劉超，耿也，舒奎，肖志恒

(大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116034)

基于STM32的軸承振動測試儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)

劉超，耿也，舒奎，肖志恒

(大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116034)

在分析軸承振動測試儀工作原理的基礎(chǔ)上，自主開發(fā)一款適用于軸承振動測試儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制器以STM32控制芯片為核心，軸承振動測試儀以傳感器為信號輸入端，通過數(shù)字濾波得到三分頻結(jié)果。對比原有儀器，此系統(tǒng)能夠降低生產(chǎn)成本、簡化結(jié)構(gòu)。

STM32芯片;軸承振動測試儀;數(shù)據(jù)采集

在機械制造領(lǐng)域中，軸承一直是被大量使用的零件之一，廣泛地被應(yīng)用于飛機、汽車、航天、輪船等行業(yè)。在確保軸承出廠質(zhì)量方面，我國擬定了非常嚴格的標準，主要的依據(jù)有3個:國家的標準，行業(yè)的標準和企業(yè)的標準［1］。檢查的項目根據(jù)重要性可分為3項:關(guān)鍵項目、次要項目和主要項目。主要項目中的振動檢測是目前我國軸承行業(yè)技術(shù)弱項。據(jù)旋轉(zhuǎn)機械的故障統(tǒng)計，30%的故障跟軸承有關(guān)，所以說軸承質(zhì)量的好壞跟機械設(shè)備的正常運行有著緊密的聯(lián)系。為了制造出合格的軸承，提高軸承質(zhì)量檢測技術(shù)水平特別是軸承振動測試水平顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)總體概述

振動監(jiān)測系統(tǒng)的主要工作就是對滾動軸承振動信號的實時采集及處理［2］。首先對傳感器采集到的信號進行調(diào)理，濾掉無用的信號得到有用的信號［3］。基于STM32芯片構(gòu)成的實時信號處理系統(tǒng)，主要包括數(shù)字信號的處理、濾波及AD轉(zhuǎn)換等［4］。軸承振動測試儀的原理圖如圖1所示。

圖1 軸承振動測試儀原理圖

軸承振動測試時，軸承在模擬實際工作狀態(tài)下運行。把芯軸插入主軸孔，軸承裝載在芯軸上，電機運轉(zhuǎn)通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸再帶動芯軸旋轉(zhuǎn)，這時軸承便在芯軸的帶動下旋轉(zhuǎn)，同時對軸承軸向和徑向加載模擬力。軸承軸向和徑向加載力的圖示分別如圖2和3所示。軸承是在模擬帶載運動狀態(tài)下振動，由壓在外圈上的傳感器收集信號。傳感器送出的信號微弱，噪聲混雜，經(jīng)過前置處理送入芯片進行A/D轉(zhuǎn)換。從傳感器接收到的振動信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后由主控芯片把其分成了高、中、低3個頻段，由外接的3個儀表顯示出來。

圖2 軸承軸向加載

圖3 軸承徑向加載

2 控制器硬件設(shè)計

該系統(tǒng)選用STM32F103VET6為主控芯片，該芯片內(nèi)部集成FLASH、RAM、TIMER、USART等，它是專門為低功耗和對成本要求較高的電子應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計的、具備較高性價比的處理器芯片，應(yīng)用領(lǐng)域可從低端控制器到復(fù)雜的SoC設(shè)備［5－6］。

2.1 電源模塊及電壓轉(zhuǎn)換電路

STM32F103VET6的工作電壓 (Vdd)為2.0～3.6 V。而控制器的輸入電壓為5 V，這里采用AMS1117將輸入電壓轉(zhuǎn)換成CPU工作電壓，電壓輸入、輸出端分別接10 V鉭電容和100 nF的普通電容。

AMS1117系列穩(wěn)壓器分為:有可調(diào)版及不可調(diào)電壓版，而文中采用穩(wěn)定輸出 3.3 V的固定板，AMS1117的片上微調(diào)將標準電壓調(diào)整為1.6%以內(nèi)的誤差，與此同時電流的限制也受到了充分的調(diào)節(jié)，來盡可能地減少由于穩(wěn)壓器和電源電路的超載而造成的壓力。其特點如下:

(1)能夠提供包括固定電壓輸出版本 (固定電壓包括1.8，3.3，5 V)跟三端可調(diào)電壓輸出版本;

(2)最高輸出電流可達1 A;

(3)輸出電壓精度高達2%;

(4)穩(wěn)定電壓工作范圍高達12 V;

(5)限流功能;

(6)過熱切斷;

(7)溫度范圍:－20～120℃。

AMS1117引腳功能如下所示:

(1)腳:接地端，與GND 5 V相連;

(2)腳:電壓輸出端，接3.3 V;

(3)腳:5 V電壓輸入端。

其電源電路如圖4所示。

圖4 電源電路

2.2 看門狗電路

電壓比較電路如圖5所示，此電路是把MAX813L作為控制核心。PFI引腳是電源故障的輸入端，也就是當輸入電壓小于1.25 V時，PFO的輸出電平就由高變?yōu)榈?。選用的R42阻值是4.2 kΩ，R44是1 kΩ的電阻。依據(jù)電阻分壓原理，當輸入電壓小于4 V時，也就是說PFI的輸入電壓小于1.25 V時，則PFO引腳就會產(chǎn)生提示信號?？刂破髋溆?.22 F的大電容，可以起到供電作用，它可以對控制器持續(xù)供電長達1 s，在這段時間里控制器可以將需要存儲的數(shù)據(jù)寫入到SD卡中去。

