振動信號同步采集系統(tǒng)的設(shè)計

郭慶 胡文俊 徐翠鋒

摘要：基于單片機控制技術(shù)，設(shè)計了一種基于壓電傳感器的四通道振動信號采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了PVDF壓電薄膜傳感器采集振動信號，采集到的振動信號通過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓并放大，調(diào)理后的四路信號輸入到采樣保持電路、模擬開關(guān)電路，最終由STM32F103ZET6單片機控制信號的采樣和A/D轉(zhuǎn)換并通過USB串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。由上位機實時顯示振動信號的波形以及通道的選擇、切換。該系統(tǒng)具有成本低廉、操作簡單等特點，可以靈敏的采集到振動信號并直觀的在上位機實時顯示。

關(guān)鍵詞：PVDF壓電薄膜傳感器;振動信號;同步采集

中圖分類號：TP212? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0255-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on the control technology of single chip microcomputer， a four-channel vibration signal acquisition system based on piezoelectric sensor is designed. The system adopts PVDF piezoelectric film sensor to collect vibration signal. The collected vibration signal is converted into voltage and amplified by the conditioning circuit. The four signals after conditioning are input to the sample-and-hold circuit and the analog switch circuit， and finally the signal is controlled by STM32F103ZET6 single-chip microcomputer. Sampling and A/D conversion and transfer data to the host computer via the USB serial port. The waveform of the vibration signal and the selection and switching of the channel are displayed in real time by the host computer. The system has the characteristics of low cost， simple operation， etc.， and can collect the vibration signal sensitively and display it in real time in the upper computer.

Key words： PVDF piezoelectric film sensor; vibration signal; synchronous acquisition

振動在人們的工作、生活中隨處可見，振動信號在地質(zhì)勘測、地震監(jiān)測、機械檢測等領(lǐng)域上則尤為重要。隨著科學(xué)技術(shù)地不斷發(fā)展，人們對振動信號的認識更加深入，對振動信號采集的研究則提出了更高的要求。

振動信號采集與分析技術(shù)是機械動力學(xué)和電子技術(shù)相結(jié)合的一門嶄新的學(xué)科，是機械動力學(xué)工程應(yīng)用的一個極為普遍的方面[1]。在工程設(shè)計上既要考慮采集裝置的靈敏度、穩(wěn)定性、便捷性等問題，也要考慮其價格、成本、體積等因素。有時候為滿足某些特殊場所的要求，人們對采集裝置的實時性也有很高的要求，往往需要將采集到的振動信號實時傳輸?shù)絇C機上并直觀地顯示出來。

目前大多數(shù)的振動測量系統(tǒng)便攜性比較差，體積大，不便于在工業(yè)現(xiàn)場靈活使用[2]。振動信號的采集在軍事、工業(yè)生產(chǎn)、地震監(jiān)測中尤為重要，設(shè)計出一款便攜式、靈敏度高、穩(wěn)定性好且性價比高的振動信號采集裝置既能滿足大多數(shù)采集振動信號的要求又能有效填補市場的空缺。所以本次設(shè)計的四通道振動信號同步采集裝置具有投入市場使用的光明前景[3]。

1 系統(tǒng)的工作原理

振動測量節(jié)點由振動測量模塊、振動信號采集模塊組成[4]。硬件電路是四個通道的PVDF壓電薄膜傳感器分別對應(yīng)四個通道的電荷轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路、采樣保持電路。四通道傳感器拾振后輸出的振動電荷信號經(jīng)過電荷轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，此時的電壓信號電壓比較小，需經(jīng)過電壓放大電路將電壓信號放大，放大后的四路信號分別進入四路采樣保持電路。四路采樣保持電路對輸入的信號每隔一個時鐘周期進行一次采樣保持。四路采樣保持電路對輸入的信號采樣保持后將信號輸出到模擬開關(guān)電路，模擬開關(guān)電路與STM32單片機連接，由單片機通過控制模擬開關(guān)來實現(xiàn)電路的切換、選擇。最后采集到的模擬信號通過單片機的內(nèi)部A/D將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換完成后通過單片機USB串口將振動信號數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機顯示。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 復(fù)位電路

