便携式多通道振动信号分析仪数采模块设计

张 峰，赵慧昌，石现峰

（西安工业大学 电子信息工程学院，西安710032）

旋转机械广泛应用于化工、冶金、船运等部门，是相关企业生产的核心设备[1]。旋转机械设备的故障通常易造成重大经济损失，甚至灾难性后果，因此，采用振动信号分析仪对旋转机械进行状态检测与故障诊断是十分重要的。在一些应用场合，往往需要现场实时采集及处理多路信号，这就对采集系统提出了非常高的要求[2]。传统振动信号分析仪在满足便携的同时一般无法满足多通道振动信号的同步高速实时采集。本文就是基于此背景设计的振动信号检测设备，既满足了便携及实时性的要求，又能保证多通道振动信号同步高速采集。

1 振动信号分析仪整体设计方案

结合某项目对分析仪的设计需求，提出的需要达到的技术指标为

（1）能够同步采集24路振动信号和1路键相信号；

（2）转速测量范围为 0～30000 r/min，振幅测量范围为 0～2000μm；

（3）转速测量精度为0.1 r/min，振幅测量精度为0.1μm；

（4）传感器选用涡流传感器，其灵敏度为7.99 mV/μm。

基于以上分析仪的技术指标要求，设计出了如图1所示的方案。该设计方案采用分布式结构，振动信号采集单元和振动信号处理单元选用不同处理器分布处理，数据采集单元处理器负责控制1路键相信号和24路振动信号的采集，并将采集到的振动信号写入共享内存，数据处理单元处理器通过从共享内存读采集到的数据，并对其进行处理，最后通过网络接口将处理后的数据传向PC机的上位机界面进行显示。分布式的处理方式一方面能够降低单处理器的任务量和软件设计的复杂度，另一方面提高了数据处理单元和数据采集单元处理器的处理速率，保证了振动信号的实时采集。共享内存的设计保证了数据采集单元和数据处理单元二者间高吞吐量的数据通信[3]。

图1 振动信号分析仪设计方案Fig.1 Design scheme of the vibration signal analyzer

2 分析仪数据采集原理及设计方案

2.1 分析仪数据采集原理

所设计的分析仪采用固定频率和倍频采样两种采样方式。固定频率采样由系统时钟控制采样，采样频率为一个预设的固定频率，采样信号在相位上与键相信号没有任何关系。倍频采样是由键相信号启动采样过程，采样速率由软件控制，通过处理器的定时器控制实现。这种方案通过定时器中断的控制方式，利用定时器的捕获功能，不断地捕捉外部的键相信号，处理器实时计算转子的转速和倍频后的采样点间隔时间，由定时器匹配功能实现硬件级的高精度倍频信号，控制启动每一次的模数转换，从而实现高精度的倍频采样。

2.2 数据采集功能设计方案

图2为分析仪数据采集功能模块的框架结构，振动信号通过振动传感器将机械信号转换成电信号供分析仪进行处理；分析仪接收到的振动信号为模拟信号，需对模拟信号做一定调理，以适应后续A/D芯片的输入电压量程；调理后的模拟信号需经过A/D转换器件转换成数字信号，以便处理器对信号的调度；处理器读取转换好的数字信号，并将信号写入共享内存；共享内存实现信号采集单元与信号处理单元两者间的高速数据交换。

图2 分析仪数采功能模块框架结构Fig.2 Frame structure for data collection function module of analyzer

3 器件选型及电路设计

3.1 处理器选型及电路设计

基于嵌入式技术设计的分析仪，嵌入式处理器将是系统的核心器件。设计结合处理速度、定时功能、引脚数及分析仪便携性、低功耗的需求，选用ARM处理器，数据采集单元处理器选用NXP公司的LPC1768处理器，该处理器采用Cortex-M3内核，用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式[4]应用，工作频率可达100 MHz，LPC1768处理器有4个通用定时/计数器，共有8个捕获输入和10个匹配输出，相比于常规DSP芯片，在定时功能上有明显的优势。12位的A/D转换器和10位D/A转换器可以使处理器对键相信号进行控制，保证倍频采样的准确性。该处理器外设组件包含高达512 KB的Flash存储器和64 KB的数据存储器。处理器工作于3.3 V的电压下，为主振荡器配置12 MHz的晶振。

3.2 AD器件选型及电路设计

A/D处理器件的选取主要结合系统对多路、采样精度和采样速率的需求，选用了TI公司的ADS8365芯片，这是一款6通道16位分辨率具有同步采样功能的模数转换器[5]。该芯片采用差分输入方式，可通过3个保持信号控制6路信号的同步采集，4片即可满足24路信号同步采集的要求；在最高转速30000 r/min，128倍频采样下，采样频率为64 kHz，该芯片250 kHz的最大采样速率，能够保证系统指标要求；振动信号的电压范围是0～±20 V，传感器灵敏度为7.99 mV/μm，ADS8365的16位分辨率使系统的测量精度为0.038μm（≤0.1μm），满足系统指标要求。

图3为一片ADS8365转换器的电路图，该图中的6个通道输入6路调理好的差分信号，16位的数字信号接处理器，通过处理器控制读写引脚位读取振动信号。外部配置5 MHz的有源晶振提供时钟，分别给芯片提供5 V的模拟电压和3.3 V的数字电压，H OLDA、HOLDB、HOLDC三引脚连在一起接处理器，控制6路信号的同步采样。分析仪采用4个图3所示的A/D转换电路实现24路振动信号的采集。