圖5 看門狗電路

2.3 JTAG仿真下載電路設(shè)計

JTAG口可實現(xiàn)STM32的仿真、調(diào)試、下載等功能，STM32內(nèi)核集成了JTAG調(diào)試接口，JTAG調(diào)試接口提供了一個連接 AHP-AP端口的5引腳標準JTAG接口，TCK對應(yīng)JTCK是測試時鐘的輸入端，TDI對應(yīng)JTDI是測試數(shù)據(jù)輸入，TDO對應(yīng)JTDO是測試數(shù)據(jù)輸出端，TMS對應(yīng)JTMS是測試模式選擇端，TMS用來設(shè)置JTAG處于某種特定的測試模式，TRST對應(yīng)JTRST是測試復(fù)位端，低電平有效，RESET端接到STM32F103VET6復(fù)位端即可［7］。電路連接如圖6所示。

圖6 JTAG電路

ULN2804只是一個簡單的反相器，內(nèi)部每個輸出通道都有一個二極管，二極管的正極接輸出端，負極接驅(qū)動電源。

2.4 傳感器的選擇

在此次設(shè)計中，使用了壓電式加速度傳感器，其特點是具有很好的高頻響應(yīng)特性，所以被廣泛地應(yīng)用在壓力、振動、加速度及位移等測量中［8］。另一方面壓電式加速度傳感器體積小、質(zhì)量輕、頻帶寬 (零點幾赫茲到數(shù)十千赫茲)、測量范圍大 (10－5～104m/s2)、應(yīng)用溫度范圍廣 (400～700℃)，所以廣泛地使用在加速度、振動或沖擊測量中。

2.5 信號調(diào)理電路

STM32F103RBT6系列微處理器所帶的2個18通道12位ADC轉(zhuǎn)換頻率最高可達1 MHz，每個通道的采樣間隔時間均可獨立編程設(shè)置，在通道轉(zhuǎn)換期間，ADC產(chǎn)生DMA請求，使DMA來傳輸ADC轉(zhuǎn)換值，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。由于芯片自身的AD轉(zhuǎn)換精度可以滿足采集要求，節(jié)省了AD轉(zhuǎn)換電路，只需外加信號調(diào)理電路即可把傳感器的電流值轉(zhuǎn)換成放大的電壓值，利用AD620的高效性和準確性簡化了信號調(diào)理電路，每一路的信號調(diào)理電路如圖7所示。

圖7 信號調(diào)理電路

2.6 A/D設(shè)計

A/D主要是把傳感器傳來的模擬信號轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能識別的數(shù)字信號，流程圖如圖8所示。

此程序中完全沒有使用中斷，而ADC及DMA的配置工作都由用戶函數(shù)ADC1_Init()完成了。配置完ADC及DMA后，ADC就不停地采集數(shù)據(jù)，而DMA自動地把ADC采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至內(nèi)存中的變量ADC _ConvertedValue中，所以在main函數(shù)的while循環(huán)中使用的 ADC_ConvertedValue都是實時值。接下來重點分析ADC1_Init()這個函數(shù)是如何配置ADC的。

圖8 AD流程圖

ADC1_Init()函數(shù)使能了ADC1，并使ADC1工作于DMA方式。ADC1_Init()這個函數(shù)是在用戶文件adc.c中實現(xiàn)的用戶函數(shù):

3 結(jié)論

介紹了軸承振動測試儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)及其功能，研發(fā)一套軸承振動測試儀數(shù)據(jù)采集的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用開放式接口以及模塊化設(shè)計，解決軸承振動信號處理分析的技術(shù)問題;采用了高集成度的STM32F103VET6，從而使外圍電路更簡便。

【1】黃嘯.軸承振動自動檢測儀的研制［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

【2】權(quán)建軍.滾動軸承振動信號無線采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.工礦自動化，2012(6):34－35.

【3】李君.基于虛擬儀器動態(tài)信號測試系統(tǒng)的設(shè)計［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008(1):26－27.

【4】王林，劉書明，張靜.基于ADSP-TS101S的多芯片數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)方案［J］.電子設(shè)計應(yīng)用，2004 (9):56－58.

【5】ARM-based 32-bit MCU STM32F101xxand STM32Fl03xx Firmware Library User Manual，STMicroelectronics.2008.

【6】SHUHAIL M A.Direct Load Control Using Programmable Logic ContRoller［D］.King Fahd University of Petroleumand Minerals，2002:96－101.

【7】劉歡.基于DSP的電動叉車交流伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究［D］.杭州:杭州電子科技大學(xué)，2009:44－45.

【8】王建生.基于DSP的球磨機軸振頻譜分析、監(jiān)測與實現(xiàn)［D］.南京:東南大學(xué)，2007.

Development of Data Acquisition System for Bearing Vibration Measuring Instrument Based on STM32

LIU Chao，GENG Ye，SHU Kui，XIAO Zhiheng
(School of Information Science＆Engineering，Dalian Polytechnic University，Dalian Liaoning 116034，China)

Based on analyzing the principle of bearing vibration measuring instrument，a data acquisition system suitable for bearing vibration measuring instrument was developed independently.The controller core was STM32 control chip.The signal input of the bearing vibration measuring instrument was sensor，three points frequency was obtained by digital filtering.Comparing to original instruments，using this system，the production cost can be reduced，the structure is simplified.

STM32 chip;Bearing vibration measuring instrument;Data acquisition

TP29

B

1001－3881(2014)8－127－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.040

2013－04－04

劉超 (1987—)，女，碩士研究生，從事信息系統(tǒng)與系統(tǒng)集成方向的研究。E－mail:523750151@qq.com。