洪耀球，李香泉，唐云華

（1. 景德鎮(zhèn)高等專科學(xué)校 數(shù)學(xué)與信息工程系，景德鎮(zhèn) 333000；2. 中航工業(yè)直升機設(shè)計研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

振動信號測試儀采集方案設(shè)計與實現(xiàn)

洪耀球1，李香泉1，唐云華2

（1. 景德鎮(zhèn)高等?？茖W(xué)校 數(shù)學(xué)與信息工程系，景德鎮(zhèn) 333000；2. 中航工業(yè)直升機設(shè)計研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

根據(jù)直升機上旋轉(zhuǎn)部件較多，振動環(huán)境復(fù)雜，振動水平過高可能導(dǎo)致駕駛員的判讀困難和身體疲勞，以及相關(guān)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞裂紋甚至斷裂；此外，惡劣的振動環(huán)境有可能導(dǎo)致機載設(shè)備不能正常工作，影響飛行安全。因此，需要對直升機相關(guān)部位的振動水平進行監(jiān)測和報警；本文就此振動信號測試儀提出了一套可行的并行數(shù)據(jù)采集方案和具體的軟件、硬件實現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)功能分析及概要設(shè)計

根據(jù)某直升機型號對振動信號采集及監(jiān)測的性能需要，測試儀需要實時監(jiān)測18路信號，其中16路振動信號，2通道的方位角信號[1]，以及具有RS-422的通信功能、實時報警功能、FFT變換及頻譜分析和比較功能等。歸納如下：

1）測量、記錄和存儲各個測量點的振動加速度原始信號，通過開關(guān)進行控制和選擇是否進行相關(guān)工作。

2）DSP實時頻譜分析功能，按照特定格式在SD卡中進行記錄并存儲頻譜結(jié)果，并能導(dǎo)出到PC上位機軟件中直接進行查看和進一步分析。

3）通過機上RS422總線系統(tǒng)，同步記錄和存儲飛行姿態(tài)、狀態(tài)和飛行操縱等相關(guān)參數(shù)，作為振動信號分析時的重要參考數(shù)據(jù)。

4）16通道ICP振動信號必須是同步采樣，每通道獨立至少達(dá)到14位A/D轉(zhuǎn)換精度，各通道最大采樣率4KHz（可調(diào)）；2通道方位角信號，至少8位A/D轉(zhuǎn)換精度并且實現(xiàn)同步采樣。

根據(jù)上述的功能要求，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)信號采集實現(xiàn)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 電源電路

外部輸入采用28V的機載電源，選用了一款航空機載電源模塊：輸入范圍為24V～30V，輸出為5V，輸出功率為9.8W。由于系統(tǒng)需要3.3V、2.5V、1.8V工作電壓，電流要求低于1A，所以采用工業(yè)級以上的芯片ASM1117-3.3、ASM1117-1.8和REF3125來構(gòu)建所需電源；其中REF3125輸出的2.5V參考電壓后面設(shè)計了一個電壓跟隨器來增加其驅(qū)動能力。電源設(shè)計如圖2所示。

2.2 信號處理與程控放大設(shè)計

傳感器輸入進來的原始信號在進行濾波和分壓處理后送入多路通道選擇開關(guān)，然后在選擇開關(guān)芯片中通過軟件分時切換輸入到ARM芯片自身帶的10位AD口[2]，此功能不是必須，而是可選功能，作為原始信號進行備份。

圖2 系統(tǒng)電源

同時，原始信號還要送入程控放大芯片，通過另一路的并行采集實現(xiàn)FFT功能。由于外部傳感器輸入進來的信號有單端的ICP信號和差分的PCB信號，所以在信號的處理上采用了2種處理模式，調(diào)理電路如圖3所示。程控放大芯片采用了性能極佳的AD8231芯片，增益可以通過引腳進行數(shù)字化編程實現(xiàn)，最小達(dá)到122db CMR的直流性能，能夠完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計的要求。

