劉千令，許兆健，朱振池

(1.東南大學 軟件學院，南京 210096；2.東南大學 電氣工程學院)

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基于ARM的振動信號采集及文件存儲系統(tǒng)

劉千令1，許兆健1，朱振池2

(1.東南大學 軟件學院，南京 210096；2.東南大學 電氣工程學院)

為了更精確地對振動微弱信號進行采集，設計了一種基于ARM的嵌入式振動信號采集及SD卡存儲系統(tǒng)。本文首先介紹了硬件電路的綜合設計，完成了信號調理電路、SD卡硬件連接電路、USB連接電路和音頻功放電路的設計,隨后完成了軟件和算法的設計，其中包括基于FatFs的文件系統(tǒng)、AD5245的自適應調節(jié)算法等。由對比試驗和頻譜分析可知，本系統(tǒng)可更精確地完成大批量的數(shù)據(jù)采集工作，具有較強的實用性。

信號采集；自適應；SD卡；文件系統(tǒng)

引 言

在機械結構的振動過程中，許多微弱信號包含機械運動的豐富特征信息，如故障特征信息等，有必要提取出來加以分析。在微弱信號提取過程中，有時信號非常微弱，極易受到外界的干擾而淹沒于強噪聲之中，有時被測信號振幅變化范圍又很大，會紿信號采集帶來很大困難。放大電路本身的噪聲性能和頻率特性也將影響信號的提取精度。對振動信號的采集及處理，通常是用普通的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)去采集，然后用數(shù)字信號處理的方法來提取數(shù)據(jù)的特征信息。但是，一些由于采集系統(tǒng)的不足對信息造成的損失，是后期的數(shù)字信號處理無法補償?shù)摹Ｕ駝有盘柕臋z測是機械系統(tǒng)狀態(tài)檢測和早期故障診斷的關鍵，機械系統(tǒng)早期故障引起的異常振動信號有時很微弱，而且持續(xù)時間短、信噪比低，容易淹沒于背景噪聲中[1-8]。

測量的方法、可測量的種類和范圍應不斷拓寬和更新，準確度要提高，可靠性要增強，并能夠適應各種不同的實驗環(huán)境需要，同時故障分析需要對大量樣本進行對比分析，這就要求我們配備可移動的大容量存儲介質[10-12]。針對此情況，本文主要研究了基于ARM處理器的振動信號的智能調節(jié)振幅數(shù)據(jù)采集電路設計和基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡的大容量存儲系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)功能結構

針對信息化管理程度，該系統(tǒng)設計成既可作為一個獨立系統(tǒng)單獨運行，又可作為功能模塊無縫整合接入基于ARM的信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結構

信號調理模塊：通過加速度傳感器采集微弱振動信號，進而經(jīng)過信號調理電路(包括程控調節(jié)增益)送到LPC1768的A/D轉換模塊進行采集。

PC機通信模塊：通過USB接口與PC機通信，可實現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的增加、刪除、新建等功能。

SD卡存儲模塊：基于FatFs文件系統(tǒng)的存儲設計，通過SPI總線與主芯片通信，可完成數(shù)據(jù)的任何格式(如Wav)的寫入，也可對SD卡內的數(shù)據(jù)進行讀取。

