李劍，張波濤，薛丹丹，李闖澤

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)由現(xiàn)場采集系統(tǒng)和上位機(jī)組成。然而現(xiàn)場采集系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高精度瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集的關(guān)鍵。目前瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)大多利用電動(dòng)式振動(dòng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、AD、MCU、存儲(chǔ)器組成，這種傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)體積大、價(jià)格高、分辨率低，同時(shí)由于電動(dòng)式傳感器多為單軸、雙軸，不能很好的提取組成振動(dòng)信號(hào)的體波、面波的三維振動(dòng)信息從而在估計(jì)振源，檢測材料內(nèi)部裂縫方面造成了極大地誤差。針對(duì)這種問題，本文提出了一種基于MEMS三軸數(shù)字加速度計(jì)的瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

利用MEMS三軸數(shù)字加速度計(jì)進(jìn)行瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集，不僅能夠采集振動(dòng)信號(hào)的三維信息，提高估計(jì)振源，檢測材料內(nèi)部裂縫的精度，同時(shí)由于數(shù)字加速度傳感器是一種將模擬三軸加速度計(jì)、信號(hào)調(diào)理、A/D、數(shù)字濾波、SPI接口IC集成的芯片級(jí)振動(dòng)傳感器，因此極大地減小了系統(tǒng)的體積[2]。

本系統(tǒng)針對(duì)MEMS三軸數(shù)字加速度計(jì)設(shè)計(jì)了現(xiàn)場采集硬件電路，開發(fā)了上位機(jī)軟件控制平臺(tái)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，現(xiàn)場采集系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，以ADI公司的三軸數(shù)字加速度計(jì)ADXL345作為前端拾振傳感器，采用USBIO公司USB2SPI解決ADXL345的SPI接口與PC USB接口通信的問題，12M的晶振為USB2SPI提供外部時(shí)鐘信號(hào)。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，利用VC++6.0開發(fā)前后臺(tái)軟件，完成加速度計(jì)的休眠、喚醒，三軸數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，硬件系統(tǒng)與上位機(jī)連接狀態(tài)的檢測等功能。根據(jù)瞬態(tài)振動(dòng)測試的要求，提出了如下的設(shè)計(jì)指標(biāo)：

1）硬件系統(tǒng)尺寸：3cm×3cm；

2）采集系統(tǒng)分辨率0.004g；

3) 系統(tǒng)采樣率 ：50、100、200、400、800、1600、3200（Hz）可選；

4) 頻率響應(yīng)范圍 ：0-1600Hz（ 可設(shè)置）；

5）量程 ：2、4、8、16（g）可選。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 現(xiàn)場采集系統(tǒng)

2.1 MEMS三軸數(shù)字加速度計(jì)

本系統(tǒng)的核心部件—3軸數(shù)字加速計(jì)，采用ADI公司的ADXL345。其工作過程的建立主要通過對(duì)12個(gè)獨(dú)立內(nèi)部寄存器的設(shè)置來完成,下面詳細(xì)介紹幾個(gè)主要寄存器狀態(tài)的設(shè)置,即: 采樣速率寄存器BW_RATE，緩存模式寄存器FIFO_CTL、供電模式寄存器POWER_CTL及SPI接口模式和量程設(shè)置寄存器DATA_FORMAL。在此設(shè)計(jì)中，針對(duì)150Hz以下低頻微振動(dòng)信號(hào)采集，設(shè)置采樣率為1600Hz，設(shè)置BW_RATE寄存器為0CH。設(shè)置內(nèi)部緩存為FIFO模式，解決上位機(jī)讀取速度與加速度計(jì)采樣速度不匹配的問題，F(xiàn)IFO_CTL寄存器設(shè)為5FH。DATA_FORMA寄存器是傳感器設(shè)置中最重要的寄存器，它包含著量程、SPI接口模式、數(shù)據(jù)輸出格式和靈敏度的設(shè)置[3]。微振動(dòng)信號(hào)一般不大于2g, SPI接口設(shè)置成4線制與USB-SPI接口匹配，靈敏度設(shè)置為最小4mg/LSB, 數(shù)據(jù)輸出格式默認(rèn)為帶符號(hào)擴(kuò)展位4位16進(jìn)制，DATA_FORMA寄存器設(shè)置為08H[4]。POWER_CTL寄存器用來設(shè)定供電模式，在正常采集過程中，設(shè)置為測量模式07H，結(jié)束后轉(zhuǎn)換到自動(dòng)休眠模式10H。

