李國強, 謝永成,魏 寧

(裝甲兵工程學院 控制工程系，北京 100072)

基于單片機的直流電動機的信號采集系統(tǒng)設計

李國強, 謝永成,魏 寧

(裝甲兵工程學院 控制工程系，北京 100072)

裝甲車輛起動過程中，直流電動機部分容易發(fā)生故障，傳統(tǒng)的電機診斷方法都是定期制定維修計劃，這種檢修方式容易造成維修不足、維修過量以及盲目維修的問題，為了深入分析電動機故障發(fā)生時的參數(shù)信息的變化，構建一套能夠采集電機運行參數(shù)的系統(tǒng)，對采集電樞電流和振動信號進行時頻域分析，能夠反映故障發(fā)生的特點；該系統(tǒng)以STM32103C8T6為主控芯片，設計了電流、振動信號采集電路，信號調理電路，對A/D轉換模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊進行了編程實現(xiàn)，能夠對直流電動機的電樞電流和振動信號進行實時采集，并將數(shù)據(jù)保存到上位機中進行后續(xù)的調用處理；通過測量對比直流電動機起動過程軸承部位發(fā)生不同故障時的電流和振動信號，利用MATLAB仿真實現(xiàn)時域內的信號顯示，并在MATLAB平臺中，編程實現(xiàn)了振動信號的時頻域分析；仿真結果表明，該采集系統(tǒng)能夠準確測量信號，具有成本低，體積小，精度高等優(yōu)點，能夠為故障特征提取提供較好的數(shù)據(jù)基礎。

直流電動機；信號采集；MATLAB仿真

0 引言

裝甲車輛的直流電動機是車輛起動過程中的重要部件，由于運行環(huán)境復雜，檢修管理制度落后以及檢測效率低，直流電動機很容易發(fā)生故障，其中較為常見的包括繞組故障、軸承故障、換向故障、電樞故障、氣隙偏心故障等。當故障發(fā)生時，通過檢測工作時的狀態(tài)量(如電流、振動、溫度、噪聲等)的變化，與正常工作時的狀態(tài)量相比較，就能發(fā)現(xiàn)電動機的故障。其中電樞電流和振動信號受外界干擾小，包含奇異性成分，因此采集這兩種信號進行分析能夠較好的反映電動機發(fā)生故障的特點，提高故障診斷能力，直接影響到電動機故障診斷的可靠性[1]?，F(xiàn)在市場上還沒有一種既可以測電流信號又可以測振動信號的儀器，而且市場上出售的采集系統(tǒng)價格都比較昂貴。為此設計一套性價比高的信號采集系統(tǒng)很有必要。本文采用STM32103C8T6型單片機為核心，開發(fā)了便攜式信號采集系統(tǒng)，能夠實時測量電樞電流和振動信號，并能將數(shù)據(jù)傳到上位機中進行分析處理，可以利用傅里葉變化、小波分析，希爾伯特黃變換等信號處理方法對數(shù)據(jù)作時頻域分析處理，可以更加有效的進行故障特征提取，提高了故障診斷能力。

1 信號采集系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)硬件設計總體框圖及原理

本文設計的信號采集系統(tǒng)是以STM32103C8T6芯片作為控制單元，它具有低功耗、少門路、短中斷延時等許多優(yōu)點，并且能夠簡化編程，具有很高的性能。以加速度傳感器實時監(jiān)控電動機各部位的振動信號，霍爾電流傳感器監(jiān)測電動機的電流信號。利用STM32103C8T6芯片內部自帶的AD轉換完成數(shù)模轉化，將采集到的信號通過USB轉串口傳到計算機上，利用Qt creator軟件做一個PC程序將測量數(shù)據(jù)儲存起來以供調用。利用MATLAB對數(shù)據(jù)進行分析處理。信號采集系統(tǒng)的總體設計框圖如圖1所示。

圖1 信號采集系統(tǒng)總體設計框圖

1.2 系統(tǒng)各模塊電路設計

此系統(tǒng)包含電源供電電路設計模塊、信號調理電路模塊、AD轉換的實現(xiàn)、通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等五個部分，下面詳細介紹各模塊電路。

1.2.1 電源供電電路設計

信號調理電路、單片機控制電路及USB轉串口電路需要的電壓都是不同的。實驗室現(xiàn)有的電壓有24V，為了使采集系統(tǒng)穩(wěn)定運行，采用電源轉換芯片LM2575實現(xiàn)24V轉5V，以供信號調理電路使用。芯片AMS1117實現(xiàn)5V轉3.3V，以供微處理器最小系統(tǒng)和USB接口部分使用，如圖2所示。加速度傳感器需要恒流源給它供電，選擇芯片LM334作為恒流源，其電流大小為10mA。

圖2 AMS1117電壓轉換電路

1.2.2 信號調理電路模塊

霍爾電流傳感器采集到的模擬電壓信號進入單片機外設管腳需要設計信號調理電路，本電路采用雙通道運算放大器MC4558L構成一個電壓跟隨器，此設計既能夠對輸出電壓起緩沖保護作用，還能夠對信號進行隔離，電流信號調理電路如圖3所示。直流電動機運行時振動信號的頻率一般不超過10KHz，因傳感器輸出的信號中存在直流成分，為了減小干擾信號對實際檢測信號的影響，所以在系統(tǒng)中加入了MAX296低通濾波器，傳感器輸出的信號中的直流成分將不會通過，并且只有10 kHz頻率以下的信號通過。振動信號調理電路如圖4所示。