語音播報模塊：在測試過程中實時語音提醒用戶當前的操作狀態(tài)，語音命令預存儲在SD卡內，可通過SPI總線通信進行。

2 硬件電路設計

2.1 信號調理電路設計

信號調理電路主要包括壓電式加速度傳感器、電荷放大電路、兩級程控放大電路、帶通濾波電路和電壓抬升電路等。

加速度傳感器：把振動信號轉化為電荷信號，此處采用壓電式加速度傳感器，靈敏度高達1.294 pC/m·s-2，本實驗主要測試頻率段為1～10 kHz。

帶通濾波電路：設計由低通濾波電路和高通濾波電路組合的帶通濾波電路，可根據(jù)通帶頻率計算出電阻電容值，本實驗通帶頻率為1～10 kHz。

電壓抬升電路：利用運放將電壓抬升到1.5 V，同時增加了電位器的設計，可實現(xiàn)對抬升電位的靈活調節(jié)。

2.2 信號放大電路設計

該調理電路最突出的特點是運用數(shù)字電位器AD5245來實現(xiàn)對信號的自適應放大，如圖2所示。

圖2 信號放大電路

數(shù)字電位器AD5245可實現(xiàn)與機械電位器或可變電阻相同的電子調節(jié)功能，具有增強的分辨率、固態(tài)可靠性和出色的低溫度系數(shù)性能，可通過IC兼容型數(shù)字接口控制，其調節(jié)范圍可達256位。在數(shù)據(jù)采集中，主芯片LPC1768通過預采樣值來判斷AD5245的調節(jié)范圍和調節(jié)方向，并通過I2C總線對放大倍數(shù)進行調節(jié)。

由表1可知，AD5245有多種連接方式。針對此實驗，本文采用的連接方式如圖3所示。

表1 AD5245各引腳功能

圖3 AD5245接線圖

這種接法放大器的放大倍數(shù)為Rd/R,可對放大倍數(shù)進行256位分辨率的調節(jié)。

3 軟件及算法設計

3.1 FatFs文件系統(tǒng)

FatFs是一個為小型嵌入式系統(tǒng)設計的通用FAT文件系統(tǒng)模塊。FatFs的編寫遵循ANSIC，并且完全與磁盤I/O層分開。獨立于硬件架構，可以被嵌入到低成本的微控制器中。其結構圖如圖4所示。

圖4 FatFs結構圖

FatFs具有非常清晰的層次結構，應用層為用戶提供一系列API函數(shù)，如f_open、f_close、f_read、f_write等，用于對文件的讀寫等；中間層FatFs Module為Fat協(xié)議層；最底層是用戶在移植過程中需要處理的接口，包括存儲媒介讀/寫接口DiskIO和文件修改時間所需的實時時鐘。根據(jù)層次式軟件設計的思想，將軟件工作分為3步：SD卡的通信實現(xiàn)、RTC時鐘配置和FatFs的移植。

① SD卡的通信實現(xiàn)。通過SPI總線系統(tǒng)實現(xiàn)SD卡與LPC1768、PC機的通信，可實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的自動存儲與通過PC機對SD卡內數(shù)據(jù)的新建、刪除、修改和查找等功能。主要包括SPI模式的配置、SPI字節(jié)的讀寫實現(xiàn)、SD卡的讀寫實現(xiàn)和USB接口的配置。

② RTC時鐘配置。利用LPC1768內含的RTC設備實現(xiàn)實時時鐘功能，主要包括時鐘頻率的選擇SysTick_Config、RTC實時時鐘的初始化RTC_Init及設定RTC_SetFullTime，為文件系統(tǒng)提供準確的時間，可實現(xiàn)對每個存儲文件的時間標記。

③ FatFs的移植。對FatFs接口函數(shù)的編寫，主要包括：存儲介質初始化函數(shù)disk_initialize、存儲介質狀態(tài)檢測函數(shù)disk_status、讀扇區(qū)函數(shù)disk_read、寫扇區(qū)函數(shù)disk_write、存儲介質控制函數(shù)disk_ioctl等。

3.2 算法設計和軟件流程實現(xiàn)

LPC1768微控制器內置一個8通道的12位A/D轉換器，而該采集系統(tǒng)僅用到單路信號輸入，可以實現(xiàn)較高頻率的采樣，提高了采集數(shù)據(jù)的精度。軟件設計思想是在系統(tǒng)初始化后首先進行模式的判斷，分為采集模式和USB通信模式。在采集模式下，正式數(shù)據(jù)采集存儲前先進行數(shù)據(jù)預采集，對預采集的信號進行采樣處理，計算采集到的信號的幅值差，并與滿量程3.3 V進行判斷是否需要調節(jié)和計算出調節(jié)值。通過I2C總線來調節(jié)AD5245，預調節(jié)完成后進行正式信號采集，把采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波并存儲到數(shù)組中，數(shù)組中的數(shù)據(jù)通過SPI總線存儲在SD卡中，存儲完成后通過功放播放語音信號提示完成。USB模式主要為SD卡中數(shù)據(jù)與PC機的通信。主流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主流程設計

