基于MEMS傳感器的振動測量電路設計

李侖升，張 浩，騫恒源，閆 穩(wěn)

(航空工業(yè)西安航空計算技術研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

航空發(fā)動機運行過程中會產(chǎn)生一定的振動,通過剛性材料傳遞到機載設備的運行環(huán)境中。由于某些機載設備對振動較為敏感,當振動量級超過設備所能承受的振動量時,會影響設備性能或?qū)υO備結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷。因此,對機上振動環(huán)境進行測量,是十分必要且有意義的。

本文基于三軸加速度角速度傳感器和ARM處理器,設計一種振動測量電路和測量方法。對機載設備所處的振動環(huán)境進行監(jiān)控,以進一步保障機載設備運行的功能和性能。

1 電路整體結(jié)構(gòu)和功能描述

電路整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,分為4個部分,分別為傳感器、微控制器、存儲器和通信模塊。傳感器選用三軸加速度計芯片,用來測量被測設備的振動量;微控制器是軟件算法的執(zhí)行平臺,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、處理和計算;存儲器用來存儲所測得的振動數(shù)據(jù);通信模塊實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)通信,用以將測量結(jié)果發(fā)送至上位機觀測。

圖1 電路結(jié)構(gòu)圖

加速度計模塊集合了MEMS(Micro Electro Mechanical System)三個軸向加速度儀運動傳感器,并搭載了數(shù)字運動處理器DMP(Digital Motion Processor,數(shù)字運動處理器)和ADC(Analog-to-Digital Converter,模數(shù)轉(zhuǎn)換器)模塊,通過這些模塊將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并通過IIC(Inter-Integrated Circuit,集成電路總線)接口發(fā)送[1]。與傳統(tǒng)運動傳感器相比,加速度計模塊具有良好的抗干擾能力和更低的功耗,以及更高的測量精度[2-3]。

單片機選擇意法半導體公司的ARM微控制器,該器件內(nèi)置ARM Cortex-M內(nèi)核,內(nèi)核速率可達72 MHz,程序存儲空間容量為64KB Flash,RAM容量為20KB SRAM,具有2路I2C接口,3路SCI接口以及2路SPI接口,在兼顧滿足電路使用需求的同時,具有低成本的特點。

外部存儲器選用串行FLASH芯片,用于存儲采集的傳感器數(shù)據(jù),該芯片為128Mbit的FLASH存儲器,采用SPI串行接口。陣列被組織成65,536個可編程頁,每個頁256字節(jié)。一次最多可編程256字節(jié)?？砂?6組(4KB扇區(qū)擦除)、128組(32KB塊擦除)、256組(64KB塊擦除)或整個芯片(芯片擦除)的方式擦除頁面。存儲器分別有4096個可擦扇區(qū)和256個可擦塊。4KB的扇區(qū)為需要數(shù)據(jù)和參數(shù)存儲的應用程序提供了更大的靈活性。當使用Fast Read Dual/Quad I/O和QPI指令時,支持高達104 MHz的SPI時鐘頻率,允許等效的時鐘速率為208 MHz (104MHz×2)雙I/O和416 MHz(104MHz×4)四I/O。

2 軟件運行流程設計

軟件流程設計如圖2所示。電路上電后,首先完成系統(tǒng)的初始化,ARM處理器完成啟動后,對系統(tǒng)時鐘鎖相環(huán)PLL進行配置,同時完成片上外設SPI、SCI和I2C總線配置。接著,通過I2C總線對MEMS芯片的配置寄存器進行配置。最后,程序進入主循環(huán),循環(huán)執(zhí)行以下內(nèi)容:1) 通過I2C讀取3軸加速度采集值,并進行必要的濾波處理;2) 將采集結(jié)果存儲在FLASH中;3) 根據(jù)采集結(jié)果計算振動的功率密度譜;4) 通過SCI通信,將計算結(jié)果發(fā)送至通信模塊,完成振動監(jiān)測數(shù)據(jù)上報。主循環(huán)的周期為5 ms,即數(shù)據(jù)采集頻率為200 Hz。