圖3 信號調(diào)理電路

2.3 A/D采集電路

為了實現(xiàn)信號的采集精度至少達(dá)到14位，系統(tǒng)采用了16位精度的ADS8361芯片來進行實現(xiàn)。此芯片能夠進行4通道的采集功能，并且能夠同時實現(xiàn)2通道并行采集，詳細(xì)設(shè)計如圖4所示。由于系統(tǒng)要求總共18路數(shù)據(jù)信號，所以采用了9片ADS8361來實現(xiàn)。所有每片AD輸出的2路數(shù)據(jù)（共18路數(shù)據(jù)）連接到FPGA分配的18個引腳，通過編程實現(xiàn)信號的實時并同時的獲取，然后在FPGA中進行FFT變換和頻譜分析、比較、存儲；并把結(jié)果傳輸給另一核心控制器ARM，通過進一步比較作出是否通過LED進行報警功能[3,4]。

圖4 AD采集電路

圖5 ARM與FPGA程序框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要是針對ARM系統(tǒng)和FPGA進行編程，ARM芯片在IAR開發(fā)環(huán)境中采用C語言進行編寫，F(xiàn)PGA在QUTARSII 中采用Verilog語言進行編寫；軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方式實現(xiàn)。

ARM芯片中主要實現(xiàn)的軟件模塊有：程控放大器增益放大控制和選通模塊、RS422數(shù)據(jù)通信模塊、USB功能模塊、多路通道選通與AD采集模塊、與FPGA數(shù)據(jù)交互模塊和鍵盤LED報警功能模塊；FPGA中軟件主要實現(xiàn)模塊有：并行AD采集功能、FFT變換及分析模塊、SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊、與ARM數(shù)據(jù)交互模塊[5]。2個核心控制器中部分軟件實現(xiàn)流程如圖5所示。

4 結(jié)論

通過ARM微處理器與FPGA構(gòu)建DSP軟核的雙核處理方式，分別實現(xiàn)原始信號采集、18路通道并行信號采集與FFT變換和頻譜分析功能；并且在FPGA中實現(xiàn)上位機PC中數(shù)據(jù)處理軟件的數(shù)據(jù)格式要求的存儲方式，實時在外接SD卡中對原始信號、頻譜信號和RS422總線傳輸過來信號進行存儲。通過本測試儀對直升機上多路振動信號、方位角信號的監(jiān)測，能夠?qū)崟r了解直升機上關(guān)鍵部位的振動狀態(tài)，為直升機的改進、改型提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)；并且能夠?qū)χ鄙龣C的飛行安全提供一定保證。

[1]胡愛軍,唐貴基,安連鎖.振動信號采集中剔除脈沖的新方法[J].振動與沖擊,2006,25,(1).

[2]彭國盛.基于ARM和以太網(wǎng)的振動信號采集器設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備,2007,27,(1).

[3]葉凡,謝志江,王世耕.振動信號采集及網(wǎng)絡(luò)化傳輸關(guān)鍵技術(shù)的FPGA實現(xiàn)[J].機械工程師,2007,(11).

[4]陳德軍,劉福華.一種基于VXI總線多通道實時數(shù)據(jù)采集及分析軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測控技術(shù),2004,23,(1).

[5]蔣亞群,張春元.ARM微處理器休系結(jié)構(gòu)及其嵌入式SOC[J].計算機工程,2002,(11):20-23.

Design and implementation of vibration signal test instrument's acquistion scheme

HONG Yao-qiu1, LI Xiang-quan1, TANG Yun-hua2

針對直升機上旋轉(zhuǎn)部件較多，振動環(huán)境比較復(fù)雜，直升機的振動環(huán)境直接影響飛行員和乘員的人機工效；同時振動引起的故障直接影響機上動部件和機載設(shè)備的工作性能和全機壽命周期的可靠性使用，以至影響到出勤率和飛行安全。為此，本文提出了一套振動信號測試儀需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，并對其并行處理的采集方案和頻譜分析進行了詳細(xì)的軟、硬件分析和設(shè)計。

振動測試；信號采集；并行處理；頻譜分析

洪耀球（1979 -），男，江西人，講師，本科，研究方向為嵌入式技術(shù)。

TM935

B

1009-0134(2011)4(上)-0028-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).09

2010-11-19