基于A(yíng)RM的振動(dòng)信號采集及文件存儲系統

引言

在機械結構的振動(dòng)過(guò)程中，許多微弱信號包含機械運動(dòng)的豐富特征信息，如故障特征信息等，有必要提取出來(lái)加以分析。在微弱信號提取過(guò)程中，有時(shí)信號非常微弱，極易受到外界的干擾而淹沒(méi)于強噪聲之中，有時(shí)被測信號振幅變化范圍又很大，會(huì )紿信號采集帶來(lái)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(dòng)信號的采集及處理，通常是用普通的數據采集系統去采集，然后用數字信號處理的方法來(lái)提取數據的特征信息。但是，一些由于采集系統的不足對信息造成的損失，是后期的數字信號處理無(wú)法補償的。振動(dòng)信號的檢測是機械系統狀態(tài)檢測和早期故障診斷的關(guān)鍵，機械系統早期故障引起的異常振動(dòng)信號有時(shí)很微弱，而且持續時(shí)間短、信噪比低，容易淹沒(méi)于背景噪聲中。

測量的方法、可測量的種類(lèi)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(shí)驗環(huán)境需要，同時(shí)故障分析需要對大量樣本進(jìn)行對比分析，這就要求我們配備可移動(dòng)的大容量存儲介質(zhì)。針對此情況，本文主要研究了基于A(yíng)RM處理器的振動(dòng)信號的智能調節振幅數據采集電路設計和基于FatFs文件系統的SD卡的大容量存儲系統設計。

1 系統功能結構

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

信號調理模塊：通過(guò)加速度傳感器采集微弱振動(dòng)信號，進(jìn)而經(jīng)過(guò)信號調理電路(包括程控調節增益)送到LPC1768的A/D轉換模塊進(jìn)行采集。

PC機通信模塊：通過(guò)USB接口與PC機通信，可實(shí)現文件數據的增加、刪除、新建等功能。

SD卡存儲模塊：基于FatFs文件系統的存儲設計，通過(guò)SPI總線(xiàn)與主芯片通信，可完成數據的任何格式(如Wav)的寫(xiě)入，也可對SD卡內的數據進(jìn)行讀取。

語(yǔ)音播報模塊：在測試過(guò)程中實(shí)時(shí)語(yǔ)音提醒用戶(hù)當前的操作狀態(tài)，語(yǔ)音命令預存儲在SD卡內，可通過(guò)SPI總線(xiàn)通信進(jìn)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(dòng)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(shí)驗主要測試頻率段為1～10 kHz。

電荷放大電路：把微弱的電荷信號放大成電壓信號。運算放大電路選擇AD823，是雙通道、精密、16 MHz帶寬和高增益的放大器;反饋電容C決定了電荷轉電壓輸出的大小以及電荷放大的頻率響應特性，電容性能的好壞直接決定著(zhù)電荷放大器是否穩定，此處反饋電容C設定為100 pF;反饋電阻主要作用是抑制反饋電容引起的零點(diǎn)漂移，由電荷放大器的下線(xiàn)截止頻率

可知，在C一定的情況下，要保證下限截止頻率，反饋電阻R必須盡可能大，此處設定為100MΩ。

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，可根據通帶頻率計算出電阻電容值，本實(shí)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(shí)增加了電位器的設計，可實(shí)現對抬升電位的靈活調節。

2.2 信號放大電路設計

該調理電路最突出的特點(diǎn)是運用數字電位器AD5245來(lái)實(shí)現對信號的自適應放大，如圖2所示。

數字電位器AD5245可實(shí)現與機械電位器或可變電阻相同的電子調節功能，具有增強的分辨率、固態(tài)可靠性和出色的低溫度系數性能，可通過(guò)IC兼容型數字接口控制，其調節范圍可達256位。在數據采集中，主芯片LPC1768通過(guò)預采樣值來(lái)判斷AD5245的調節范圍和調節方向，并通過(guò)I2C總線(xiàn)對放大倍數進(jìn)行調節。

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

這種接法放大器的放大倍數為Rd/R，可對放大倍數進(jìn)行256位分辨率的調節。

3 軟件及算法設計

3.1 FatFs文件系統

FatFs是一個(gè)為小型嵌入式系統設計的通用FAT文件系統模塊。FatFs的編寫(xiě)遵循ANSIC，并且完全與磁盤(pán)I/O層分開(kāi)。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。

FatFs具有非常清晰的層次結構，應用層為用戶(hù)提供一系列API函數，如f_open、f_close、f_read、f_write等，用于對文件的讀寫(xiě)等;中間層FatFsModule為Fat協(xié)議層;最底層是用戶(hù)在移植過(guò)程中需要處理的接口，包括存儲媒介讀/寫(xiě)接口DiskIO和文件修改時(shí)間所需的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。根據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(shí)現、RTC時(shí)鐘配置和FatFs的移植。

①SD卡的通信實(shí)現。通過(guò)SPI總線(xiàn)系統實(shí)現SD卡與LPC1768、PC機的通信，可實(shí)現采樣數據的自動(dòng)存儲與通過(guò)PC機對SD卡內數據的新建、刪除、修改和查找等功能。主要包括SPI模式的配置、SPI字節的讀寫(xiě)實(shí)現、SD卡的讀寫(xiě)實(shí)現和USB接口的配置。

②RTC時(shí)鐘配置。利用LPC1768內含的RTC設備實(shí)現實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，主要包括時(shí)鐘頻率的選擇SysTick_Config、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘的初始化RTC_Init及設定RTC_SetFullTime，為文件系統提供準確的時(shí)間，可實(shí)現對每個(gè)存儲文件的時(shí)間標記。

③FatFs的移植。對FatFs接口函數的編寫(xiě)，主要包括：存儲介質(zhì)初始化函數disk_initialize、存儲介質(zhì)狀態(tài)檢測函數disk_status、讀扇區函數disk_read、寫(xiě)扇區函數disk _write、存儲介質(zhì)控制函數disk_ioctl等。