微弱振動信號自適應采集系統(tǒng)設計

摘 要：在許多交通運行機械的振動信號測量中，強噪聲和微弱振動信號混疊在正常振動信號中，給振動系統(tǒng)的微弱信號采集與分析造成了困難。針對該問題，設計一種基于TMS320F2812的四通道實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠用于強噪聲存在下的微弱振動信號采集，能夠根據(jù)被測信號振幅變化自動調整控制放大器的增益，具有自適應數(shù)據(jù)測量與處理的功能，因而有較廣泛的應用價值。
關鍵詞：數(shù)據(jù)采集；數(shù)字信號處理；自適應放大；振幅檢測

0 引 言
    在機械結構的振動過程中，許多微弱信號包含機械運動的豐富特征信息，如故障特征信息等，有必要提取出來加以分析。而在微弱信號提取過程中，有時信號非常微弱，極易受到外界的干擾而淹沒于強噪聲之中，有時被測信號振幅變化范圍又很大，給信號采集帶來很大困難。放大電路本身的噪聲性能和頻率特性也將影響到信號的提取精度。對振動信號的采集及處理，通常是用普通的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)去采集，然后用數(shù)字信號處理的方法來提取數(shù)據(jù)的特征信息。但是，一些由采集系統(tǒng)的不足對信息造成的損失，是后期的數(shù)字信號處理無法補償?shù)?。振動信號的檢測是機械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和早期故障診斷的關鍵，機械系統(tǒng)早期故障引起的異常振動信號有時都很微弱而且持續(xù)時間短，信噪比低，容易淹沒于背景噪聲中。這對信號檢測技術提出了很高的要求。針對此情況，本文考慮設計一個微弱振動信號自適應采集系統(tǒng)，能夠根據(jù)被測信號的振幅實時地調節(jié)放大器的增益，從而檢測出微弱振動信號。

1 系統(tǒng)框圖與結構原理
    系統(tǒng)的總體結構如圖1所示，主要包括DSP芯片TMS32OF2812、數(shù)據(jù)采集預處理電路、數(shù)據(jù)存儲器、JTAG仿真接口及與計算機的通信接口。其中數(shù)據(jù)采集預處理電路共有四路，每一路包括前置放大器、抗混疊濾波電路、程控放大電路和電壓抬升與保護電路。

    在結構設計中，設計了四路預處理通道，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性?？紤]到采集對象是微弱信號，在每路程控放大器前設計了低噪聲前置放大器，且每一路程控放大器的增益控制信號直接來自DSP。程控放大器之前設有抗混疊低通濾波器以濾去信號中混有的高頻噪聲，減小了噪聲對信號的影響，在每一路中也設置一個抬壓與保護電路，使輸入的信號電壓穩(wěn)定在O～3 V之間。

