張曉明，萬育彰，劉艷莉，呂 辰，閆佳暉，朱孟龍，晁正正，陳 雷

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

目前，對路面、橋梁的振動監(jiān)測和對關(guān)鍵區(qū)域、建筑、設(shè)備的環(huán)境監(jiān)控以及地震防控等領(lǐng)域中，需要對微弱的振動信號進行監(jiān)測.當(dāng)有人員、車輛等進入或接近被監(jiān)控區(qū)域、建筑或設(shè)備時，其行動產(chǎn)生的振動是極為微弱的，而地震前首先到達(dá)地表的縱波的振動也是極其微弱的，因此需要對微弱的振動信號進行采集、分析并監(jiān)控，但國內(nèi)外在此方面的研究較少，利用振動波探物往往是石油或礦物的探測工程，這些工程所使用的是具有高功率振動臺的車輛，而振動波遇到礦物或油層時會反射，通過對反射波的接收實現(xiàn)探物.此類工程的震源以及采集端接收到的振動信號幅值大，與本文設(shè)計內(nèi)容的關(guān)鍵區(qū)別也在于此，但其通過振動信號對盲空間的探測方法為環(huán)境監(jiān)測、地震防控等工程提供了思路.由于環(huán)境監(jiān)測、地震防控中幅值變化大，因此需要大量程、高精度的采集系統(tǒng).選擇高精度振動傳感器(能檢測識別幅值為30 μg的振動信號)，其量程較大，傳感器在感應(yīng)到微振動信號時輸出的電壓也非常微弱(微伏特級)[1].由于要實現(xiàn)對微振動信號進行數(shù)據(jù)處理、存儲、傳輸?shù)?，采集系統(tǒng)需將這些微弱的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量.而在采集轉(zhuǎn)換的過程中，因為傳統(tǒng)ADC不具備自增益的功能，對微弱信號的采集信噪比低[2]，導(dǎo)致部分有效信號丟失或者外部噪聲進入采集通道進而使得采集結(jié)果中摻雜大量噪聲以至于微弱信號被淹沒在噪聲中，這些噪聲影響到了系統(tǒng)采集精度進而導(dǎo)致無法實現(xiàn)對微振動信號的監(jiān)測[3].

在地震、爆炸等工程防控以及環(huán)境監(jiān)測時，一般車輛運動以及爆破工程的小型爆炸這類震源在其附近的介質(zhì)中能產(chǎn)生的振動幅值可達(dá)10 g，但在較遠(yuǎn)區(qū)域的振動幅值僅為百微重力加速度級，頻帶分布在0～200 Hz，振動信號幅值變化范圍大，振動頻率低.針對這些信號特點，需要一種對微弱信號采集信噪比高同時采集量程大的采集系統(tǒng).

為了提高監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度，實現(xiàn)對微弱模擬信號的采集，本文設(shè)計了一套以24 b高精度ADC——AD7779為數(shù)字采集器件的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過AD7779特有的片內(nèi)可編程放大器及SINC3濾波器等功能實現(xiàn)自適應(yīng)放大以及低通信號濾波等方法提高采集精度[4]，實現(xiàn)百微重力加速度級微振動信號的高精度采集.

1 微振動采集系統(tǒng)設(shè)計

1.1 微振動采集系統(tǒng)總體設(shè)計

對高精度微振動采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，高精度微振動采集系統(tǒng)由多個微振動采集節(jié)點和數(shù)據(jù)處理控制中心組成，其中節(jié)點與地面固連，采集微振動信號并存儲，同時與數(shù)據(jù)處理控制中心無線通訊，受控制中心統(tǒng)一控制，在需要查看數(shù)據(jù)時，各節(jié)點將自身存儲的振動數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋上傳至數(shù)據(jù)控制中心，實現(xiàn)對振動信號的提取與檢測，通過不同位置的節(jié)點采集振動信號的特點，實現(xiàn)對區(qū)域的監(jiān)測，采集系統(tǒng)如圖1所示.

通過系統(tǒng)的總體構(gòu)成可以看到，負(fù)責(zé)采集微振動信號的部分為傳感節(jié)點.

圖1 微振動采集系統(tǒng)總體圖

1.2 傳感節(jié)點設(shè)計

傳感節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示.傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負(fù)責(zé)采集監(jiān)控區(qū)域的振動波，將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓進而通過外部ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進行存儲以及上傳，根據(jù)其功能將傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為3部分：采集部分、數(shù)模轉(zhuǎn)換部分以及無線通訊部分.

