基于振動信號的傳感器與虛擬儀器的串口通信

王玉林， 姜　平

(南通大學 電氣工程學院 自動化系，江蘇 南通 226019)

基于振動信號的傳感器與虛擬儀器的串口通信

王玉林， 姜平

(南通大學 電氣工程學院 自動化系，江蘇 南通 226019)

摘要:為了實現加速度傳感器與虛擬儀器LabVIEW之間的串口通信，以滾動軸承的振動信號為傳輸的介質,編寫C語言程序來驅動三軸加速度傳感器采集軸承的振動信號，再將振動信號傳輸到單片機中，虛擬儀器通過USB轉串口線讀取單片機中的振動信號，以波形的形式實時顯示在虛擬儀器界面上。以編程軟件顯示加速度傳感器采集到軸承的振動信號的值，經過串口通信程序，最終在虛擬儀器前面板上顯示振動信號轉換的數值波形00—FF；軟件分析后可以發(fā)現：軸承的均方根值為0.030 782 3，經過頻域的處理，其功率譜將特征頻率25 Hz與高次諧波分量單獨分離出來，從而完成傳感器與虛擬儀器間的串口通信。

關鍵詞:加速度傳感器； 振動信號； 數據采集； 虛擬儀器； 滾動軸承； 串口通信

0引言

目前，虛擬儀器正帶領儀表行業(yè)走向先進化、快速化、智能化。相對于傳統儀器，虛擬儀器有著不可比擬的優(yōu)勢，它是基于計算機的軟硬件測試平臺，已在工業(yè)控制領域具有廣泛應用[1]。LabVIEW編程軟件是一個基于圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境[2],是目前國際上應用最廣泛的數據采集和控制開發(fā)環(huán)境之一[3]。LabVIEW功能全面，具備數據采集、信號處理、串口通信等功能。

由于振動產生加速度，故可選用加速度傳感器，本文通過串口將LabVIEW與加速度傳感器連接起來，傳感器檢測采集滾動軸承的振動信號，這里選擇ADXL345型號的傳感器，該振動加速度傳感器能實現低頻加速度的準確測量[4]。振動信號先存放于單片機中保存，再傳輸到虛擬儀器中，最終形象地在虛擬儀器界面上顯示振動信號的波形。

1系統總體設計

目前，數據采集系統的基本任務是物理信號的產生或測量[5]。需要保證信號的完整性，信號是處于變化的，它是信息的載體和具體表現形式[6]。本文以傳感器來完成數據采集的任務。通過單片機等最終將采集的信息發(fā)送到上位機中，系統模塊總體框圖如圖1所示。

2系統硬件設計

2.1傳感器和單片機的設定

ADXL345為三軸加速度傳感器，可以檢測空間X，Y，Z三個方向的加速度值，檢測范圍達到±16 gn，分辨率為13位，它支持SPI和I2C兩種接口訪問形式，文中采用I2C協議。該協議需要數據線SDA和時鐘線SCL，在編程軟件中編寫I2C協議來采集軸承自身的振動信號。該傳感器的優(yōu)勢在于其內部集成了A/D轉換器和數字濾波器，輸出的信號是經過濾波后的數字信號，通過串行接口讀取數據。據Nyquist(奈奎斯特)采樣定理可知，要想采集到的信號被還原，采樣頻率必須大于信號中最高頻率的2倍，即fs>2fc(fs為采樣頻率，fc為信號中的最高頻率)。由于ADXL345最大的采樣頻率為3 200Hz，所以，該傳感器能采集到0～1 600Hz的信號。而本文要檢測的軸承的頻率不超過1 600Hz，故可以用ADXL345傳感器來檢測。

圖1　系統模塊總體框圖Fig 1　System module overall block diagram

單片機選用MSP430F149，是TI公司推出的16位微處理器[7]，是一種具有超低功耗特性的功能強大的單片機[8]，MSP430單片機片內一般都集成有A/D轉換模塊[9]，是16位的精簡指令集單片機[10]，其性能和速度高于51型號的單片機，適合本課題的研究開發(fā)。