3.2.1 信號幅值檢測的算法

在程控放大器的設計中，對被測信號振幅的檢測至關重要，它是實現(xiàn)程控放大的關鍵。以往的程控放大器，多數(shù)是根據(jù)被測信號的幅值來調節(jié)程控放大器的放大倍數(shù)，此方法比較適合直流信號的檢測。交流信號的幅值是變化的，若根據(jù)被測信號的幅值調節(jié)程控放大器的增益，需要時刻改變程控放大器的增益，這將浪費CPU的很多資源，影響了A/D轉換的速度，限制了被測信號的范圍。因器件程序的計算和器件的延時也會給測量結果帶來很大的誤差，不適合做高頻信號的采集。

故本設計采用預采集進行幅值判斷，具體方法為開辟定長的數(shù)組Buffer用來存儲預采集信號，同時注意在設定此Buffer長度的時候，一定要滿足該長度至少為待采集信號的一個周期，然后對預采集信號進行處理判斷，確定調節(jié)值及調節(jié)方向。

對預采集信號的處理：首先要計算出數(shù)組中的最大值和最小值，由于定義的數(shù)組可能較大，故給出一種新的算法代碼，以大幅提高其效率(n很大時)。具體做法是：每次成對地處理數(shù)據(jù)，先將一對元素進行比較，然后把較大者與當前最大值比較，較小者與當前最小者比較，因此每兩個元素需要比較3次。具體實現(xiàn)時需考慮n的奇偶，n為奇數(shù)，3×(n/2)次；n為偶數(shù)，3n/2-2次，因此總的比較次數(shù)至多為3×(n-2)，大大提高了計算的速度。

根據(jù)以上算法可得ΔV=Vmax-Vmin，故需要調節(jié)的放大倍數(shù)β約為:

(1)

同時讀取此刻的AD5245_R值，可計算出將要調節(jié)的AD5245_W的值如下所示：

(2)

此時的電阻值為Rd:

(3)

這樣就計算出了需要調節(jié)的AD5245_W的調節(jié)值，通過I2C總線通信完成調節(jié)，進而進行數(shù)據(jù)的正式采集。

4 實驗結果及分析

通過對系統(tǒng)進行設計和實現(xiàn)，并對系統(tǒng)進行了測試，在采樣頻率為50kHz下，對振動信號進行采樣分析，預采集信號時間長度為50ms，正式采集長度為400ms，由頻帶為1～10kHz的激勵源來激振被測物體，同時實驗存儲數(shù)據(jù)格式為標準的WAV格式。通過USB接口上傳到PC，用上位機頻譜分析軟件對實驗數(shù)據(jù)原信號和頻譜分析進行對比試驗，試驗現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 信號采集原信號對比

通過對普通采樣系統(tǒng)和本系統(tǒng)采樣的原信號對比，可見在相同振動激勵下普通信號采集系統(tǒng)采集出信號的幅值最大值約為1000，并未填滿A/D轉換采集模塊最大的量程4 096。而本系統(tǒng)通過對信號的自適應放大，可將采集信號幅值最大提高到4 000左右，在一定程度上提高了信號采集的精度。

對普通采樣系統(tǒng)和本系統(tǒng)采樣信號的頻譜分析圖進行對比，如圖7所示。

圖7 信號采集頻譜分析

可見普通采集系統(tǒng)的信號的頻譜分析不僅能量值較

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劉千令(碩士研究生)，主要研究嵌入式通信、智能電網(wǎng)。

Vibration Signal Data Acquisition and File Storage System Based on ARM

Liu Qianling1, Xu Zhaojian1, Zhu Zhenchi2

(1.School of Software Engineering,Southeast University,Nanjing 210096，China;2.School of Electrical Engineering,Southeast University)

In order to accurately collect the weak vibration signal,a system based on ARM including vibration signal acquisition and SD card storage is designed.This paper first introduces the integrated design of the hardware circuit,including the signal conditioning circuit,SD card hardware connection circuit,USB connection circuit and the design of the audio power amplifier circuit.Then the software and algorithm design are completed,including the FatFs file system,AD5245 adaptive control algorithm.Through the contrast test and spectrum analysis,the result shows that this system can be more accurately to complete the work of data acquisition in large quantities, and it has stronger practicability.

signal acquisition;self-adaption;SD card;file system

TP271

A

迪娜

2014-08-05)