2 硬件電路設計
    微弱信號采集系統(tǒng)硬件電路由信號調理電路和數(shù)據(jù)采集處理模塊兩部分組成，信號調理電路主要是消除共模干擾，對微弱小信號進行放大、濾波、電壓抬升、信號傳輸；主要由測量放大器、多重反饋型5階巴特沃斯低通濾波器、程控放大器、電壓抬升電路和保護電路構成。數(shù)據(jù)采集處理模塊主要有DSP芯片TMS320F2812、數(shù)據(jù)存儲和傳輸模塊構成，完成對四路模擬輸入信號的采樣、過采樣處理、信號振幅的計算、數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)的傳輸。
2．1 前置放大器的設計
    本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的對象為微弱信號，需要用前置放大器進行放大。由于測量放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、抗共模干擾能力強、低溫漂、低失調電壓和高穩(wěn)定增益等特點，在微弱信號的檢測系統(tǒng)中廣泛用作前置放大器。
    本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AD公司的高性能運放AD620作為測量放大器，AD620是一種只用一個外部電阻就能設置放大倍數(shù)為1～1 000的低功耗／高精度儀表放大器。AD620具有很好的直流特性和交流特性，最大輸入失調電壓漂移為1μV，其共模抑制比大于93 dB。在1 kHz處輸入電壓噪聲為9 nV/Hz。在0．1～10 Hz范圍內輸入電壓噪聲的峰一峰值為0．28μV，輸入電流噪聲為O．1 pA/Hz。G＝1時，它的增益帶寬為120 kHz，建立時間為15μs。因此AD620的性能滿足該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。
2．2 程控放大電路設計
2.2.1 DSP芯片的性能特征
    TMS320F2812芯片是美國德州儀器(Texas In-struments)公司研制的數(shù)字信號處理器，它是一個定點運算、集成度高、高性能的DSP芯片，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合。其主要特點有：采用高性能靜態(tài)CMOS技術，能在一個周期內完成32*32位的乘法累加運算，時鐘頻率最高可達150 MHz。片內具有128 KB的16位FLASH存儲器，8 KB的16位SARAM，2個事件管理器EVA和EVB，3個32位的CPU定時器。16通道的12位模數(shù)轉換器(ADC)含兩路采樣保持器，可實現(xiàn)雙通道同步采樣，最小轉換時間為80 ns,，含2個通用異步串口(SCI)，2個多通道緩沖串口(McBSP)，56個獨立配置的通用多功能I/O(GPIO)。
2.2.2 DAC20832芯片的性能特征
    DAC0832是AD公司生產(chǎn)的高精度、低功耗、8位數(shù)模轉換器，能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉換。DAC0832具有數(shù)字輸入鎖存的功能。DAC0832的互補輸出端Ioutl，Iout2均為電流信號，且之和為常數(shù)。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位，轉換時間為1μs，參考電壓為-10～+10 V，供電電源為+5～+15 V，邏輯電平輸入與TTL兼容。DAC20832具有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸人寄存器，它的允許鎖存信號為ILE，第二級鎖存器稱為DAC寄存器。
2．2．3 程控放大電路的組成
    程控放大電路由DAC0832芯片、高精度放大器LM357和反饋電阻組成，受TMS320F2812芯片的控制信號、片選信號控制，如圖2所示。DAC0832用作程控放大器，是把DAC0832的參考電壓端接輸入信號，數(shù)字信號輸入端接TMS32OF2812芯片的控制信號，互補輸出端Iout1和Iout2引腳分別接放大器LM357的反向輸入端和同向輸入端。DAC0832的互補輸出端Ioutl、Iout2均為電流信號，需外接一個放大器實現(xiàn)電流信號到電壓信號轉換。T型電阻網(wǎng)絡的電阻是10 KΩ，接一個阻值為2．55 MΩ反饋電阻R f，就構成一個程控放大器。用該程控放大電路可以實現(xiàn)增益為：20，21，22，…，28-1，從而擴大了被測信號的范圍。

    其中：8號引腳Uref是模擬電壓輸入端，接前置放大器的輸出端；CS1和ILEl是來自。DSP芯片的片選與使能信號；XD0～xD7是來自DSP芯片的增益控制信號；DAC0832芯片的Ioutl和Iout2引腳分別接放大器LM357的反向輸入端2和同向輸入端3；R66為反饋電阻Rf，LLl為放大器輸出端。
2．3 濾波電路設計
    有源濾波器不僅體積小，而且輸出阻抗和截止頻率fc無關，能夠前、后級之間相互獨立的設計。巴特沃斯低通濾波器具有通頻帶比較平坦，且下降快等優(yōu)點。在該系統(tǒng)的濾波器設計中，采用多重反饋型5階巴特沃斯低通濾波器。
2．4 電壓抬升與保護電路設計
    電壓抬升電路由一個OP放大器和一個1．5 V的抬壓基準構成。OP放大器的同相輸入端接一個穩(wěn)定的1．5 V基準電壓，反相輸入端接信號輸人端，放大器的增益設置為1，這就實現(xiàn)輸入信號的電壓反相，且抬壓1．5 V。保護電路由一個3 V的穩(wěn)壓管和二極管組成，保證經(jīng)過電路的電壓在O～3 V范圍內。

3 算法設計與軟件流程實現(xiàn)
    TMS320F2812芯片的A/D轉換器每次可以采集16路信號，而該采集系統(tǒng)僅有四路輸入信號，可以實現(xiàn)簡單的過采樣，提高采集數(shù)據(jù)的精度。首先對采集到的信號進行過采樣處理，然后計算采集到的信號的幅值，并與設定值做比較以判斷調節(jié)程控放大器與否，同時把采集到的數(shù)據(jù)除以其對應的放大增益和進行數(shù)字濾波，結果存放在數(shù)組中，數(shù)組中的數(shù)據(jù)通過異步串口SCI向上位PC機傳輸。
3．1 信號幅值檢測的算法
    在程控放大器的設計中，對被測信號振幅的檢測至關重要，它是實現(xiàn)程控放大的關鍵。以往的程控放大器，多數(shù)是根據(jù)被測信號的幅值來調節(jié)程控放大器的放大倍數(shù)，此方法比較合適于直流信號的檢測。交流信號的幅值是變化的，若根據(jù)被測信號的幅值調節(jié)程控放大器的增益，需要時刻改變程控放大器的增益，這將浪費CPU的很多資源，影響了A/D轉換的速度，限制了被測信號的范圍，因器件程序的計算和器件的延時也會給測量結果帶來很大的誤差，不適合做高頻信號的采集，而且很難滿足實時性要求。一般信號的振幅是基本不變或者變化很慢，若根據(jù)信號的振幅調節(jié)程控放大器的增益，就不需要時刻調節(jié)放大器的增益，從而節(jié)約CPU的資源，減小采集帶來的誤差，提高采集數(shù)據(jù)的準確度。
    信號幅值的檢測是利用正交鎖相型放大器的原理實現(xiàn)的[2]，如圖3所示。被測信號為x(t)，參考信號為r(t)。

