微弱振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在許多交通運(yùn)行機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)測(cè)量中，強(qiáng)噪聲和微弱振動(dòng)信號(hào)混疊在正常振動(dòng)信號(hào)中，給振動(dòng)系統(tǒng)的微弱信號(hào)采集與分析造成了困難。針對(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于TMS320F2812的四通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠用于強(qiáng)噪聲存在下的微弱振動(dòng)信號(hào)采集，能夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)振幅變化自動(dòng)調(diào)整控制放大器的增益，具有自適應(yīng)數(shù)據(jù)測(cè)量與處理的功能，因而有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；數(shù)字信號(hào)處理；自適應(yīng)放大；振幅檢測(cè)

0 引 言
??? 在機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)過(guò)程中，許多微弱信號(hào)包含機(jī)械運(yùn)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。而在微弱信號(hào)提取過(guò)程中，有時(shí)信號(hào)非常微弱，極易受到外界的干擾而淹沒(méi)于強(qiáng)噪聲之中，有時(shí)被測(cè)信號(hào)振幅變化范圍又很大，給信號(hào)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到信號(hào)的提取精度。對(duì)振動(dòng)信號(hào)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(hào)處理的方法來(lái)提取數(shù)據(jù)的特征信息。但是，一些由采集系統(tǒng)的不足對(duì)信息造成的損失，是后期的數(shù)字信號(hào)處理無(wú)法補(bǔ)償?shù)摹Ｕ駝?dòng)信號(hào)的檢測(cè)是機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和早期故障診斷的關(guān)鍵，機(jī)械系統(tǒng)早期故障引起的異常振動(dòng)信號(hào)有時(shí)都很微弱而且持續(xù)時(shí)間短，信噪比低，容易淹沒(méi)于背景噪聲中。這對(duì)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)提出了很高的要求。針對(duì)此情況，本文考慮設(shè)計(jì)一個(gè)微弱振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)采集系統(tǒng)，能夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)的振幅實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)放大器的增益，從而檢測(cè)出微弱振動(dòng)信號(hào)。

1 系統(tǒng)框圖與結(jié)構(gòu)原理
??? 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括DSP芯片TMS32OF2812、數(shù)據(jù)采集預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、JTAG仿真接口及與計(jì)算機(jī)的通信接口。其中數(shù)據(jù)采集預(yù)處理電路共有四路，每一路包括前置放大器、抗混疊濾波電路、程控放大電路和電壓抬升與保護(hù)電路。

??? 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了四路預(yù)處理通道，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。考慮到采集對(duì)象是微弱信號(hào)，在每路程控放大器前設(shè)計(jì)了低噪聲前置放大器，且每一路程控放大器的增益控制信號(hào)直接來(lái)自DSP。程控放大器之前設(shè)有抗混疊低通濾波器以濾去信號(hào)中混有的高頻噪聲，減小了噪聲對(duì)信號(hào)的影響，在每一路中也設(shè)置一個(gè)抬壓與保護(hù)電路，使輸入的信號(hào)電壓穩(wěn)定在O～3 V之間。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
??? 微弱信號(hào)采集系統(tǒng)硬件電路由信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集處理模塊兩部分組成，信號(hào)調(diào)理電路主要是消除共模干擾，對(duì)微弱小信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、電壓抬升、信號(hào)傳輸；主要由測(cè)量放大器、多重反饋型5階巴特沃斯低通濾波器、程控放大器、電壓抬升電路和保護(hù)電路構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集處理模塊主要有DSP芯片TMS320F2812、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸模塊構(gòu)成，完成對(duì)四路模擬輸入信號(hào)的采樣、過(guò)采樣處理、信號(hào)振幅的計(jì)算、數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)的傳輸。
2．1 前置放大器的設(shè)計(jì)
??? 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的對(duì)象為微弱信號(hào)，需要用前置放大器進(jìn)行放大。由于測(cè)量放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、抗共模干擾能力強(qiáng)、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)，在微弱信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)中廣泛用作前置放大器。
??? 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AD公司的高性能運(yùn)放AD620作為測(cè)量放大器，AD620是一種只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為1～1 000的低功耗／高精度儀表放大器。AD620具有很好的直流特性和交流特性，最大輸入失調(diào)電壓漂移為1μV，其共模抑制比大于93 dB。在1 kHz處輸入電壓噪聲為9 nV/Hz。在0．1～10 Hz范圍內(nèi)輸入電壓噪聲的峰一峰值為0．28μV，輸入電流噪聲為O．1 pA/Hz。G＝1時(shí)，它的增益帶寬為120 kHz，建立時(shí)間為15μs。因此AD620的性能滿(mǎn)足該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。
2．2 程控放大電路設(shè)計(jì)
2.2.1 DSP芯片的性能特征
??? TMS320F2812芯片是美國(guó)德州儀器(Texas In-struments)公司研制的數(shù)字信號(hào)處理器，它是一個(gè)定點(diǎn)運(yùn)算、集成度高、高性能的DSP芯片，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合。其主要特點(diǎn)有：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，能在一個(gè)周期內(nèi)完成32*32位的乘法累加運(yùn)算，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)150 MHz。片內(nèi)具有128 KB的16位FLASH存儲(chǔ)器，8 KB的16位SARAM，2個(gè)事件管理器EVA和EVB，3個(gè)32位的CPU定時(shí)器。16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)含兩路采樣保持器，可實(shí)現(xiàn)雙通道同步采樣，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為80 ns,，含2個(gè)通用異步串口(SCI)，2個(gè)多通道緩沖串口(McBSP)，56個(gè)獨(dú)立配置的通用多功能I/O(GPIO)。
2.2.2 DAC20832芯片的性能特征
??? DAC0832是AD公司生產(chǎn)的高精度、低功耗、8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。DAC0832具有數(shù)字輸入鎖存的功能。DAC0832的互補(bǔ)輸出端Ioutl，Iout2均為電流信號(hào)，且之和為常數(shù)。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs，參考電壓為-10～+10 V，供電電源為+5～+15 V，邏輯電平輸入與TTL兼容。DAC20832具有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱(chēng)為輸人寄存器，它的允許鎖存信號(hào)為ILE，第二級(jí)鎖存器稱(chēng)為DAC寄存器。2．2．3 程控放大電路的組成
??? 程控放大電路由DAC0832芯片、高精度放大器LM357和反饋電阻組成，受TMS320F2812芯片的控制信號(hào)、片選信號(hào)控制，如圖2所示。DAC0832用作程控放大器，是把DAC0832的參考電壓端接輸入信號(hào)，數(shù)字信號(hào)輸入端接TMS32OF2812芯片的控制信號(hào)，互補(bǔ)輸出端Iout1和Iout2引腳分別接放大器LM357的反向輸入端和同向輸入端。DAC0832的互補(bǔ)輸出端Ioutl、Iout2均為電流信號(hào)，需外接一個(gè)放大器實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換。T型電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻是10 KΩ，接一個(gè)阻值為2．55 MΩ反饋電阻R f，就構(gòu)成一個(gè)程控放大器。用該程控放大電路可以實(shí)現(xiàn)增益為：20，21，22，…，28-1，從而擴(kuò)大了被測(cè)信號(hào)的范圍。