圖2 傳感節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

要實現(xiàn)對振動波進行高精度的采集并進行合理分析需要從前兩個部分即采集精度及轉(zhuǎn)換精度著手[5]，對于硬件而言就是選取高精度的振動傳感器及高精度的ADC.

為了完整地采集振動信號，根據(jù)信號的幅值及頻率特點需要滿足量程和工作頻帶要求且靈敏度為百微重力加速度級的高精度加速度傳感器.因此對市場上主流的加速度傳感器進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)三軸數(shù)字加速度傳感器敏感精度達(dá)不到百微重力加速度級精度要求，而由3個單軸數(shù)字加速度計組成的敏感頭會出現(xiàn)3個軸向的加速度信息輸出時間不同步的問題，因此需選擇高精度的模擬加速度傳感器，但是常見的模擬加速度計如ADXL356，ADXL1001的零偏穩(wěn)定性分別為±125 mg(10 g量程)和5 g(100 g量程)，達(dá)不到百微重力加速度級的精度要求，最后選擇四川知微公司的AS1010這一量程為10 g、工作頻帶為0～200 Hz并且具有150 μg的高精度加速度計組成敏感頭，而傳感器靈敏度為0.36 V/g，根據(jù)式(1)可計算得到傳感器輸出最高精度可分辨電壓為54 μV.

VOUT=G×K.

(1)

根據(jù)所得到的傳感器所能輸出的最高分辨率電壓進行模擬電壓轉(zhuǎn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)部分設(shè)計，首先進行ADC的選擇，ADC的位數(shù)與ADC轉(zhuǎn)換分辨率的關(guān)系如式(2)所示[6]

VLSB=VREF/2N,

(2)

式中:VREF為ADC的基準(zhǔn)電壓即為ADC轉(zhuǎn)換的滿量程電壓，N為ADC的位數(shù)，其中AD采集的基準(zhǔn)電壓需要根據(jù)傳感器輸出電壓的范圍選取，因此根據(jù)AS1002的輸出電壓范圍選擇為3.3 V，進而要求轉(zhuǎn)換精度在54 μV以上才能對AS1002的輸出進行合理的轉(zhuǎn)換，因此ADC的位數(shù)必須在16 b以上，為了保證高保真的采集AS1002輸出的電壓波形，選擇24 b高精度AD7779作為ADC，其轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.39 μV[7]，滿足傳感器輸出精度的要求.

AD7779可通過SPI進行工作狀態(tài)的配置及傳輸轉(zhuǎn)換結(jié)果，同時節(jié)點要實現(xiàn)無線通訊以及對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高速存儲都需要MCU.選擇STM32F405RG作為控制單元，其包含3個SPI以及高速存儲接口SDIO及16個DMA流，同時STM32F405RG的主時鐘最高可達(dá)168 MHz，運算速度快，從而實現(xiàn)與ADC、無線通訊模塊及存儲模塊的高速通訊，并實現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸同時根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)對AD7779工作狀態(tài)進行調(diào)整的功能.

無線通訊模塊與存儲模塊則是用于接收控制中心指令和存儲轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)，對于兩者的要求是高速，與高精度采集無關(guān)，不在此展開贅述.

1.3 信號調(diào)理電路設(shè)計

在重點展開模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號部分設(shè)計論述前，還需要對模擬信號的調(diào)理部分設(shè)計進行介紹，這是為了方便后期使用AD7779的功能以提高信號轉(zhuǎn)換的精度.

信號調(diào)理電路是為了對輸入AD7779的模擬信號進行預(yù)處理[8]，具體表現(xiàn)為隔離，幅值調(diào)整及差分.隔離通過電壓跟隨器實現(xiàn)，旨在提高信號的驅(qū)動能力，使傳感器輸出的電壓信號對應(yīng)的電流滿足AD7779采集通道的要求，幅值調(diào)整則通過反饋電路實現(xiàn)，由于AD7779對差分信號的采集范圍為-1.65～+1.65 V，而傳感器輸出為-1.1～6.1 V(2.5 V偏置電壓)，兩者不匹配.因此先使用負(fù)反饋電路使傳感器輸出縮小為0～2.0 V，再使用全差分放大器對信號進行差分，調(diào)理后的信號與AD7779采集通道要求匹配，為使用AD7779及其內(nèi)部可編程放大器進行程控放大提供基礎(chǔ).

