便攜式振動信號采集系統設計與實現

鄧傳加，李兆廠

（1.91550部隊 93分隊，遼寧 大連 116023；2.哈爾濱工程大學 水聲技術國防科技重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001）

隨著加工技術的不斷發展，設備的結構越加精密巧妙，機器趨向于快速復雜，與其相關的振動問題日益增多[1]。通常不受控制的振動會產生噪聲，引起機械應力，而且可能會導致結構發生故障，從而引發各種問題[2]。如今人們越來越關注噪聲和振動對人類以及對產品工作壽命的影響[3]。例如，對混凝土泵車容易發生故障的部位進行監測；對電廠設備、石化裝備等設備的檢修，都需要對振動信號的采集和分析[4]。通過對振動信號分析，不僅能夠找到已壞設備的故障原因，而且還可以提前預警故障的發生，從而避免造成重大的生命和財產損失。為了能對振動信號進行正確的診斷分析，準確穩定的數據采集設備就是不可或缺的。本文中給除了一種便攜式振動信號采集裝置的設計方案，并通過實物測試，證明了方案的可行性。

圖1 總體構成框圖Fig.1 The overall structure diagram

1 硬件電路構成

如圖1所示，硬件電路系統由連接加速度傳感器的四路信號調理單元、模數轉換單元、以DSP器件為核心的控制單元和采用USB接口的與上位機通信單元構成。其中信號調理單元包括電荷放大器[5]和數控濾波放大器兩部分。

振動信號首先經加速度傳感器轉化為微弱的電信號。電荷放大電路和數控濾波電路負責將微弱的電信號放大到適應模數轉換器輸入電壓范圍的電信號。控制單元的功能主要包括3個方面：1）控制數控濾波放大器調節對輸入電壓信號的放大倍數，同時程控濾除工作頻帶外的噪聲信號；2）控制AD轉換器實現模數轉換；3）將模數轉換得到的數字信號傳輸給上位機，同時接收來自上位的參數配置命令。與上位機通信單元以滿足USB接口芯片為核心，負責將DSP外部擴展總線發送來的數據轉換為上位機可以識別的USB2.0協議格式數據。

為了保證系統可采用USB接口通過上位機進行供電，在設計制板前，對將用到的主要芯片進行了獨立的耗電電流測量。實測工作電流值如表1所示。其中運放AD745、OPA227和LTC6910用于信號調理單元，AD7865為模數轉換芯片，CY7C68013A為USB2.0接口芯片，TMS320F28335為TI公司生產的浮點DSP芯片[6]。

表1 工作電流統計Tab.1 Operating current statistics

整個系統的供電框圖如圖2所示，其中所選用的電壓轉換芯片工作效率均高于85%。因此，考慮到表中所列器件所消耗電流占總電流量的90%以上，理論總電流量將不會超過500mA，即系統能夠滿足USB接口供電的條件[7]。

圖2 電源供電框圖Fig.2 Power supply block diagram

2 軟件程序設計

為了完成預定數據采集的功能，需要完成四組程序，如圖3所示，且需要各組程序之間緊密配合。

圖3 程序構成圖Fig.3 Program configuration diagram

2.1 DSP程序

DSP芯片TMS320F28335是系統的控制核心。它通過GPIO高低電平組合實現對數控濾波放大器的控制，通過啟動內部定時器，產生符合AD轉換器芯片控制要求的時序邏輯信號。以上功能的編程實現相對簡單。而將模數轉換獲得的數字信號傳送給USB接口芯片則是編程難點。

系統通過DSP的XINTF接口與CY7C68013A的并行總線連接，且配置CY7C68013A工作在SLAVE FIFO模式。它們之間數據傳輸狀態如圖4所示。

初始化：系統上電，DSP完成初始化后進入狀態1。

狀態1：配置DSP與CY7C68013A相連的引腳，設定FIFOADR0和FIFOADR1為0，此刻選擇EP2的FIFO與FD總線相連。SLWR置為高電平，SLCS置為低電平，PKTEND置高電平，FULL和EMPTY引腳設為輸入引腳，等待USB2.0接口反饋信號，之后進入狀態2。