??? 其中：8號(hào)引腳Uref是模擬電壓輸入端，接前置放大器的輸出端；CS1和ILEl是來(lái)自。DSP芯片的片選與使能信號(hào)；XD0～xD7是來(lái)自DSP芯片的增益控制信號(hào)；DAC0832芯片的Ioutl和Iout2引腳分別接放大器LM357的反向輸入端2和同向輸入端3；R66為反饋電阻Rf，LLl為放大器輸出端。
2．3 濾波電路設(shè)計(jì)
??? 有源濾波器不僅體積小，而且輸出阻抗和截止頻率fc無(wú)關(guān)，能夠前、后級(jí)之間相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)。巴特沃斯低通濾波器具有通頻帶比較平坦，且下降快等優(yōu)點(diǎn)。在該系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)中，采用多重反饋型5階巴特沃斯低通濾波器。
2．4 電壓抬升與保護(hù)電路設(shè)計(jì)
??? 電壓抬升電路由一個(gè)OP放大器和一個(gè)1．5 V的抬壓基準(zhǔn)構(gòu)成。OP放大器的同相輸入端接一個(gè)穩(wěn)定的1．5 V基準(zhǔn)電壓，反相輸入端接信號(hào)輸人端，放大器的增益設(shè)置為1，這就實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的電壓反相，且抬壓1．5 V。保護(hù)電路由一個(gè)3 V的穩(wěn)壓管和二極管組成，保證經(jīng)過(guò)電路的電壓在O～3 V范圍內(nèi)。

3 算法設(shè)計(jì)與軟件流程實(shí)現(xiàn)
??? TMS320F2812芯片的A/D轉(zhuǎn)換器每次可以采集16路信號(hào)，而該采集系統(tǒng)僅有四路輸入信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的過(guò)采樣，提高采集數(shù)據(jù)的精度。首先對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣處理，然后計(jì)算采集到的信號(hào)的幅值，并與設(shè)定值做比較以判斷調(diào)節(jié)程控放大器與否，同時(shí)把采集到的數(shù)據(jù)除以其對(duì)應(yīng)的放大增益和進(jìn)行數(shù)字濾波，結(jié)果存放在數(shù)組中，數(shù)組中的數(shù)據(jù)通過(guò)異步串口SCI向上位PC機(jī)傳輸。
3．1 信號(hào)幅值檢測(cè)的算法
??? 在程控放大器的設(shè)計(jì)中，對(duì)被測(cè)信號(hào)振幅的檢測(cè)至關(guān)重要，它是實(shí)現(xiàn)程控放大的關(guān)鍵。以往的程控放大器，多數(shù)是根據(jù)被測(cè)信號(hào)的幅值來(lái)調(diào)節(jié)程控放大器的放大倍數(shù)，此方法比較合適于直流信號(hào)的檢測(cè)。交流信號(hào)的幅值是變化的，若根據(jù)被測(cè)信號(hào)的幅值調(diào)節(jié)程控放大器的增益，需要時(shí)刻改變程控放大器的增益，這將浪費(fèi)CPU的很多資源，影響了A/D轉(zhuǎn)換的速度，限制了被測(cè)信號(hào)的范圍，因器件程序的計(jì)算和器件的延時(shí)也會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)很大的誤差，不適合做高頻信號(hào)的采集，而且很難滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。一般信號(hào)的振幅是基本不變或者變化很慢，若根據(jù)信號(hào)的振幅調(diào)節(jié)程控放大器的增益，就不需要時(shí)刻調(diào)節(jié)放大器的增益，從而節(jié)約CPU的資源，減小采集帶來(lái)的誤差，提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。
??? 信號(hào)幅值的檢測(cè)是利用正交鎖相型放大器的原理實(shí)現(xiàn)的[2]，如圖3所示。被測(cè)信號(hào)為x(t)，參考信號(hào)為r(t)。