2 微振動信號采集與轉(zhuǎn)換

2.1 適應(yīng)性放大

通過PCB板合理設(shè)計，降低了電路的底噪后，為了進一步優(yōu)化采集結(jié)果的信噪比，另一方面?zhèn)鞲衅鬏敵龇祻椥源?，從震源附近的伏特級波動到遠(yuǎn)離震源的百微伏特級的微振動都要高精度采集[9]，故提出使用AD7779內(nèi)部的信號輸入接口后接可編程運算放大器實現(xiàn)對采集的傳感器輸出進行自適應(yīng)放大.AD7779片內(nèi)采集通道的可編程運放允許的放大倍數(shù)分別為1,2,4,8，由于微振動引起的電壓波動較弱，因此可以對其進行適度放大，這樣可以將有效信號與底噪在幅值上的區(qū)別拉大，提高信號的可識別度[10]，其放大流程如圖3所示.

首先將采集電壓范圍分成4個區(qū)間：0～0.125 V，0.125～0.25 V，0.25～0.5 V以及 0.5～1.0 V，初始增益倍數(shù)為1倍，通過對每一次采集結(jié)果的絕對值所在區(qū)間進行判斷，改變對應(yīng)AD7779寄存器的值調(diào)整增益倍數(shù)，使微弱信號進入AD可以被合理放大，提高信噪比.

圖3 自適應(yīng)放大流程圖

除程序流程外，硬件條件也必須滿足才能進行合理放大，即如前文所述，輸入AD7779的信號必須是差分信號.AD7779的輸入范圍為-Vref/2～Vref/2或0～Vref，前者為差分信號輸入范圍后者為非差分信號輸入范圍，而非差分信號包含了零偏電壓，此時若對信號進行放大則會將零偏電壓同時放大，容易出現(xiàn)信號飽和截止進而出現(xiàn)信號的失真，因此必須使用差分信號，此時信號沒有零偏，信號圍繞零伏上下擺動，因此對差分信號的放大不容易出現(xiàn)飽和截止的現(xiàn)象，避免了信號的失真[8].為了避免表面適應(yīng)性放大不當(dāng)導(dǎo)致采集信號的失真，設(shè)置AD7779的采樣頻率為10 kHz，遠(yuǎn)高于振動波頻率即變化速度[10].

2.2 陷波濾波

AD7779內(nèi)置低延遲數(shù)字濾波器SINC3，對輸入的微振動信號進行有針對的濾波，由于微振動波的頻率小于300 Hz，因此將濾波器的濾波頻率調(diào)整到300 Hz，在進行數(shù)字轉(zhuǎn)換前的最后一個環(huán)節(jié)進行濾波，從而保證轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量結(jié)果所含噪聲量少，從而提高有效信號即微振動信號所占比例，保證對微振動的高精度采集.

SINC3濾波頻率與AD7779的主時鐘頻率相關(guān)，AD7779的主時鐘頻率為8 MHz，而根據(jù)AD7779的數(shù)據(jù)手冊，主時鐘頻率必須為SINC3濾波器截止頻率的整數(shù)倍，因此將截止頻率設(shè)置為200 Hz，濾波器的頻率響應(yīng)如圖4所示.

圖4 AD7779內(nèi)SINC3濾波器頻率響應(yīng)圖

對相應(yīng)寄存器進行設(shè)置，配置AD7779樣本抽取率即可控制SINC3的陷波頻率，將濾波頻率設(shè)置為200 Hz.

3 實驗驗證

首先，通過電路優(yōu)化并使用AD7779內(nèi)部放大器及濾波器實現(xiàn)對信號的自適應(yīng)放大和濾波的微振動進行直流信號的采集，并對采集結(jié)果的精度進行分析；隨后，采集正弦信號以驗證采集系統(tǒng)的采集頻率的穩(wěn)定性；最后，通過采集人走動引起的振動波驗證系統(tǒng)能夠采集微振動信號，實現(xiàn)預(yù)期功能.

3.1 數(shù)字采集精度測試實驗

首先驗證SINC3濾波及自適應(yīng)放大效果，在使用自適應(yīng)放大及SINC3濾波前后分別對直流電壓進行采集，為了保證采集的模擬信號的穩(wěn)定性，使用信號發(fā)生器作為直流信號將輸出與采集通道相連，并對采集結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，得到對數(shù)字采集系統(tǒng)電路改進前后的采集結(jié)果的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，如表1所示.

