基于STM32的軸承振動測試儀的數據采集系統開發

劉超，耿也，舒奎，肖志恒

(大連工業大學信息科學與工程學院，遼寧大連 116034)

基于STM32的軸承振動測試儀的數據采集系統開發

劉超，耿也，舒奎，肖志恒

(大連工業大學信息科學與工程學院，遼寧大連 116034)

在分析軸承振動測試儀工作原理的基礎上，自主開發一款適用于軸承振動測試儀的數據采集系統，控制器以STM32控制芯片為核心，軸承振動測試儀以傳感器為信號輸入端，通過數字濾波得到三分頻結果。對比原有儀器，此系統能夠降低生產成本、簡化結構。

STM32芯片;軸承振動測試儀;數據采集

在機械制造領域中，軸承一直是被大量使用的零件之一，廣泛地被應用于飛機、汽車、航天、輪船等行業。在確保軸承出廠質量方面，我國擬定了非常嚴格的標準，主要的依據有3個:國家的標準，行業的標準和企業的標準［1］。檢查的項目根據重要性可分為3項:關鍵項目、次要項目和主要項目。主要項目中的振動檢測是目前我國軸承行業技術弱項。據旋轉機械的故障統計，30%的故障跟軸承有關，所以說軸承質量的好壞跟機械設備的正常運行有著緊密的聯系。為了制造出合格的軸承，提高軸承質量檢測技術水平特別是軸承振動測試水平顯得尤為重要。

1 系統總體概述

振動監測系統的主要工作就是對滾動軸承振動信號的實時采集及處理［2］。首先對傳感器采集到的信號進行調理，濾掉無用的信號得到有用的信號［3］。基于STM32芯片構成的實時信號處理系統，主要包括數字信號的處理、濾波及AD轉換等［4］。軸承振動測試儀的原理圖如圖1所示。

圖1 軸承振動測試儀原理圖

軸承振動測試時，軸承在模擬實際工作狀態下運行。把芯軸插入主軸孔，軸承裝載在芯軸上，電機運轉通過聯軸器帶動主軸旋轉，主軸再帶動芯軸旋轉，這時軸承便在芯軸的帶動下旋轉，同時對軸承軸向和徑向加載模擬力。軸承軸向和徑向加載力的圖示分別如圖2和3所示。軸承是在模擬帶載運動狀態下振動，由壓在外圈上的傳感器收集信號。傳感器送出的信號微弱，噪聲混雜，經過前置處理送入芯片進行A/D轉換。從傳感器接收到的振動信號經過A/D轉換后由主控芯片把其分成了高、中、低3個頻段，由外接的3個儀表顯示出來。

圖2 軸承軸向加載

圖3 軸承徑向加載

2 控制器硬件設計

該系統選用STM32F103VET6為主控芯片，該芯片內部集成FLASH、RAM、TIMER、USART等，它是專門為低功耗和對成本要求較高的電子應用領域設計的、具備較高性價比的處理器芯片，應用領域可從低端控制器到復雜的SoC設備［5－6］。

2.1 電源模塊及電壓轉換電路

STM32F103VET6的工作電壓 (Vdd)為2.0～3.6 V。而控制器的輸入電壓為5 V，這里采用AMS1117將輸入電壓轉換成CPU工作電壓，電壓輸入、輸出端分別接10 V鉭電容和100 nF的普通電容。

AMS1117系列穩壓器分為:有可調版及不可調電壓版，而文中采用穩定輸出 3.3 V的固定板，AMS1117的片上微調將標準電壓調整為1.6%以內的誤差，與此同時電流的限制也受到了充分的調節，來盡可能地減少由于穩壓器和電源電路的超載而造成的壓力。其特點如下:

(1)能夠提供包括固定電壓輸出版本 (固定電壓包括1.8，3.3，5 V)跟三端可調電壓輸出版本;

(2)最高輸出電流可達1 A;

(3)輸出電壓精度高達2%;

(4)穩定電壓工作范圍高達12 V;

(5)限流功能;

(6)過熱切斷;

(7)溫度范圍:－20～120℃。

AMS1117引腳功能如下所示:

(1)腳:接地端，與GND 5 V相連;

(2)腳:電壓輸出端，接3.3 V;

(3)腳:5 V電壓輸入端。

其電源電路如圖4所示。

圖4 電源電路

2.2 看門狗電路

電壓比較電路如圖5所示，此電路是把MAX813L作為控制核心。PFI引腳是電源故障的輸入端，也就是當輸入電壓小于1.25 V時，PFO的輸出電平就由高變為低。選用的R42阻值是4.2 kΩ，R44是1 kΩ的電阻。依據電阻分壓原理，當輸入電壓小于4 V時，也就是說PFI的輸入電壓小于1.25 V時，則PFO引腳就會產生提示信號。控制器配有0.22 F的大電容，可以起到供電作用，它可以對控制器持續供電長達1 s，在這段時間里控制器可以將需要存儲的數據寫入到SD卡中去。

