基于MEMS加速度計的瞬態振動信號采集系統

李劍，張波濤，薛丹丹，李闖澤

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

瞬態振動信號采集系統由現場采集系統和上位機組成。然而現場采集系統是實現高精度瞬態振動信號采集的關鍵。目前瞬態振動信號采集系統大多利用電動式振動傳感器、信號調理電路、AD、MCU、存儲器組成，這種傳統的采集系統體積大、價格高、分辨率低，同時由于電動式傳感器多為單軸、雙軸，不能很好的提取組成振動信號的體波、面波的三維振動信息從而在估計振源，檢測材料內部裂縫方面造成了極大地誤差。針對這種問題，本文提出了一種基于MEMS三軸數字加速度計的瞬態振動信號采集系統。

1 系統設計方案

利用MEMS三軸數字加速度計進行瞬態振動信號采集，不僅能夠采集振動信號的三維信息，提高估計振源，檢測材料內部裂縫的精度，同時由于數字加速度傳感器是一種將模擬三軸加速度計、信號調理、A/D、數字濾波、SPI接口IC集成的芯片級振動傳感器，因此極大地減小了系統的體積[2]。

本系統針對MEMS三軸數字加速度計設計了現場采集硬件電路，開發了上位機軟件控制平臺。系統總體設計框圖如圖1所示，現場采集系統的電路設計中，以ADI公司的三軸數字加速度計ADXL345作為前端拾振傳感器，采用USBIO公司USB2SPI解決ADXL345的SPI接口與PC USB接口通信的問題，12M的晶振為USB2SPI提供外部時鐘信號。上位機軟件設計中，利用VC++6.0開發前后臺軟件，完成加速度計的休眠、喚醒，三軸數據的采集、存儲，硬件系統與上位機連接狀態的檢測等功能。根據瞬態振動測試的要求，提出了如下的設計指標：

1）硬件系統尺寸：3cm×3cm；

2）采集系統分辨率0.004g；

3) 系統采樣率 ：50、100、200、400、800、1600、3200（Hz）可選；

4) 頻率響應范圍 ：0-1600Hz（ 可設置）；

5）量程 ：2、4、8、16（g）可選。

圖1 系統設計框圖

2 現場采集系統

2.1 MEMS三軸數字加速度計

本系統的核心部件—3軸數字加速計，采用ADI公司的ADXL345。其工作過程的建立主要通過對12個獨立內部寄存器的設置來完成,下面詳細介紹幾個主要寄存器狀態的設置,即: 采樣速率寄存器BW_RATE，緩存模式寄存器FIFO_CTL、供電模式寄存器POWER_CTL及SPI接口模式和量程設置寄存器DATA_FORMAL。在此設計中，針對150Hz以下低頻微振動信號采集，設置采樣率為1600Hz，設置BW_RATE寄存器為0CH。設置內部緩存為FIFO模式，解決上位機讀取速度與加速度計采樣速度不匹配的問題，FIFO_CTL寄存器設為5FH。DATA_FORMA寄存器是傳感器設置中最重要的寄存器，它包含著量程、SPI接口模式、數據輸出格式和靈敏度的設置[3]。微振動信號一般不大于2g, SPI接口設置成4線制與USB-SPI接口匹配，靈敏度設置為最小4mg/LSB, 數據輸出格式默認為帶符號擴展位4位16進制，DATA_FORMA寄存器設置為08H[4]。POWER_CTL寄存器用來設定供電模式，在正常采集過程中，設置為測量模式07H，結束后轉換到自動休眠模式10H。

圖2 MEMS三軸數字加速度計電路連接圖

2.2 SPI-USB接口電路

為了解決ADXL345 的SPI接口與上位機的USB接口不匹配的問題，選用USBIO公司的USB轉SPI的芯片USB2SPI[5]。

圖3是USB2SPI電路設計圖，采用型電路為USB2SPI芯片提供穩定的12MHz時鐘信號。在設計印刷線路板PCB時,為了減少外界的信號干擾，D+和D-信號線需要進行包地處理，XI和XO引腳信號線處于高頻區,為了減少高頻干擾,在此引腳周邊電路設置環地線。

圖3 USB-SPI外圍電路

3 上位機軟件設計

本系統利用VC++6.0開發了ADXL345現場采集系統的軟件控制平臺。

3.1 瞬態振動動信號采集界面

圖4為瞬態振動信號采集系統的軟件顯示界面。該界面分為傳感器配置、采集控制、總線控制、狀態顯示4部分[6]。傳感器配置部分主要用來設置傳感器參數包括量程、采樣率、采樣時間、緩存模式等；采集控制部分主要用來控制系統運行過程，包括傳感器狀態設置、片選設置、設備連接、關閉以及信號采集；總線控制部分主要用來設置SPI時鐘速度、讀寫指令長度；狀態顯示是指用戶通過人機交互界面，對硬件系統發送指令之后，硬件系統返回的狀態。

圖4 瞬態振動動信號采集界面

3.2 軟件流程

系統的上位機軟件流程如圖5所示，包括：設備連接狀態檢測，傳感器初始化配置，數據采集存儲、設備關閉。

圖5 數據采集軟件設計流程圖

4 實驗測試與結果分析

為了驗證方案的可行性，在實驗室環境下進行了實測，現場采集系統采用膠合螺栓安裝方法，固定在實驗室的光滑地面上，z軸朝上，采樣時間設為2s、采樣率為1600Hz、帶寬設為150Hz、傳感器量程為g，靈敏度為4mg/LSB。

4.1 近滿量程瞬態沖擊測試

利用鐵錘連續用力敲擊地面4次，判斷系統在近滿量程時工作狀況，如圖6所示[7]。

圖6 近滿量程瞬態沖擊測試圖

由圖6可得，在振動強度接近量程最大值2g時，MEMS現場采集系統能夠穩定的進行信號采集。受地球引力的影響，垂直方向始終承受1g的重力加速度，因此z軸振動基線接近1g，同時由于安裝的原因，不能保證z軸絕對垂直與水平面，導致 x、y軸的基線不等于0g。

4.2 分辨率閾值測試

利用鐵錘連續輕輕敲擊地面4次，確定MEMS采集系統的真實分辨率，如圖7所示[8]。

圖7 分辨率閾值測試

由圖7可得，在瞬態振動采集過程中，MEMS采集系統y軸振動信號最小為0.004g，說明的系統的分辨率可達0.004g。

由以上兩個實驗可知，現場采集系統可以檢測到的瞬態振動信號，這已經完全滿足利用瞬態振動法進行無損檢測時，對系統的分辨率要求。

5 結論

本文設計并實現了基于MEMS技術的瞬態振動信號采集系統。在深入研究MEMS數字加速度計配置原理與USP2SPI提供的應用層接口基礎上，設計了以MEMS三軸加速度計為核心的硬件結構、應用軟件和驅動程序，對現場采集系統進行了瞬態沖擊、分辨率閾值探測實驗。結果表明，本文設計的瞬態振動信號采集系統能夠對三維瞬態振動信號進行有效檢測。該系統在無損檢測、故障診斷領域具有極高的應用價值。

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