圖2 MEMS三軸數(shù)字加速度計(jì)電路連接圖

2.2 SPI-USB接口電路

為了解決ADXL345 的SPI接口與上位機(jī)的USB接口不匹配的問題，選用USBIO公司的USB轉(zhuǎn)SPI的芯片USB2SPI[5]。

圖3是USB2SPI電路設(shè)計(jì)圖，采用型電路為USB2SPI芯片提供穩(wěn)定的12MHz時(shí)鐘信號(hào)。在設(shè)計(jì)印刷線路板PCB時(shí),為了減少外界的信號(hào)干擾，D+和D-信號(hào)線需要進(jìn)行包地處理，XI和XO引腳信號(hào)線處于高頻區(qū),為了減少高頻干擾,在此引腳周邊電路設(shè)置環(huán)地線。

圖3 USB-SPI外圍電路

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用VC++6.0開發(fā)了ADXL345現(xiàn)場采集系統(tǒng)的軟件控制平臺(tái)。

3.1 瞬態(tài)振動(dòng)動(dòng)信號(hào)采集界面

圖4為瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的軟件顯示界面。該界面分為傳感器配置、采集控制、總線控制、狀態(tài)顯示4部分[6]。傳感器配置部分主要用來設(shè)置傳感器參數(shù)包括量程、采樣率、采樣時(shí)間、緩存模式等；采集控制部分主要用來控制系統(tǒng)運(yùn)行過程，包括傳感器狀態(tài)設(shè)置、片選設(shè)置、設(shè)備連接、關(guān)閉以及信號(hào)采集；總線控制部分主要用來設(shè)置SPI時(shí)鐘速度、讀寫指令長度；狀態(tài)顯示是指用戶通過人機(jī)交互界面，對(duì)硬件系統(tǒng)發(fā)送指令之后，硬件系統(tǒng)返回的狀態(tài)。

圖4 瞬態(tài)振動(dòng)動(dòng)信號(hào)采集界面

3.2 軟件流程

系統(tǒng)的上位機(jī)軟件流程如圖5所示，包括：設(shè)備連接狀態(tài)檢測，傳感器初始化配置，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、設(shè)備關(guān)閉。

圖5 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證方案的可行性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)測，現(xiàn)場采集系統(tǒng)采用膠合螺栓安裝方法，固定在實(shí)驗(yàn)室的光滑地面上，z軸朝上，采樣時(shí)間設(shè)為2s、采樣率為1600Hz、帶寬設(shè)為150Hz、傳感器量程為g，靈敏度為4mg/LSB。

4.1 近滿量程瞬態(tài)沖擊測試

利用鐵錘連續(xù)用力敲擊地面4次，判斷系統(tǒng)在近滿量程時(shí)工作狀況，如圖6所示[7]。

圖6 近滿量程瞬態(tài)沖擊測試圖

由圖6可得，在振動(dòng)強(qiáng)度接近量程最大值2g時(shí)，MEMS現(xiàn)場采集系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的進(jìn)行信號(hào)采集。受地球引力的影響，垂直方向始終承受1g的重力加速度，因此z軸振動(dòng)基線接近1g，同時(shí)由于安裝的原因，不能保證z軸絕對(duì)垂直與水平面，導(dǎo)致 x、y軸的基線不等于0g。

4.2 分辨率閾值測試

利用鐵錘連續(xù)輕輕敲擊地面4次，確定MEMS采集系統(tǒng)的真實(shí)分辨率，如圖7所示[8]。

圖7 分辨率閾值測試

由圖7可得，在瞬態(tài)振動(dòng)采集過程中，MEMS采集系統(tǒng)y軸振動(dòng)信號(hào)最小為0.004g，說明的系統(tǒng)的分辨率可達(dá)0.004g。

由以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可知，現(xiàn)場采集系統(tǒng)可以檢測到的瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)，這已經(jīng)完全滿足利用瞬態(tài)振動(dòng)法進(jìn)行無損檢測時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的分辨率要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于MEMS技術(shù)的瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)。在深入研究MEMS數(shù)字加速度計(jì)配置原理與USP2SPI提供的應(yīng)用層接口基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以MEMS三軸加速度計(jì)為核心的硬件結(jié)構(gòu)、應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)現(xiàn)場采集系統(tǒng)進(jìn)行了瞬態(tài)沖擊、分辨率閾值探測實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)能夠?qū)θS瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行有效檢測。該系統(tǒng)在無損檢測、故障診斷領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

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