基于STM32的電機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集檢測(cè)系統(tǒng)*

蔡 俊， 陳曉烽， 吳思漢, 隋翔龍

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

0 引 言

當(dāng)今，電機(jī)在民用、軍事和工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)使用的電機(jī)就有2000萬(wàn)多臺(tái)，電機(jī)損壞維修的費(fèi)用就高達(dá)32億元左右，而由電機(jī)故障導(dǎo)致的安全事故、工廠停運(yùn)造成的損失更加巨大[1]。電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中往往伴隨著不同程度的振動(dòng)，對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、幅值、頻域和小波等分析可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障診斷[2]。而采集過(guò)程中的噪聲、數(shù)據(jù)精度和采集實(shí)時(shí)性都直接影響著電機(jī)故障診斷結(jié)果，甚至?xí)?dǎo)致故障誤報(bào)或不能及時(shí)報(bào)警。一般的電機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)體積大、成本高，加上電機(jī)安裝的環(huán)境惡劣，空間小。所以需要一種精度高、實(shí)時(shí)、便攜并能有效濾波的多通道電機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集檢測(cè)系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)了一種四通道電機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，采用支持16位分辨率的AD7606芯片，保證了系統(tǒng)的高精度。STM32F429的高性能保證了快速運(yùn)算與傳輸，不僅實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地在屏幕上顯示通道數(shù)據(jù)頻譜圖及相關(guān)參數(shù)，便于工程師對(duì)故障的初步判斷；還能快速地把數(shù)據(jù)保存到SD卡和上傳到上位機(jī)。該系統(tǒng)具有成本低、體積小等優(yōu)勢(shì)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框架為：傳感器模塊采用電渦流傳感器，把位移信號(hào)以電流的方式傳送給信號(hào)調(diào)理模塊。信號(hào)調(diào)理模塊中RCV420芯片把4～20 mA電流轉(zhuǎn)換為0～5 V的信號(hào)，差動(dòng)放大電路把信號(hào)轉(zhuǎn)換為-4～4 V。隔離放大電路完成其前后部分電路的電氣隔離，系統(tǒng)的抗干擾性更好。信號(hào)調(diào)理模塊還包括MAX295，濾除系統(tǒng)中的高頻干擾。其后信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606，控制模塊芯片STM32F429通過(guò)SPI接收來(lái)自AD7606的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩存在SRAM中，并對(duì)數(shù)據(jù)FFT和相關(guān)參數(shù)計(jì)算，將頻譜圖與參數(shù)顯示在屏幕上。該控制芯片具有DMA功能，在不占用CPU的情況下把數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)和SD卡中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速地傳輸。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電渦流傳感器

電渦流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、靈敏度高、線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、不受油污等介質(zhì)的影響等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障檢測(cè)中[3]。本系統(tǒng)采用的電渦流傳感器型號(hào)為ZD—260，正常工作溫度在-40～80 ℃,防護(hù)等級(jí)為IP68。該傳感器輸出電流信號(hào)，輸出電流范圍為4～20 mA。選用電流輸出的方式可減少環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾，增長(zhǎng)了可傳導(dǎo)距離。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.2.1 I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為了便于濾波與A/D轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用RCV420將4～20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)。該芯片不僅可靠而且成本低， 轉(zhuǎn)換精度為0.1 %，共模抑制比可達(dá)86 dB，共模輸入信號(hào)范圍為±40 V[4]。

2.2.2 差動(dòng)放大電路設(shè)計(jì)

芯片MAX295在雙電源供電為±5 V時(shí)，最佳信號(hào)輸入范圍為-4～4 V。輸入電壓如果超出此范圍值，總諧波失真與噪聲會(huì)大大增加[5]。

因此，設(shè)計(jì)了差動(dòng)運(yùn)算放大電路把RCV420輸出的0～5 V電壓轉(zhuǎn)換成-4～4 V。電路中選擇OP07作為運(yùn)算放大器。原理圖如圖1，TL431給予差動(dòng)放大電路2.5 V的基準(zhǔn)電壓。

取R1=R2，R3=R4,且R4∶R2=8∶5時(shí)，可得

電路的放大倍數(shù)

(1)

Vout=A(Vin-2.5V)

(2)

圖1 0～5 V電壓轉(zhuǎn)換成-4～4 V原理

2.2.3 隔離電路設(shè)計(jì)

為防止系統(tǒng)或裝置間的壓差問(wèn)題[6]，在每個(gè)采集通道中加入隔離電路，采用ISO122對(duì)電路進(jìn)行電氣隔離，進(jìn)一步減小干擾。

ISO122是一種精密的電容隔離放大器，通過(guò)兩個(gè)1 pF的電容進(jìn)行隔離，ISO122需要本系統(tǒng)中±12 V電源供電， 其最大非線性度僅為0.02 %[6]，以及50 kHz的信號(hào)帶寬能滿足本系統(tǒng)的要求，設(shè)置隔離電路增益為1。

2.2.4 低通濾波電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的電渦流傳感器頻率響應(yīng)范圍在0 Hz～10 kHz，采集到的模擬信號(hào)中常混有高頻分量干擾，需要濾除10 kHz以上的高頻分量。MAX295是一種8階Butterworth型低通濾波芯片，具有非常平坦的通帶響應(yīng)以及較快的通帶邊界下降速度。