???

???

??? 在數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可以得到信號(hào)的振幅，并與設(shè)定的數(shù)值區(qū)間做比較，根據(jù)比較的結(jié)果來(lái)調(diào)節(jié)DAC0832的增益，從而實(shí)現(xiàn)放大器根據(jù)被測(cè)信號(hào)的振幅來(lái)調(diào)節(jié)自身的增益，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自適應(yīng)放大。
3．2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
??? DSP2812的編程工具有C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言?xún)煞N。采用C語(yǔ)言編程，代碼可讀性、可移植性強(qiáng)，無(wú)需詳細(xì)了解DSP的硬件就可以上手編程，降低了編程難度。一般應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求不是特別高的場(chǎng)合。對(duì)于高速實(shí)時(shí)應(yīng)用，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的方法，能把C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)和匯編語(yǔ)言的高效率有機(jī)結(jié)合起來(lái)。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

??? 程序算法描述如下：
??? Step 1：開(kāi)始；
??? Step 2：系統(tǒng)初始化I2；
??? Step 3：A/D轉(zhuǎn)換；
??? Step 4：數(shù)據(jù)處理；
??? Step 5：數(shù)據(jù)濾波；
??? Step 6：計(jì)算信號(hào)振幅；
??? Step 7：是否調(diào)節(jié)程控放大器，如不需要跳轉(zhuǎn)到Step 3；
??? Step 8：調(diào)節(jié)程控放大器增益；
??? Step 9：跳轉(zhuǎn)到Step 3；
??? Step 10：結(jié)束。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
4．1 采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真
??? 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)采集系統(tǒng)的性能進(jìn)行檢驗(yàn)。以振幅為0．00 001 V、頻率為100 Hz的正弦信號(hào)作為待采集的信號(hào)，如圖5(a)所示，并混有白噪聲作為采集系統(tǒng)的輸入信號(hào)，輸入信號(hào)的波形如圖5(b)所示。經(jīng)過(guò)放大、濾波及電壓抬升之后的信號(hào)波形如圖5(c)所示。

??? 在DSP里對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，把采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)還原為采集前的情況，如圖5(d)所示。
??? 有圖5(c)可見(jiàn)采集到的信號(hào)電壓均在0～3 V之間，適合DSP的如入范圍，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)信號(hào)振幅對(duì)信號(hào)進(jìn)行程控的目的。圖5(d)是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后得到的信號(hào)的波形，可以計(jì)算出被采集信號(hào)的頻率為100 Hz、振幅約為10－5V。與圖5(b)相比恢復(fù)后的信號(hào)噪聲小了很多，基本和原始信號(hào)圖5(a)給出的波形相同。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的需要。
4．2 實(shí)驗(yàn)比較
??? 在實(shí)驗(yàn)中，用實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)(江蘇東華測(cè)試有限公司的DH5935N)和本文設(shè)計(jì)的微弱振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)采集系統(tǒng)同時(shí)對(duì)試件進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集和處理，采樣頻率為12 800 Hz。圖6(a)和圖6(b)為由實(shí)驗(yàn)室采集系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)信號(hào)的波形圖和頻譜圖，圖6(c)和圖6(d)為由本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)的波形圖和頻譜圖。可以看出本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)放大器增益的功能，還具有高速度、低噪聲、無(wú)失真的特性。

5 結(jié) 語(yǔ)
??? (1)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能根據(jù)被測(cè)信號(hào)的振幅自動(dòng)調(diào)節(jié)放大器的增益，從而自適應(yīng)地完成對(duì)不同幅值振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量和處理，降低了數(shù)據(jù)采集過(guò)程中程控放大器增益的頻率，節(jié)約了CPU開(kāi)銷(xiāo)。
??? (2)系統(tǒng)采用TMS320F2812DSP芯片作為核心處理器，DAC0832作為被測(cè)信號(hào)的振幅控制器，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)放大器增益的自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)電壓不低于1μV，擴(kuò)大了被測(cè)信號(hào)的幅值范圍。
??? (3)具有體積小、低功耗、可靠性高和擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。