    在數(shù)據(jù)采集實驗中，通過簡單的計算可以得到信號的振幅，并與設定的數(shù)值區(qū)間做比較，根據(jù)比較的結果來調節(jié)DAC0832的增益，從而實現(xiàn)放大器根據(jù)被測信號的振幅來調節(jié)自身的增益，實現(xiàn)信號的自適應放大。
3．2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
    DSP2812的編程工具有C語言和匯編語言兩種。采用C語言編程，代碼可讀性、可移植性強，無需詳細了解DSP的硬件就可以上手編程，降低了編程難度。一般應用于實時性要求不是特別高的場合。對于高速實時應用，采用C語言和匯編語言混合編程的方法，能把C語言的優(yōu)點和匯編語言的高效率有機結合起來。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

    程序算法描述如下：
    Step 1：開始；
    Step 2：系統(tǒng)初始化I2；
    Step 3：A/D轉換；
    Step 4：數(shù)據(jù)處理；
    Step 5：數(shù)據(jù)濾波；
    Step 6：計算信號振幅；
    Step 7：是否調節(jié)程控放大器，如不需要跳轉到Step 3；
    Step 8：調節(jié)程控放大器增益；
    Step 9：跳轉到Step 3；
    Step 10：結束。

4 實驗結果與分析
4．1 采集系統(tǒng)實時仿真
    信號采集系統(tǒng)設計完成后，對采集系統(tǒng)的性能進行檢驗。以振幅為0．00 001 V、頻率為100 Hz的正弦信號作為待采集的信號，如圖5(a)所示，并混有白噪聲作為采集系統(tǒng)的輸入信號，輸入信號的波形如圖5(b)所示。經(jīng)過放大、濾波及電壓抬升之后的信號波形如圖5(c)所示。

    在DSP里對采集到的信號進行處理，把采集到的信號數(shù)據(jù)還原為采集前的情況，如圖5(d)所示。
    有圖5(c)可見采集到的信號電壓均在0～3 V之間，適合DSP的如入范圍，實現(xiàn)了根據(jù)信號振幅對信號進行程控的目的。圖5(d)是經(jīng)過簡單處理后得到的信號的波形，可以計算出被采集信號的頻率為100 Hz、振幅約為10－5V。與圖5(b)相比恢復后的信號噪聲小了很多，基本和原始信號圖5(a)給出的波形相同。由實驗結果可知，該系統(tǒng)達到了設計的目標，滿足實驗的需要。
4．2 實驗比較
    在實驗中，用實驗室的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)(江蘇東華測試有限公司的DH5935N)和本文設計的微弱振動信號自適應采集系統(tǒng)同時對試件進行振動信號采集和處理，采樣頻率為12 800 Hz。圖6(a)和圖6(b)為由實驗室采集系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)信號的波形圖和頻譜圖，圖6(c)和圖6(d)為由本文設計的采集系統(tǒng)的波形圖和頻譜圖。可以看出本文設計的系統(tǒng)不僅具有自適應調節(jié)放大器增益的功能，還具有高速度、低噪聲、無失真的特性。

5 結 語
    (1)所設計的系統(tǒng)能根據(jù)被測信號的振幅自動調節(jié)放大器的增益，從而自適應地完成對不同幅值振動信號的測量和處理，降低了數(shù)據(jù)采集過程中程控放大器增益的頻率，節(jié)約了CPU開銷。
    (2)系統(tǒng)采用TMS320F2812DSP芯片作為核心處理器，DAC0832作為被測信號的振幅控制器，實現(xiàn)了自適應放大器增益的自適應調整，實現(xiàn)檢測信號電壓不低于1μV，擴大了被測信號的幅值范圍。
    (3)具有體積小、低功耗、可靠性高和擴展性強等優(yōu)點。