該芯片的可調(diào)截止頻率范圍為0.1 Hz～50 kHz，其截止頻率由CLK引腳輸入的外部時(shí)鐘頻率來(lái)設(shè)置，時(shí)鐘頻率與濾波器截止頻率之比為50∶1。當(dāng)然也可以在CLK引腳外接一個(gè)高精度電容C10來(lái)設(shè)置內(nèi)部時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘頻率fOSC(kHz)與電容值COSC(pF)有關(guān)系如下

(3)

根據(jù)系統(tǒng)傳感器的頻率響應(yīng)最大值為10 kHz，設(shè)置濾波器截止頻率10 kHz。則所設(shè)置的內(nèi)部時(shí)鐘頻率fOSC=500 kHz，COSC為67 pF。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

ADT606進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再以SPI通信方式將數(shù)據(jù)傳給STM32F429。模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇制約著數(shù)據(jù)精度、采集速度。AD7606內(nèi)置二階抗混疊濾波器與跟蹤保持放大器，是逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片支持16位精度的四通道同步采樣(ADT606—4)，所有通道最高采樣速率可達(dá)200 kSPS[7]。

2.4 控制模塊與電源模塊設(shè)計(jì)

本文以STM32F429作為控制芯片，內(nèi)置256+4 kB字節(jié)的SRAM，工作主頻可達(dá)180 MHz[8]；具有USB全速與USB高速控制器，可把緩存數(shù)據(jù)快速傳給上位機(jī)；還有單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)，使本系統(tǒng)的FFT與參數(shù)運(yùn)算更為快速，為實(shí)時(shí)的顯示頻譜圖與參數(shù)提供了可能[8]。還有新型存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)FSMC，可以與多數(shù)圖形LCD控制器進(jìn)行無(wú)縫連接。

為了盡可能減小模擬部分與數(shù)字部分之間的干擾，決定在不同部分使用不同電源模塊進(jìn)行供電。其中模擬部分有±12 V與±5 V，數(shù)字部分需要5 V與3.3 V。模擬部分-5 V由LM2990產(chǎn)生，LM2990是一種負(fù)低壓降穩(wěn)壓器穩(wěn)壓芯片LM1084則可以把+12 V轉(zhuǎn)換+5 V，兩塊芯片都有功耗低，受溫度影響小的優(yōu)點(diǎn)。±5 V穩(wěn)壓電路圖如圖2所示。

圖2 ±5 V穩(wěn)壓電路

數(shù)字部分采用LM1117—3.3將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V來(lái)進(jìn)行供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制芯片產(chǎn)生PWM波控制AD芯片的CONVST A/CONVST B引腳，輸出的PWM波的頻率能控制AD芯片的采樣頻率。接收到AD變換信號(hào)后，芯片AD7606開始工作，AD芯片的BUSY端輸出高電平。經(jīng)過(guò)短暫等待，BUSY端由邏輯1變?yōu)檫壿?，與其對(duì)應(yīng)的控制芯片上的引腳接收到下降沿，STM32進(jìn)入下降沿中斷，中斷中接收來(lái)至AD芯片的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)信息暫時(shí)存放在SRAM中。然后通過(guò)DMA把數(shù)據(jù)傳到USB與SD卡中。CPU選擇數(shù)據(jù)保存到FFT_Buff中，進(jìn)行FFT和相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。為準(zhǔn)確快速地FFT，系統(tǒng)直接調(diào)用由ST公司提供的FFT庫(kù)函數(shù)，其可計(jì)算16/64/256/1024/4096點(diǎn)的傅里葉變換。通過(guò)測(cè)試4 096點(diǎn)的傅里葉變換只需2.71 ms。系統(tǒng)程序流程圖如圖3。

圖3 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，采用三相異步電機(jī)進(jìn)行測(cè)試。該電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 430 r/min，基頻約為23.8 Hz。設(shè)置系統(tǒng)1 024 Hz的采樣頻率，共采集256點(diǎn)。本次實(shí)驗(yàn)只接收一路通道數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后得到的結(jié)果顯示在屏幕上。

本次實(shí)驗(yàn)只顯示上述參數(shù)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與頻譜圖如圖4。

從圖4可以看出，系統(tǒng)顯示屏幕上的傅里葉變換頻譜圖的峰值在基頻附近，參數(shù)計(jì)算正確，該系統(tǒng)可應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了I-V轉(zhuǎn)換電路與差分放大電路，將傳感器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為±4 V電壓信號(hào)。并通過(guò)隔離電路與MAX295大大減小了環(huán)境的干擾。芯片AD7606實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的16位精度與四通道最大200 kSPS同步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，主控芯片STM32F429通過(guò)控制PWM波周期實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)采樣頻率的可控性。軟件部分利用DMA功能把數(shù)據(jù)及時(shí)地發(fā)送到上位機(jī)或SD卡，完成了數(shù)據(jù)的高速傳輸與保存。該系統(tǒng)還采用ST公司的FFT庫(kù)函數(shù)進(jìn)行快速變換，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的頻譜與參數(shù)在屏幕上的實(shí)時(shí)顯示，為操作人員及時(shí)做出故障判斷提供了可能，具備較大應(yīng)用前景。