壓抬升與保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電壓抬升電路由一個(gè)OP放大器和一個(gè)1.5 V的抬壓基準(zhǔn)構(gòu)成。OP放大器的同相輸入端接一個(gè)穩(wěn)定的1.5 V基準(zhǔn)電壓,反相輸入端接信號(hào)輸入端,放大器的增益設(shè)置為1，這就實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的電壓反相,且抬壓1.5 V。保護(hù)電路由一個(gè)3 V的穩(wěn)壓管和二極管組成,保證經(jīng)過電路的電壓在0~3 V范圍內(nèi)。

3 算法設(shè)計(jì)與軟件流程實(shí)現(xiàn)

TMS320F2812芯片的A/D轉(zhuǎn)換器每次可以采集16路信號(hào),而該采集系統(tǒng)僅有四路輸入信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的過采樣,提高采集數(shù)據(jù)的精度。首先對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行過采樣處理,然后計(jì)算采集到的信號(hào)的幅值,并與設(shè)定值做比較以判斷調(diào)節(jié)程控放大器與否,同時(shí)把采集到的數(shù)據(jù)除以其對(duì)應(yīng)的放大增益和進(jìn)行數(shù)字濾波,結(jié)果存放在數(shù)組中,數(shù)組中的數(shù)據(jù)通過異步串口SCI向上位PC機(jī)傳輸。

3.1 信號(hào)幅值檢測(cè)的算法

在程控放大器的設(shè)計(jì)中,對(duì)被測(cè)信號(hào)振幅的檢測(cè)至關(guān)重要,它是實(shí)現(xiàn)程控放大的關(guān)鍵。以往的程控放大器,多數(shù)是根據(jù)被測(cè)信號(hào)的幅值來調(diào)節(jié)程控放大器的放大倍數(shù),此方法比較合適于直流信號(hào)的檢測(cè)。交流信號(hào)的幅值是變化的,若根據(jù)被測(cè)信號(hào)的幅值調(diào)節(jié)程控放大器的增益,需要時(shí)刻改變程控放大器的增益,這將浪費(fèi)CPU的很多資源,影響了A/D轉(zhuǎn)換的速度,限制了被測(cè)信號(hào)的范圍,因器件程序的計(jì)算和器件的延時(shí)也會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來很大的誤差,不適合做高頻信號(hào)的采集,而且很難滿足實(shí)時(shí)性要求。一般信號(hào)的振幅是基本不變或者變化很慢,若根據(jù)信號(hào)的振幅調(diào)節(jié)程控放大器的增益,就不需要時(shí)刻調(diào)節(jié)放大器的增益,從而節(jié)約CPU的資源,減小采集帶來的誤差,提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

信號(hào)幅值的檢測(cè)是利用正交鎖相型放大器的原理實(shí)現(xiàn)的［2］,如圖3所示。被測(cè)信號(hào)為x(t),參考信號(hào)為r(t)。

圖3 信號(hào)振幅算法示意圖

圖3中,x(t)=Xcos(ωt+θ),r(t)=R(ωt),r(t)′=(ωt+90°)。

I′=x(t)*r(t)=

0.5XRcos θ+0.5XRcos(2ωt+θ)(1)

Q′=x(t)*r′(t)=0.5XRcos(θ－90°)+

0.5XRcos(2ωt+θ+90°)

(2)

經(jīng)過低通濾波器后,把交流分量去掉,得到：

I=0.5XRcos θ

(3)

Q=0.5XRcos(θ－90°)=0.5XRsin θ

(4)

根據(jù)上式,可以得到振幅X表達(dá)式為：

X2=4(I2+Q2)/R2

(5)

X=2I2+Q2/R

(6)

在數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)中,通過簡(jiǎn)單的計(jì)算可以得到信號(hào)的振幅,并與設(shè)定的數(shù)值區(qū)間做比較,根據(jù)比較的結(jié)果來調(diào)節(jié)DAC0832的增益,從而實(shí)現(xiàn)放大器根據(jù)被測(cè)信號(hào)的振幅來調(diào)節(jié)自身的增益,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自適應(yīng)放大。