2.2數據的采集檢測

實際運行時，三軸加速度數據存放0x32～0x37地址單元中，將傳感器安裝在滾動軸承的外圈上，以充分地接觸軸承，檢測信號。該滾動軸承分為三部分：內圈、外圈、滾動體。運轉時，外圈保持固定，內圈與滾動體相對靜止，連在一起在外部設備的帶動下發(fā)生旋轉。滾動軸承的樣本由公司提供。檢測過程中，電機驅動軸承轉動，由傳感器檢測軸承的振動信號，存放于單片機中，再經過串口線將信號傳到虛擬儀器中。硬件流程圖如圖2所示。

圖2　硬件流程圖Fig 2　Hardware flow chart

編程軟件采用IAREmbeddedWorkbench，其可以處理C，C++源代碼以及匯編文件，一個工作區(qū)下可以創(chuàng)建多個工程。實際編程時選用C語言編寫。編譯確認無誤之后，將C語言程序下載到單片機中，進入調試界面，可以看到振動信號的值。BUF在程序中定義為一個一維數組，里面存放了6位數據，分別為三軸加速度的值，以十六進制的格式顯示，如圖3所示。

圖3　振動信號值Fig 3　Vibration signal value

圖3中，BUF[0]和BUF[1]表示X軸的數值，BUF[2]和BUF[3]為Y軸的信息，BUF[4]和BUF[5]則是Z軸上的信號，其均為字符的形式。實際采集過程中，這些加速度的值都是實時改變的,以反映軸承自身的狀態(tài)。根據ADXL345的資料手冊，將三軸加速度的值最終轉化為一個數值，以這樣一個整體的數值來反映軸承的振動信號。通過RS—232串口將該數值傳輸到LabVIEW中。

3系統軟件設計

軟件部分基于LabVIEW界面，系統上位機選用LabVIEW編程軟件，它不同于C程序語言的方式，它以數據流模式運行，運算效率高，集成度高。軟件部分分為串口設置、數據采集、數值顯示、波形顯示四大模塊。

LabVIEW串口通信時，首先要安裝VISA驅動，驅動安裝完成之后，USB轉串口線一端連接單片機的串口，即RS—232口，另一端則連接計算機的USB口。支持熱插拔的USB標準串行接口迅速體現出其優(yōu)勢[11]。安裝CH341SER驅動程序后，在設備管理器里可以看到串口線對應的COM口，而且是COM1口，表明單片機與計算機已連接成功，可以進行串口通信。圖4為COM1口的端口設置。

圖4　串口設置Fig 4　Serial port settings

從圖4中可以看出：VISA串口配置時，波特率設為38 400b/s，1位停止位，無流控制，數據位為8位，無奇偶校驗。參數值可以通過下拉按鈕來修改。

在LabVIEW前面板上，設置對應的串口號、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗等等。只有串口設置正確的前提下，方可正常通信。

在虛擬儀器上位機程序框圖中，串口設置的程序見圖5。

圖5　串口設置程序Fig 5　Serial port setting program

程序運行時，首先彈出對話框，在對話框里輸入信息，提示用戶打開串口，選擇COM口及波特率等信息。點擊確定按鈕，對話框消失，之后延遲時間3s，再進入數據采集階段。通過布爾型控件來決定是否采集數據。采集到數據之后，分別以十進制和十六進制的格式顯示，再將數據轉化為波形顯示。其中，對話框的程序框圖見圖6。

圖6　會話框程序框圖Fig 6　Block diagram of dialog box program

條件結構決定打開串口之后，數據開始采集，如果串口處于關閉狀態(tài)，則再次提醒用戶打開串口。數據采集時，選擇VISA寫入函數，將COM1資源的數據寫進去，再經過屬性節(jié)點函數和100ms的延遲時間，VISA讀取函數將COM口的數據讀出來，存放在讀取緩沖區(qū)。字符串至字節(jié)數組轉換函數將緩沖區(qū)中的數據以波形的方式及時在波形圖表上顯示。總程序采用While循環(huán)結構，一直處于接收的狀態(tài)，直至在界面中點擊停止鍵。數據讀取部分的程序見圖7。