图3 A/D转换电路设计Fig.3 Circuit design of A/D conversion

3.3 振动信号调理电路

传感器输出的振动信号电压量程为0～±20 V，而A/D器件要求输入的电压为0～5 V差分信号，为了使ADS8365能够对振动信号进行模数转换就需要设计出合理的调理电路，图4为分析仪的其中1路信号调理电路，其他通道与此相同。调理电路选用LT1990差分运算放大器，能够实现输出电压1或10倍增益可选功能。精密电阻R1和R25对输入信号进行分压，分压后的电压为0～2.5 V。为其提供2.5 V的参考电压，则调理输出的电压为0～5 V。T1和T2为输出电压1或10倍增益控制端口，通过将T1和T2开路或接地实现其功能。R49和C1与R50和C2为滤波电路。

图4 分析仪模拟信号调理电路Fig.4 Analog signal conditioning circuit of analyzer

3.4 键相信号整形电路

想实现准确的倍频采样就需要得到整形较好的键相信号波形，这就需要设计整形电路对原始的键相信号进行整形。

图5为键相信号的整形电路，通过迟滞型电压比较器MAX913实现。传感器输出的键相信号KO为0～5 V，该信号接入电压比较器待整形电压输入引脚，同时为处理器提供参考电压。处理器的A/D通道量程为0～3.3 V，而键相电压为0～5 V，为防止处理器过载，先经过精密电阻R107和R108对电压进行衰减。处理器根据A/D检测到的键相信号，通过D/A给电压比较器配置相应的参考电压。U102组成同相放大器，对处理器输出的参考电压放大2倍。电压比较器输出的键相信号的波形整形较好，处理器通过捕获整形信号的下降沿，准确测定旋转设备的转速。通过处理器检测键相信号电压配置电压比较器的参考电压，一方面增加了处理器对键相信号的判定功能，另一方面增强了对键相信号整形的适应性和灵活性，可对不同量程的键相信号在不改动硬件的同时只需配置软件即可整形。

图5 键相信号整形电路Fig.5 Waveshaping circuit for key-phase signal

3.5 共享内存的设计

数据采集单元和数据处理单元二者间高效的数据通信是保证系统实时性的基础。共享内存的设计相比于处理器间的串口或并口通信，通信速度更快，吞吐量更大，可保证系统的实时性。另外，共享内存的通信又不需要任何通信协议，降低了编程的难度[6]。再结合存储容量、性价比等因素，最终选择ISSI公司的高速静态随机存储器IS61LV51216作为共享内存，它是3.3 V供电的512 K×16位存储器，具有高速低功耗的特点。

共享内存电路设计如图6所示，数据处理单元和数据采集单元通过访问共享内存进行高速通信，但不可同时访问，为避免同时访问的冲突，电路通过设计“忙”信号电路来控制，两处理器只有在BUSY信号为高电平时才能访问共享内存，访问时通过控制BUSY-Y来使BUSY拉低，另一处理器便无法访问共享内存，避免了两处理器同时访问的冲突。

图6 共享内存设计方案Fig.6 Design scheme of shared memory

4 数采模块软件设计

软件部分的开发设计主要是基于嵌入式ARM处理器LPC1768的硬件平台之上，采用层次化结构进行设计[7]。软件结构如图7所示。

底层硬件驱动程序层主要完成对硬件模块的直接操控，包括总线通道接口、定时器接口、A/D和D/A接口、实时时钟接口等。嵌入式操作系统层是底层硬件和应用软件之间的过渡，管理调配系统的软硬件资源。应用程序层主要负责控制采样，通过捕获键相获取振动设备转速，根据配置的倍频数计算采样间隔时间，设置匹配定时值，及何时读取振动信号，何时向共享内存写数据等工作。在嵌入式系统开发中，采用这种层次化的软件设计，层次间功能划分清晰，不仅方便程序的设计编写，也便于软件的升级、更新和维护[3]。

图7 数采模块软件设计结构图Fig.7 Soft structure diagram for data collection module

5 结语

文中所设计开发的便携式振动信号分析仪在工业现场得到了很好的应用。分析仪设计及应用的实践表明：高性能A/D电路的设计、基于ARM处理器的嵌入式电路设计、键相信号整形电路的设计及采用“忙”信号控制的共享内存电路设计，保证了多路振动信号的同步采集、实时性较好、采样速率和采样精度较高；论文所设计的便携式振动信号分析仪在体积、重量、易携带方面达到了预期目标。

[1] 张峰，石现峰，张学智.数字信号处理原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2] 楼建忠，杨世锡，马丽.大型旋转机械振动信号采集与处理系统的研究[J].浙江理工大学学报，2005，22（2）：154-156.

[3] 张峰，石现峰.基于嵌入式技术的汽轮机振动信号分析仪[J].自动化与仪表，2012，27（10）：13-15.

[4] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[5] 詹哲军，张爱玲，卢秀芬.基于TMS320F2812同步数据采集系统的设计[J].电气技术，2008（7）：52-55.

[6]SU Jing-ming，HONG Yan.Research on dual-core low-voltage feeder switch control system based on DSP and ARM[C]//Proceedings of the 30th Chinese Control Conference.Yantai，2011.

[7] YANG Lan-ying，WANG Jin-hai.The design of household intelligent control terminal based on android platform[C]//2012 IEEE 19th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management.Changsha，2012.