圖3 電流信號調理電路

圖4 振動信號調理電路

1.2.3 AD轉換

STM32103C8T6芯片本身帶有ADC轉換功能，并且轉換頻率能夠達到1 MHz，因此電路中不需要設計AD轉換電路，從而簡化了電路設計。傳感器的輸出信號的電壓為0～4 V，而AD轉換范圍為0～3.3 V，因此先對輸出信號進行分壓處理，之后再進行AD轉換。分壓過程為接兩個阻值相同的電阻，將采集到的數(shù)據(jù)使用DMA通道傳遞到DMAT0buf緩存中，在DMA的中斷中取平均值[3]，把此平均值放入Data中，以供串口來調用。

1.2.4 通訊模塊

STM32103C8T6芯片自身就包含一個USB傳輸模塊，只需設計USB接口電路，就能和上位機進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收的處理，以及握手分組的處理，并且能夠實時的進行數(shù)據(jù)傳輸，適用于電動機運行過程中進行數(shù)據(jù)采集。本設計是利用CP2102芯片將USB信號轉TTL串口實現(xiàn)與PC機進行通信的[4]。CP2102芯片集成度高、內置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)，并且支持調制解調功能，通信過程為采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺P2102中，以PC應用軟件的形式，實現(xiàn)PC與CP2102數(shù)據(jù)的通信。通訊模塊電路圖如圖5所示。

圖5 通訊模塊電路

1.2.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊是通過文件讀寫的方式來完成的，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端，利用Qt creator開發(fā)環(huán)境構建一個應用程序，打開串口，接收數(shù)據(jù)。此程序生成名為data.txt的文本文件，將電流和振動信號保存在文件中，以供MATLAB仿真調用。

1.2.6 Qt creator軟件介紹

Qt creator是一款輕量級集成開發(fā)環(huán)境，此開發(fā)環(huán)境支持Linux、Mac OSX以及Windows等系統(tǒng)，據(jù)官方描述，Qt這個應用程序能夠讓開發(fā)人員更加快速而輕易的完成開發(fā)任務。它包括項目生成向導、高級的C++代碼編譯器、瀏覽文件及類的工具、集成qmake構建工具等。

1.2.7 數(shù)據(jù)生成過程

構建實物后，在Qt creator軟件平臺上，編寫C++程序。調試成功后，設置端口將采集系統(tǒng)與PC程序連接起來。將傳感器接在直流電動機的被測部位上，點擊寫入文件，采集完畢后，點擊停止寫入，就會生成一個名為data.txt的文檔，里面儲存了振動數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 采集系統(tǒng)程序

本信號采集系統(tǒng)的程序利用C語言編寫，以Altium designer為平臺畫出硬件電路，設計PCB圖，通過Keil uVision5軟件開發(fā)程序，最后將程序燒寫下載到STM32芯片中，軟硬件構建完畢，可以開始信號采集。AD轉換是將采集到的模擬信號轉化為數(shù)字信號，利用芯片PA0和PA1口分別接受電流和振動傳感器數(shù)據(jù)進行A/D轉換，其程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

部分程序如下所示。

初始化程序：

HAL_Init(); /*復位所有外設，初始化Flash接口和系統(tǒng)滴答定時器*/

SystemClock_Config();/*系統(tǒng)時鐘配置*/

MX_GPIO_Init();

MX_DMA_Init(); /*初始化DMA*/

MX_ADC1_Init(); /*初始化ADC*/

MX_USART1_UART_Init(); /*初始化串口*/

數(shù)據(jù)轉換程序：

HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1); //啟動AD轉換

HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)&uhADCxConvertedValue, 4);

while (1)

{if(HAL_GetTick()-shijian>=250)

{HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);//GPIO引腳翻轉

u32 temp[4]={0};

float vcc[4]={0};

temp[0]=uhADCxConvertedValue[0]; //讀取電流AD值

vcc[0]=(float)temp[0]*3300/4095;

vcc[0] = vcc[0]/1000-2.55;

vcc[0] = vcc[0]*1000/66;

temp[1]=uhADCxConvertedValue[1]; //讀取振動AD值

vcc[1]=(float)temp[1]*3300/4095;

printf("%0.2fr %0.2f ", vcc[0], vcc[1]);

}}

2.2 上位機界面程序

利用Qt creator軟件平臺，編寫C++程序，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲，設置項目存儲位置為G：SeriaPortdata.txt中。部分程序如下：

QFile data_file("G:/SerialPort/data.txt");

if(!data_file.open(QIODevice::ReadWrite|QIODevice::Text|QIODevice::Append))

{

qDebug()<<"open file failed";

return;

}

requestData = my_serialport->readAll();

if(requestData != NULL)

{

qDebug()<

}

data_file.write(requestData);

requestData.clear();

tempData.clear();

data_file.flush();

data_file.close();