圖7　數據讀取程序Fig 7　Data reading program

4實驗結果

硬件設備調通之后，打開虛擬儀器界面，在前面板上選擇正確的串口信息，包括VISA資源名稱、波特率、數據位、停止位。再打開串口，使虛擬儀器處于串口接收的狀態(tài)。軸承檢測裝置運行時，電機帶動滾動軸承發(fā)生周期性旋轉，傳感器迅速采集軸承自身的振動信號，以加速度值來反映振動信號的大小，LabVIEW從串口接收數據時，一次性讀取8位數據，解讀方式為字符的ASCII碼格式。由于下位機單片機中發(fā)送的數據是數值型，所以，需要使用"字符串至字節(jié)數組轉換"函數，將字符串轉成無符號的字節(jié)數組，也就是對應的ASCII碼值。

數值顯示的結果界面如圖8所示，列表框中為十六進制的數據，下面是其對應的十進制數。其中，最上面是控制數據采集與停止的部分。

圖8　數值顯示與控制界面Fig 8　Value display and control interface

當虛擬儀器開始數據采集時，數據以無符號數組的形式顯示在前面板的波形圖表里，本文采用波形圖表而不是波形圖，是因為波形圖表用于實時顯示，它保留了舊數據，并且將新接收的數據顯示在舊數據之后，而波形圖則用于事后對整個波形的顯示，它對舊數據不保留，在有新數據到來時，先清除原來的數據，僅僅顯示新的數據，起不到新舊數據比較的作用，沒有連續(xù)性。振動信號數據采集的結果如圖9所示。

圖9　數據采集結果Fig 9　Data collection results

由圖9可知，振動信號最終以數值波形顯示，顯示范圍為00～FF，而且數據是處于實時變化的，一旦外界有大的擾動，波形也會發(fā)生較大的改變。

5實驗結果分析

在虛擬儀器中對振動信號的波形進行分析，得到波形的時域指標及頻譜圖。時域參數中，以均方根值來反映振動幅值的大小。在頻譜圖中，測量波形的功率譜，可以獲得相應的特征頻率及其高次諧波分量,如圖10所示。

圖10　振動信號結果分析Fig 10　Vibration signal results analysis

圖10(a)為采集信號的波形，從圖中可以看出，波形的均方根為0.030 782 3，圖10(b)功率譜圖中，25Hz處有最大的峰值，故特征頻率為25Hz,另外，在50,75Hz處也有較小的尖峰，其幅值很小，為諧波分量。

6結束語

基于LabVIEW虛擬儀器構建了檢測軸承振動信號的控制界面，利用單品機編寫C語言程序來采集振動信號，在加速度傳感器與虛擬儀器之間實現了以振動信號為媒介的串口通信，實驗平臺能快速清晰地反映傳感器中存放的數據，以波形的形式顯示在控制界面上，分別在時域和頻域中得到了波形的相關指標和參數，并加以分析判斷，其均方

根值0.030 782 3反映了振動幅值的大小，頻譜圖能夠反映振動信號自身的特征頻率25Hz和分量大小，為今后虛擬儀器的應用提供廣闊的平臺。

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Serialportcommunicationbetweensensorandvirtualinstrumentbasedonvibrationsignal

WANGYu-lin,JIANGPing

(AutomationDepartment,CollegeofElectricalEngineering,NantongUniversity,Nantong226019,China)

Abstract:To realize serial communication between acceleration sensor and virtual instrument(VI),LabVIEW ,and transmission medium is rolling bearing vibration signal.Write C language program to drive three-axis acceleration sensor to collect bearing vibration signal,then transmits vibration signal into micro controller unit(MCU),afterwards,VI reads vibration signal in MCU via USB to serial line,and the signal is displayed on VI interface in real time in form of waveform.Acceleration sensor can collect bearing vibration signal,at the same time,value of vibration signal can be displayed in programming software,through a serial port communication program,the numerical wave 00—FF transformed by vibration signal is able to be displayed on VI front panel; by software analysis,it can be found that root-mean-square of bearing is 0.030 782 3,through frequency domain processing,characteristic frequency 25 Hz and high-order harmonic component are isolated separately by power spectrum,consequently,serial port communication between sensor and VI is achieved.

Key words:acceleration sensor; vibration signal; data acquisition; virtual instrument(VI); rolling bearing; serial port communication

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0018—04

收稿日期：2015—07—27

中圖分類號:TH 701

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)04—0018—04

作者簡介:

王玉林(1991-)，男，江蘇東臺人，碩士研究生，主要研究領域為音頻檢測。

姜平，通訊作者，E—mail:1728116725@qq.com。