3.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

DSP2812的編程工具有C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言兩種。采用C語(yǔ)言編程,代碼可讀性、可移植性強(qiáng),無需詳細(xì)了解DSP的硬件就可以上手編程,降低了編程難度。一般應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求不是特別高的場(chǎng)合。對(duì)于高速實(shí)時(shí)應(yīng)用,采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的方法,能把C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)和匯編語(yǔ)言的高效率有機(jī)結(jié)合起來。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

程序算法描述如下：

Step 1：開始;

Step 2：系統(tǒng)初始化I2;

Step 3：A/D轉(zhuǎn)換;

Step 4：數(shù)據(jù)處理;

Step 5：數(shù)據(jù)濾波;

Step 6：計(jì)算信號(hào)振幅;

Step 7：是否調(diào)節(jié)程控放大器,如不需要跳轉(zhuǎn)到Step 3;

Step 8：調(diào)節(jié)程控放大器增益;

Step 9：跳轉(zhuǎn)到Step 3;

Step 10：結(jié)束。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真

信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,對(duì)采集系統(tǒng)的性能進(jìn)行檢驗(yàn)。以振幅為0.00 001 V、頻率為100 Hz的正弦信號(hào)作為待采集的信號(hào),如圖5(a)所示,并混有白噪聲作為采集系統(tǒng)的輸入信號(hào),輸入信號(hào)的波形如圖5(b)所示。經(jīng)過放大、濾波及電壓抬升之后的信號(hào)波形如圖5(c)所示。在DSP里對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理,把采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)還原為采集前的情況,如圖5(d)所示。

有圖5(c)可見采集到的信號(hào)電壓均在0~3 V之間,適合DSP的如入范圍,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)信號(hào)振幅對(duì)信號(hào)進(jìn)行程控的目的。圖5(d)是經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后得到的信號(hào)的波形,可以計(jì)算出被采集信號(hào)的頻率為100 Hz、振幅約為10-5 V。與圖5(b)相比恢復(fù)后的信號(hào)噪聲小了很多,基本和原始信號(hào)圖5(a)給出的波形相同。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo),滿足實(shí)驗(yàn)的需要。

圖5 仿真分析

4.2 實(shí)驗(yàn)比較

在實(shí)驗(yàn)中,用實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)(江蘇東華測(cè)試有限公司的DH5935N)和本文設(shè)計(jì)的微弱振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)采集系統(tǒng)同時(shí)對(duì)試件進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集和處理,采樣頻率為12 800 Hz。圖6(a)和圖6(b)為由實(shí)驗(yàn)室采集系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)信號(hào)的波形圖和頻譜圖,圖6(c)和圖6(d)為由本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)的波形圖和頻譜圖?？梢钥闯霰疚脑O(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)放大器增益的功能,還具有高速度、低噪聲、無失真的特性。

圖6 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能根據(jù)被測(cè)信號(hào)的振幅自動(dòng)調(diào)節(jié)放大器的增益,從而自適應(yīng)地完成對(duì)不同幅值振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量和處理，降低了數(shù)據(jù)采集過程中程控放大器增益的頻率,節(jié)約了CPU開銷。

(2) 系統(tǒng)采用TMS320F2812DSP芯片作為核心處理器,DAC0832作為被測(cè)信號(hào)的振幅控制器,實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)放大器增益的自適應(yīng)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)電壓不低于1 μV,擴(kuò)大了被測(cè)信號(hào)的幅值范圍。

(3) 具有體積小、低功耗、可靠性高和擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介 李永建 男,1983年出生，安徽亳州人,碩士研究生。主要研究方向?yàn)槲⑷跽駝?dòng)信號(hào)檢測(cè)與處理。