3 仿真研究

3.1 實驗方法

對于裝甲車輛起動電動機來說，容易發(fā)生的故障主要有定子繞組故障、軸承故障、換向故障、電樞故障及氣隙偏心故障等。以直流電動機滾動軸承故障為例，用采集系統(tǒng)測量正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的振動信號，故障狀態(tài)分為外圈故障、滾動體故障和內圈故障。對4種狀態(tài)分別進行采樣，每種狀態(tài)采50組數(shù)據(jù)，總共200組數(shù)據(jù)，每一組取550個數(shù)據(jù)點。利用MATLAB對采集的振動信號進行仿真。

3.2 結果分析

利用此采集系統(tǒng)對直流電動機軸承部位的振動信號進行測量，分別得到得到軸承正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的信號。如圖7所示為軸承分別在正常狀態(tài)、外圈故障、滾動體故障和內圈故障下的振動時域信號。

圖7 軸承振動信號

從信號中可以看出軸承正常狀態(tài)下時振動信號的振幅值小，信號是有界的。軸承處于故障狀態(tài)下時，信號的振幅值明顯增大，并出現(xiàn)沖擊信號，呈現(xiàn)周期性。因此能夠推測有故障發(fā)生，但要判斷屬于哪類軸承故障不能從波形圖上看出來，需要進一步研究。為此提出利用小波包的方法對信號進行3次分解，得到8個頻段，對每個頻段進行系數(shù)重構，提取能量譜。如圖8所示為4種狀態(tài)下的軸承振動信號的能量譜。

圖8 軸承振動信號的能量譜

從能量譜圖看，軸承處在正常狀態(tài)和各故障狀態(tài)的振動信號，在不同的頻帶分布的能量都不相同，易于區(qū)分。軸承在正常狀態(tài)時，能量主要在第一和第二頻帶；對外圈故障，能量主要在第三和第七頻帶；對滾動體故障，能量在第一、第三和第七頻帶；對內圈故障，其能量在第一、第二、第三、第四、第七和第八頻帶都有分布。因此，小波包分析故障的方法的辨識度高，能夠提取故障特征信號。

4 結論

本采集系統(tǒng)設計了軟硬件電路，利用單片機自帶的AD轉換完成了數(shù)模轉化，通過USB轉串口完成了STM32103C8T6芯片與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸。以裝甲車輛直流電動機的軸承故障為例，采集了振動信號，并用MATLAB對振動信號進行了仿真分析，對比軸承在不同狀態(tài)下的能量譜，較好的提取了故障特征向量。此采集系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)傳輸，為裝甲車輛直流電動機故障診斷提供了良好的數(shù)據(jù)基礎，具有方便、實用、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點。

[1] 楊存祥,朱 琛,解豪杰.基于RPROP神經(jīng)網(wǎng)絡算法的異步電動機故障診斷[J].電力自動化設備,2013(1):80-83.

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[3] 朱 攀，賀 敬.機載數(shù)據(jù)采集器模擬信號采集模塊故障分析[J].中國科技信息，2014(7):173-175.

[4] 楊鳳彪,王 超,張晨光.基于CH341A的USB串口通訊設計[J].電子設計工程,2011,19(3):11-14.

[5] 張豫南，謝永成.裝甲車輛電氣與電子系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2003.

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[8] 陸文周.Qt5開發(fā)及實例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2014.

Design of Signal Acquisition System of DC Motor Based on Single Chip Microcomputer

Li Guoqiang, Xie Yongcheng, Wei Ning

(Department of Control Engineering,Academy of Armored Forces Engineering,Beijing 100072, China)

In the starting process of the armored vehicle, the DC motor is prone to failure.The traditional diagnosis method of motor is to make the maintenance plan regularly, which is easy to cause the problem of insufficient maintenance, excessive maintenance and blind maintenance,In order to deeply analyze the variation of the parameters of the motor fault, to build a set of system which can collect the operating parameters of the motor,in the frequency domain analysis of the armature current and the vibration signal, it can reflect the characteristics of the fault.The system uses STM32103C8T6 as the main control chip, the current, vibration signal acquisition circuit, signal conditioning circuit, A/D conversion module, data storage module was programmed to the armature current of DC motor and vibration signal real-time acquisition and data processing of the follow-up call to save the PC.The starting process of different fault bearing parts of current and vibration signal measured by the comparison of DC motor, use MATLAB simulation to achieve a time-domain signal display, and in the MATLAB platform, the programming of the time-frequency domain analysis of vibration signal. The simulation results show that the acquisition system can accurately measure the signal, has the advantages of low cost, small size, high accuracy, and can provide a good data base for the fault feature extraction.

Dc motor; signal acquisition; MATLAB simulation

2016-10-24；

2016-11-24。

李國強(1993-)，男，甘肅武威人，碩士研究生，主要從事檢測技術與自動化裝置方向的研究。

謝永成(1964-)，男，河北樂亭人，博士，教授，主要從事裝甲車輛電氣系統(tǒng)檢測與診斷技術方向的研究。

1671-4598(2017)03-0176-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.048

TP273

A