復(fù)位電路為STM32F103ZET6單片機的內(nèi)部上電復(fù)位電路。上電復(fù)位是指在單片機在剛通電的一瞬間，各個模塊的電路電壓未處于一個正常、穩(wěn)定值的情況下，單片機的運行會出現(xiàn)錯誤，所以在單片機上電時使用上電復(fù)位電路來讓單片機正常運行。此電路是低電平復(fù)位的，其中由R3、C12構(gòu)成了上電復(fù)位電路，通過按下復(fù)位按鈕RESET來復(fù)位單片機。其復(fù)位電路如圖2所示。

2.2 晶振電路

晶振電路為STM32F103ZET6單片機的晶振電路。晶振電路中的反相器位于單片機內(nèi)，通過外接晶振、電阻、電容等元器件構(gòu)成振蕩電路。通過電容、電阻、電感的串聯(lián)可以等效為理想的晶振電路，當經(jīng)過晶振電路的信號頻率與晶振的特征頻率相似時，此時晶振所表現(xiàn)出的阻抗就會非常小[5]。其晶振電路如圖3所示。

2.3 調(diào)理電路

調(diào)理電路由電荷轉(zhuǎn)換電路和電壓放大電組成。PVDF壓電薄膜傳感器用插座與調(diào)理電路連接。由于電荷傳輸容易被周圍的工頻50Hz信號干擾，PVDF壓電薄膜傳感器與調(diào)理電路之間的導(dǎo)線應(yīng)盡可能短。該調(diào)理電路和傳感器組合在一起構(gòu)成前端電路。將四個傳感器與四路調(diào)理電路分別連接后用銅柱與螺母固定在振動采集板上。其中考慮到外部振動對調(diào)理電路電路板以及板上元器件易造成松動的因素，故將調(diào)理電路單獨做成四路電路板，分別對四路傳感器輸出信號進行處理，并且將調(diào)理電路電路板面積盡可能得設(shè)計小，提高振動采集裝置的便攜性。調(diào)理電路圖如圖4所示。

由于PVDF壓電薄膜傳感器輸出微弱電荷信號且輸出阻抗高，因此采用Q/V轉(zhuǎn)換電路作為調(diào)理電路的輸入級電路，該電路將PVDF壓電薄膜傳感器采集到的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，同時將傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?。電荷轉(zhuǎn)換電路選用AD822運算放大器作為核心。電荷轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。C5作為電荷轉(zhuǎn)換電路的反饋電容[Cf][Rf]，R7作為電荷轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻[Rf][Rf][6]。其中反饋電容[Rf][Cf]折合到運算放大器輸入端的有效電容[C'f]為：（A為運算放大器的開環(huán)增益）

2.4 采樣保持電路

LF398是一款反饋型采樣/保持放大芯片，在目前的電子工程應(yīng)用開發(fā)中比較流行，它由場效應(yīng)管構(gòu)成，具有精度高、采樣率高、保持電壓下降慢等特點。，經(jīng)過調(diào)理電路處理后的振動信號由P16輸入到采樣保持電路，經(jīng)過采樣保持后從P18輸出。由調(diào)整1K歐姆電位器R8和VCC+的分壓實現(xiàn)對失調(diào)電壓的調(diào)整。其中C6作為電路的保持電容[7]。采樣保持電路如圖6所示。

2.5模擬開關(guān)設(shè)計

模擬開關(guān)模塊設(shè)計如圖7所示，X0、X1、X2、X3分別是四路采樣/保持電路的輸出端。引腳9、10、11接單片機的I/O口，通過單片機控制A、B、C控制輸入端來實現(xiàn)通道的選擇、切換。引腳3作為信號輸出端與單片機相連。

3 采集裝置軟件設(shè)計

3.1 單片機程序設(shè)計

該系統(tǒng)以單片機STM32為控制核心。程序開始運行后進行系統(tǒng)初始化，初始化完成后接收由上位機返回的選擇通道數(shù)量值a，通過判斷a的值來確定進行A/D轉(zhuǎn)換的通道數(shù)。接下來對所選擇的通道進行A/D轉(zhuǎn)換。最后將A/D轉(zhuǎn)換后的電壓值通過串口發(fā)送到上位機。本設(shè)計通過設(shè)置定時器來確定采樣的頻率，即每隔一個由定時器設(shè)置的時間周期就對四路所采集到的信號進行一次采樣保持操作。