圖2 軟件流程圖

MEMS芯片通過I2C總線與ARM相接。I2C接口為二線接口,包括串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時鐘線(SCL)。在本電路中,ARM為I2C總線上的主設備,MEMS芯片為從設備,SDA和SCL信號線通常需要接上拉電阻到VDD。時鐘由主設備提供,最大總線速率為400 kHz。MEMS芯片在I2C總線上的地址為b110100X,7位字長,最低有效位X由AD0管腳上的邏輯電平?jīng)Q定。

I2C的數(shù)據(jù)字節(jié)定義為8bits長度,對每次傳送的總字節(jié)數(shù)量沒有限制。對每一次傳輸從設備必須有一個應答(ACK)信號,主設備以此確認從設備正確收到數(shù)據(jù)。

寫MEMS芯片寄存器的總線操作為:主設備發(fā)出開始標志(S)和地址位,同時加R/W位,0為寫,1為讀。在第9個時鐘周期(高電平時),MEMS芯片產(chǎn)生應答信號。然后主設備開始傳送寄存器地址(RA),接到從設備應答后,主設備發(fā)送要寫入的寄存器數(shù)據(jù)。

讀MEMS芯片寄存器的總線操作為:首先由主設備產(chǎn)生開始信號(S),然后發(fā)送從設備地址位和一個寫數(shù)據(jù)位,接著,主設備發(fā)送寄存器地址,才能開始讀寄存器。緊接著,收到應答信號后,主設備再發(fā)一個開始信號,然后發(fā)送從設備地址位和一個讀數(shù)據(jù)位。作為從設備的MEMS芯片產(chǎn)生應答信號并開始發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)。通信以主設備產(chǎn)生的拒絕應答信號(NACK)和結(jié)束標志(P)結(jié)束。拒絕應答信號(NACK)產(chǎn)生定義為SDA數(shù)據(jù)在第9個時鐘周期一直為高。

在主循環(huán)中,通過讀寄存器操作讀取MEMS芯片的加速度測量寄存器完成加速度采集。加速度采集范圍配置為±16 g,此時16位采集結(jié)果的分辨率為2048LSB/g。

3 數(shù)據(jù)處理和驗證

通過MEMS芯片采集的三軸加速度值是當前設備實際的加速度,在機載設備中,其振動為隨機信號,因此常使用功率密度譜對設備振動進行分析[4],因而,程序中需對采集后的加速度進行功率密度譜計算。

采用平均周期圖法進行功率譜密度計算。計算步驟如下:1) 將1024個采樣數(shù)據(jù)點分為4段,每段256個數(shù)據(jù);2) 對每段數(shù)據(jù)求周期圖功率譜估計,即求數(shù)據(jù)點的傅里葉變換,如式(1)所示,在將變換后的結(jié)果取模的平方后除以每段數(shù)據(jù)個數(shù),如式(2)所示;3) 對4段數(shù)據(jù)的周期圖功率譜估計求平均值,即得到平均周期圖功率密度譜估計結(jié)果。

(1)

(2)

圖3為模擬一種振動信號,其振幅為3個正弦信號和1個高斯白噪聲的疊加結(jié)果。其中,頻率f1=12 Hz,f2=5 Hz,f3=2 Hz,幅值A1=1,A2=1.5,A3=1,高斯白噪聲幅值A4=1.5。通過上述平均周期圖法計算該信號的功率譜密度,繪制計算結(jié)果,如圖4所示?？芍?上述方法地功率譜密度的估算結(jié)果基本準確,能夠滿足對振動信號進行初步分析的需求。

圖3 三種正弦波與白噪聲疊加后信號圖4 疊加信號的功率密度譜計算結(jié)果

電路計算出的功率密度譜結(jié)果可通過通信模塊上傳給上層系統(tǒng),以便維護檢測人員在機上調(diào)試顯示設備進行觀測檢測。

4 總結(jié)

通過設計基于ARM微控制器及MEMS芯片傳感器的振動檢測電路,實現(xiàn)振動加速度的采集。設計了合理的軟件運行流程完成三軸加速度的采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)信息上傳。采用平均周期圖法計算傳感器采集結(jié)果的振動功率密度譜,經(jīng)仿真結(jié)果說明,功率譜密度的估算結(jié)果基本準確,滿足信號初步分析的需求。本文所設計的電路及軟件和數(shù)據(jù)處理方法能夠?qū)崿F(xiàn)振動檢測、功率譜密度計算、信息上傳等功能,為機載設備振動監(jiān)測提供了一種可行的解決方案。