表1 直流電壓采集結(jié)果表

在使用數(shù)字采集系統(tǒng)采集直流電壓前使用高精度六位半萬用表對其電壓進行測試，將測量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，以確定采集結(jié)果的精度.高精度萬用表測量干電池穩(wěn)定后電壓為1.137 343 V，即改進前對干電池采集結(jié)果與高度萬用表的測量結(jié)果的差值為2.262 mV，而改進后采集結(jié)果均值為1.137 398 V，與萬用表測量結(jié)果的差值為0.053 mV，由此可以看出改進后數(shù)字采集系統(tǒng)的精度大大提高，真正實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的高精度采集.本實驗中采集結(jié)果的均值與真值的差值即為基準(zhǔn)電壓不準(zhǔn)導(dǎo)致的零偏誤差，而對比改進前后的兩個差值可以看出，雙電源供電的方法有效提高了基準(zhǔn)源精度.

3.2 數(shù)字采集系統(tǒng)采集頻率精度

除了通過對直流信號的采集獲取幅值采集精度以外，對信號的采集頻率是否穩(wěn)定，能否準(zhǔn)確采集動態(tài)信號，也是能否完成微振動信號采集任務(wù)的關(guān)鍵要素，因此對數(shù)字采集系統(tǒng)的頻率精度進行測試：數(shù)字采集系統(tǒng)采集一定頻率的正弦波，在采集結(jié)果中選取N周期的正弦波，若采集頻率為fc，正弦信號頻率為fs，則從時域上看N周期內(nèi)采樣點數(shù)應(yīng)滿足

(3)

式中:count為N周期正弦信號的總采樣點數(shù)，在本次實驗中選擇100 Hz的正弦波作為被采集模擬信號，由信號發(fā)生器輸出，數(shù)字采集系統(tǒng)的采集頻率為10 kHz，選擇高采集頻率是為了在正式使用時盡可能完整地采集模擬信號，采集結(jié)果的時域圖如圖5所示.

圖5 正弦波采集結(jié)果時域圖

除了從時域上對信號進行頻率穩(wěn)定性能及噪聲分析外，還通過FFT對采集結(jié)果進行頻域分析，從采集結(jié)果的頻域成分分析采集頻率是否穩(wěn)定以及通過頻域各頻點成分判斷是否含有非輸入信號頻率的噪聲成分，改進前后的數(shù)字采集系統(tǒng)，采集結(jié)果的頻域?qū)?shù)譜圖如圖6所示.

圖6 正弦波采集結(jié)果頻域圖

從采集結(jié)果的頻譜可以看出，除了幅值最高以及次高的頻點對應(yīng)的有效信號中的直流分量(0 Hz)和正弦信號分量(100 Hz)外，噪聲對應(yīng)的頻點幅值較改良前有明顯降低.

3.3 微振動信號采集

將微振動采集系統(tǒng)與走廊地面固連，實驗人員經(jīng)過采集點，整段路程實驗人員用5步走完，所行路線如圖7所示.

圖7 實驗人員行走路線

由路線可知，人員行走在采集點處引起的振動幅度應(yīng)與落腳點與采集系統(tǒng)安裝點距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此所記錄的振動信號應(yīng)呈現(xiàn)首尾振動幅值較小，中間振動幅值較大的特點，經(jīng)過試驗，采集的結(jié)果如圖8所示.

圖8 微振動采集試驗結(jié)果圖

由圖8 中可以看出，振動波采集結(jié)果呈現(xiàn)規(guī)律與預(yù)計一致，選擇幅值不同的第1個振動信號(微振動)，和第4個振動信號進行分析.

圖9 強弱振動信號時、頻域圖

如圖9所示，微振動信號的頻譜圖與強振動信號的頻譜類似，這說明微弱振動信號在幅值上雖然較強振動小，不易與噪聲分離，但通過本文設(shè)計的微振動采集系統(tǒng)進行采集，微振動信號中的噪聲也等比被抑制，由此可見微弱信號沒有被噪聲淹沒，即有效信號(微振動波)與噪聲分離度提高，這是使用AD7779片內(nèi)放大器進行適應(yīng)性放大所取得的功效，由此完成了對微振動信號的高精度采集.

4 結(jié) 論

本文針對基于高位寬ADC設(shè)計的數(shù)字采集系統(tǒng)難以實現(xiàn)高精度采集的問題，分析采集噪聲的來源，在使用傳統(tǒng)方法的電路設(shè)計后，利用AD7779特有的可編程放大器和SINC3濾波器對振動波信號實現(xiàn)自適應(yīng)放大采集以及針對性低通濾波，通過對干電池、信號發(fā)生器輸出的正弦波等模擬信號的采集，分析對比改良前后數(shù)字采集系統(tǒng)的采集結(jié)果，成功實現(xiàn)了模擬電壓采集精度，滿足了對微弱信號的采集，完成了高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計.