分析單片機的采樣原理，本設(shè)計使用了單片機的通用定時器，通過控制定時器的中斷溢出時間來實現(xiàn)定時采樣。每次的定時中斷完成后判斷時鐘的中斷類型，在中斷類型正確的情況置標志位為1。單片機程序流程圖如圖8所示。

本次設(shè)計使用的是STM32的內(nèi)部A/D通道1。程序初始化完成后后開啟A/D時鐘并復(fù)位A/D，對A/D的全部寄存器重設(shè)為缺省值后設(shè)置A/D的分頻因子。設(shè)置完A/D分頻因子后對A/D的參數(shù)進行初始化。并開始使能A/D轉(zhuǎn)換器，并對ADC1執(zhí)行復(fù)位校準和ADC1校準。校準完成后，在A/D初步準備好后，開始設(shè)置規(guī)則系列1的通道、采樣順序以及采樣周期。設(shè)置完成規(guī)則序列后使能軟件開啟A/D轉(zhuǎn)換，使能指定的A/D軟件轉(zhuǎn)換啟動功能開啟轉(zhuǎn)換之后，就可以獲取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)了。同時在A/D轉(zhuǎn)換的過程中，要根據(jù)狀態(tài)寄存器的標志位來獲取A/D轉(zhuǎn)換的各個狀態(tài)信息，以及判斷AD轉(zhuǎn)換是否結(jié)束[8]。

3.2 上位機設(shè)計

本設(shè)計中使用LabVIEW作為上位機開發(fā)環(huán)境。上位機運行開始后首先進行程序的初始化，初始化完成后選擇通道[9]。接著通過VISA讀取函數(shù)讀取下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)過搜索拆分字符串函數(shù)、截取字符串函數(shù)、字符串轉(zhuǎn)數(shù)值函數(shù)后成為四路體現(xiàn)振動信號的電壓值，最后通過捆綁函數(shù)捆綁四路信號并發(fā)送到波形顯示器顯示信號波形[10]。上位機流程圖如圖9所示。

4 實驗測試

系統(tǒng)在一個相對平穩(wěn)的信號采集環(huán)境，將振動信號采集裝置各個模塊級聯(lián)并正確接上電源，檢查各個模塊信號燈是否正確發(fā)光以及電源輸出電流電壓是否正確。硬件電路各模塊正常運行后打開上位機軟件，選擇數(shù)據(jù)通信的串口，設(shè)置對應(yīng)的串口波特率、停止位、傳輸字節(jié)數(shù)，點擊運行按鈕[11]。上位機返回數(shù)據(jù)窗口顯示接收到的四個通道的電壓信號，波形顯示器出現(xiàn)四個通道電壓的波形。

在無振動情況下，發(fā)送到上位機上四個通道的電壓基本穩(wěn)定在2.2V。波形顯示器四個通道的波形基本重疊，可以直觀地看出是一條平穩(wěn)的直線。無振動信號波形如圖10所示。

在有振動的情況下，發(fā)送到上位機上四個通道的電壓會出現(xiàn)0～3.3V范圍之間的跳動。波形顯示器四個通道的波形出現(xiàn)直觀的上下跳動，振動的幅度越大，波形跳動的幅度也越大。有振動信號波形如圖11所示。

5 結(jié)束語

本文將單片機控制技術(shù)，設(shè)計了一種基于壓電傳感器的振動信號采集系統(tǒng)。實現(xiàn)了對震動信號的實時采集并在上位機直觀地顯示波形變化。并能根據(jù)需要任意選擇、切換通道。因此本振動信號采集系統(tǒng)可以基本滿足對振動信號的采集要求。

本系統(tǒng)可以實際運用到工業(yè)、軍事領(lǐng)域，在不失性價比的前提下選擇更換靈敏度更高、精度更好的傳感器，再對硬件電路各個模塊進行整合，縮小采集裝置的占地面積和體積，提高裝置的便捷性。

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