圖4 數據傳輸狀態圖Fig.4 Data transfer state diagram

狀態2：查看IN FIFO的狀態是否“滿”。若“不滿”，則轉向狀態3，若“滿”，則停留在狀態2。

狀態3：將要寫入的數據放到數據線FD[15:0]上，當寫信號SLRW為低電平時，將數據寫入FIFO中，然后轉到狀態4。

狀態4：判斷有無新數據到達，若有轉入狀態2，若無，則等待。

這里將CY7C68013A的FIFO映射到DSP的ZONE7。為避免出現數據堵塞現象，配置CY7C68013A主頻時鐘低于DSP主頻時鐘。

2.2 固件程序

固件程序是實現DSP與上位機通信所不可缺少的，它實現USB接口芯片初始化、USB設備請求等功能。本文中的固件程序采用KeiluV3編寫，其流程如圖5所示。

2.3 驅動程序

圖5 固件框架流程圖Fig.5 Firmware framework flowchart

驅動程序的編寫利用了 DDK2600、VC++6.0和 Driver Studio3.2。EZ-USB系列驅動程序分為通用驅動程序和設備驅動程序[8-9]，都有典型的例子。利用這些例子程序，代碼的編寫量大為降低，甚至不需要修改它們，就能直接使用。本設計就直接使用了這些例子，且做到了在設備接入后，程序從計算機自動下載到接口芯片。

2.4 上位機程序

完整的上位機程序是一套顯示控制軟件，包含有非常豐富的內容。這里只給出與數據接收相關的通信模塊的實現方法。

在程序開始運行后，首先初始化USB設備變量、控制端點變量和線程變量，再通過IsOpen函數檢測USB設備是否成功連接到上位機。確定連接成功后，將讀取設備的VID、PID、設備名稱等顯示到軟件界面。最后將USB接口芯片FIFO內的數據讀到主機緩沖區，實現文件存儲和抽樣顯示。

3 系統測試

對完成的的數據采集系統實物進行了性能測試。利用信號源提供1 kHz的標準正弦信號，然后在DSP開發軟件CCS中觀察采集到的數據波形，如圖6所示。測試結果表明經放大濾波后的信號經模數轉換后能夠完好進入DSP芯片內部。

圖6 采集到的數據Fig.6 Data collected

進一步利用BUSHOUND軟件監控數據采集系統在運行時的最大數據傳輸速度，如圖7所示。注意，此時數據由DSP內部產生。根據圖7給出結果，最大傳輸速度能夠達到8MB/s。

本系統包括4各通道，最高采樣頻率為300 kHz，AD位寬為14位 （按2字節計算），需要的最高傳輸速率為2.4MB/s。因此，USB接口實際傳輸能力能夠滿足設計需求。

圖7 USB2.0傳輸速度Fig.7 USB2.0 transfer speeds

4 結束語

提出了一種實現便攜式數據采集系統的設計方案，并據此完成了一款試驗樣機。經過測試，該樣機在上位機通過USB接口供電的情況下，可完成四通道最高300kHz的數據采集任務，且運行穩定。本采集系統的研制成功為類似功能產品的研發提供了一個很好的參考實例。

[1]王金福.機械故障診斷技術中的信號處理方法:時域分析[J].噪聲與振動控制，2013（2）:128-132.WANG Jin-fu.Review of signal processing methods in fault diagnosis formachinery[J].Noise and Vibration Control，2013（2）:128-132.

[2]紀國宜.振動測試和分析技術綜述[J].機械制造與自動化，2010，39（3）:1-5.JI Guo-yi.Summary of vibration testing and analysis[J].Machine Building&Automation，2010，39（3）:1-5.

[3]樓應候，蔣亞南.機械設備故障診斷與監測技術的發展趨勢[J].機床與液壓，2002（4）:7-10.LOU Ying-hou，JIANG Ya-nan.Introduction of fault diagnosis andmonitor technology formechanicalequipment[J].Machine Tool&Hydraulics，2002（4）:7-10.

[4]王太勇，陳珊.機械設備智能診斷系統[J].精密制造與自動化，2003（9）:79-81.WANG Tai-yong，CHEN Shan.Intelligent fault diagnosis system ofmechanical equipment[J].Precise Manufacturing&Automation，2003（9）:79-81.

[5]孫穎奇，李保慶.低噪聲壓電電荷放大器的設計與實驗研究[J].壓電與聲光，2013，35（6）：833-837.SUN Ying-qi，LIBao-qing.Design and experimental study on low-noise piezoelectric charge sensitive amplifier （CSA）[J].Piezoelectrics&Acoustooptics，2013，35（6）:833-837.

[6]Texas Instruments Incorporated.TMS320F28335，TMS320 F28334， TMS320F28332， TMS320F28235， TMS320F28234，TMS320F28232 Digital Signal Controllers （DSC）[EB/OL].（2012-08）[2014-09-10].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tms320f28332.pdf.

[7]Cypress Semiconductor Corporation.Cypress USB Console Users’Guide[EB/OL]（2003）.[2014-09-11].http://www.cypress.com/?docID=62338.

[8]Cypress Semiconductor Corporation.EZ-USB FX2 Technical Reference Manual[EB/OL].（2014-04-24）[2014-09-12].http://www.cypress.com/?docID=48811.

[9]Cypress Semiconductor Corporation.EZ-USB General Purpose Driver Specification[EB/OL].（1999-02-23）.[2014-09-20].http://www.cypress.com/?docID=89524.