圖5 看門狗電路

2.3 JTAG仿真下載電路設計

JTAG口可實現STM32的仿真、調試、下載等功能，STM32內核集成了JTAG調試接口，JTAG調試接口提供了一個連接 AHP-AP端口的5引腳標準JTAG接口，TCK對應JTCK是測試時鐘的輸入端，TDI對應JTDI是測試數據輸入，TDO對應JTDO是測試數據輸出端，TMS對應JTMS是測試模式選擇端，TMS用來設置JTAG處于某種特定的測試模式，TRST對應JTRST是測試復位端，低電平有效，RESET端接到STM32F103VET6復位端即可［7］。電路連接如圖6所示。

圖6 JTAG電路

ULN2804只是一個簡單的反相器，內部每個輸出通道都有一個二極管，二極管的正極接輸出端，負極接驅動電源。

2.4 傳感器的選擇

在此次設計中，使用了壓電式加速度傳感器，其特點是具有很好的高頻響應特性，所以被廣泛地應用在壓力、振動、加速度及位移等測量中［8］。另一方面壓電式加速度傳感器體積小、質量輕、頻帶寬 (零點幾赫茲到數十千赫茲)、測量范圍大 (10－5～104m/s2)、應用溫度范圍廣 (400～700℃)，所以廣泛地使用在加速度、振動或沖擊測量中。

2.5 信號調理電路

STM32F103RBT6系列微處理器所帶的2個18通道12位ADC轉換頻率最高可達1 MHz，每個通道的采樣間隔時間均可獨立編程設置，在通道轉換期間，ADC產生DMA請求，使DMA來傳輸ADC轉換值，提高了數據傳輸的效率。由于芯片自身的AD轉換精度可以滿足采集要求，節省了AD轉換電路，只需外加信號調理電路即可把傳感器的電流值轉換成放大的電壓值，利用AD620的高效性和準確性簡化了信號調理電路，每一路的信號調理電路如圖7所示。

圖7 信號調理電路

2.6 A/D設計

A/D主要是把傳感器傳來的模擬信號轉化為系統能識別的數字信號，流程圖如圖8所示。

此程序中完全沒有使用中斷，而ADC及DMA的配置工作都由用戶函數ADC1_Init()完成了。配置完ADC及DMA后，ADC就不停地采集數據，而DMA自動地把ADC采集的數據轉移至內存中的變量ADC _ConvertedValue中，所以在main函數的while循環中使用的 ADC_ConvertedValue都是實時值。接下來重點分析ADC1_Init()這個函數是如何配置ADC的。

圖8 AD流程圖

ADC1_Init()函數使能了ADC1，并使ADC1工作于DMA方式。ADC1_Init()這個函數是在用戶文件adc.c中實現的用戶函數:

3 結論

介紹了軸承振動測試儀數據采集系統的總體硬件結構及其功能，研發一套軸承振動測試儀數據采集的控制系統。該系統采用開放式接口以及模塊化設計，解決軸承振動信號處理分析的技術問題;采用了高集成度的STM32F103VET6，從而使外圍電路更簡便。

【1】黃嘯.軸承振動自動檢測儀的研制［D］.大連:大連理工大學，2009.

【2】權建軍.滾動軸承振動信號無線采集系統設計［J］.工礦自動化，2012(6):34－35.

【3】李君.基于虛擬儀器動態信號測試系統的設計［J］.機電產品開發與創新，2008(1):26－27.

【4】王林，劉書明，張靜.基于ADSP-TS101S的多芯片數字信號處理系統的實現方案［J］.電子設計應用，2004 (9):56－58.

【5】ARM-based 32-bit MCU STM32F101xxand STM32Fl03xx Firmware Library User Manual，STMicroelectronics.2008.

【6】SHUHAIL M A.Direct Load Control Using Programmable Logic ContRoller［D］.King Fahd University of Petroleumand Minerals，2002:96－101.

【7】劉歡.基于DSP的電動叉車交流伺服控制系統的設計與研究［D］.杭州:杭州電子科技大學，2009:44－45.

【8】王建生.基于DSP的球磨機軸振頻譜分析、監測與實現［D］.南京:東南大學，2007.

Development of Data Acquisition System for Bearing Vibration Measuring Instrument Based on STM32

LIU Chao，GENG Ye，SHU Kui，XIAO Zhiheng
(School of Information Science＆Engineering，Dalian Polytechnic University，Dalian Liaoning 116034，China)

Based on analyzing the principle of bearing vibration measuring instrument，a data acquisition system suitable for bearing vibration measuring instrument was developed independently.The controller core was STM32 control chip.The signal input of the bearing vibration measuring instrument was sensor，three points frequency was obtained by digital filtering.Comparing to original instruments，using this system，the production cost can be reduced，the structure is simplified.

STM32 chip;Bearing vibration measuring instrument;Data acquisition

TP29

B

1001－3881(2014)8－127－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.040

2013－04－04

劉超 (1987—)，女，碩士研究生，從事信息系統與系統集成方向的研究。E－mail:523750151@qq.com。