振动信号测试仪采集方案设计与实现

洪耀球，李香泉，唐云华

（1. 景德镇高等专科学校 数学与信息工程系，景德镇 333000；2. 中航工业直升机设计研究所，景德镇 333001）

振动信号测试仪采集方案设计与实现

洪耀球1，李香泉1，唐云华2

（1. 景德镇高等专科学校 数学与信息工程系，景德镇 333000；2. 中航工业直升机设计研究所，景德镇 333001）

0 引言

根据直升机上旋转部件较多，振动环境复杂，振动水平过高可能导致驾驶员的判读困难和身体疲劳，以及相关结构出现疲劳裂纹甚至断裂；此外，恶劣的振动环境有可能导致机载设备不能正常工作，影响飞行安全。因此，需要对直升机相关部位的振动水平进行监测和报警；本文就此振动信号测试仪提出了一套可行的并行数据采集方案和具体的软件、硬件实现方法。

1 系统功能分析及概要设计

根据某直升机型号对振动信号采集及监测的性能需要，测试仪需要实时监测18路信号，其中16路振动信号，2通道的方位角信号[1]，以及具有RS-422的通信功能、实时报警功能、FFT变换及频谱分析和比较功能等。归纳如下：

1）测量、记录和存储各个测量点的振动加速度原始信号，通过开关进行控制和选择是否进行相关工作。

2）DSP实时频谱分析功能，按照特定格式在SD卡中进行记录并存储频谱结果，并能导出到PC上位机软件中直接进行查看和进一步分析。

3）通过机上RS422总线系统，同步记录和存储飞行姿态、状态和飞行操纵等相关参数，作为振动信号分析时的重要参考数据。

4）16通道ICP振动信号必须是同步采样，每通道独立至少达到14位A/D转换精度，各通道最大采样率4KHz（可调）；2通道方位角信号，至少8位A/D转换精度并且实现同步采样。

根据上述的功能要求，系统设计框图如图1所示：

图1 系统信号采集实现框图

2 系统硬件电路设计

2.1 电源电路

外部输入采用28V的机载电源，选用了一款航空机载电源模块：输入范围为24V～30V，输出为5V，输出功率为9.8W。由于系统需要3.3V、2.5V、1.8V工作电压，电流要求低于1A，所以采用工业级以上的芯片ASM1117-3.3、ASM1117-1.8和REF3125来构建所需电源；其中REF3125输出的2.5V参考电压后面设计了一个电压跟随器来增加其驱动能力。电源设计如图2所示。

2.2 信号处理与程控放大设计

传感器输入进来的原始信号在进行滤波和分压处理后送入多路通道选择开关，然后在选择开关芯片中通过软件分时切换输入到ARM芯片自身带的10位AD口[2]，此功能不是必须，而是可选功能，作为原始信号进行备份。

图2 系统电源

同时，原始信号还要送入程控放大芯片，通过另一路的并行采集实现FFT功能。由于外部传感器输入进来的信号有单端的ICP信号和差分的PCB信号，所以在信号的处理上采用了2种处理模式，调理电路如图3所示。程控放大芯片采用了性能极佳的AD8231芯片，增益可以通过引脚进行数字化编程实现，最小达到122db CMR的直流性能，能够完全满足本系统设计的要求。

图3 信号调理电路

2.3 A/D采集电路

为了实现信号的采集精度至少达到14位，系统采用了16位精度的ADS8361芯片来进行实现。此芯片能够进行4通道的采集功能，并且能够同时实现2通道并行采集，详细设计如图4所示。由于系统要求总共18路数据信号，所以采用了9片ADS8361来实现。所有每片AD输出的2路数据（共18路数据）连接到FPGA分配的18个引脚，通过编程实现信号的实时并同时的获取，然后在FPGA中进行FFT变换和频谱分析、比较、存储；并把结果传输给另一核心控制器ARM，通过进一步比较作出是否通过LED进行报警功能[3,4]。

图4 AD采集电路

图5 ARM与FPGA程序框图

3 系统软件设计

系统的软件主要是针对ARM系统和FPGA进行编程，ARM芯片在IAR开发环境中采用C语言进行编写，FPGA在QUTARSII 中采用Verilog语言进行编写；软件设计采用模块化设计方式实现。

ARM芯片中主要实现的软件模块有：程控放大器增益放大控制和选通模块、RS422数据通信模块、USB功能模块、多路通道选通与AD采集模块、与FPGA数据交互模块和键盘LED报警功能模块；FPGA中软件主要实现模块有：并行AD采集功能、FFT变换及分析模块、SD卡数据存储模块、与ARM数据交互模块[5]。2个核心控制器中部分软件实现流程如图5所示。

4 结论

通过ARM微处理器与FPGA构建DSP软核的双核处理方式，分别实现原始信号采集、18路通道并行信号采集与FFT变换和频谱分析功能；并且在FPGA中实现上位机PC中数据处理软件的数据格式要求的存储方式，实时在外接SD卡中对原始信号、频谱信号和RS422总线传输过来信号进行存储。通过本测试仪对直升机上多路振动信号、方位角信号的监测，能够实时了解直升机上关键部位的振动状态，为直升机的改进、改型提供关键数据；并且能够对直升机的飞行安全提供一定保证。

[1]胡爱军,唐贵基,安连锁.振动信号采集中剔除脉冲的新方法[J].振动与冲击,2006,25,(1).

[2]彭国盛.基于ARM和以太网的振动信号采集器设计[J].电力自动化设备,2007,27,(1).

[3]叶凡,谢志江,王世耕.振动信号采集及网络化传输关键技术的FPGA实现[J].机械工程师,2007,(11).

[4]陈德军,刘福华.一种基于VXI总线多通道实时数据采集及分析软件的设计与实现[J].测控技术,2004,23,(1).

[5]蒋亚群,张春元.ARM微处理器休系结构及其嵌入式SOC[J].计算机工程,2002,(11):20-23.

Design and implementation of vibration signal test instrument's acquistion scheme

HONG Yao-qiu1, LI Xiang-quan1, TANG Yun-hua2

针对直升机上旋转部件较多，振动环境比较复杂，直升机的振动环境直接影响飞行员和乘员的人机工效；同时振动引起的故障直接影响机上动部件和机载设备的工作性能和全机寿命周期的可靠性使用，以至影响到出勤率和飞行安全。为此，本文提出了一套振动信号测试仪需要达到的技术指标，并对其并行处理的采集方案和频谱分析进行了详细的软、硬件分析和设计。

振动测试；信号采集；并行处理；频谱分析

洪耀球（1979 -），男，江西人，讲师，本科，研究方向为嵌入式技术。

TM935

B

1009-0134(2011)4(上)-0028-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).09

2010-11-19