基于ARM的振動(dòng)信號(hào)采集及文件存儲(chǔ)系統(tǒng)

引言

在機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)過(guò)程中，許多微弱信號(hào)包含機(jī)械運(yùn)動(dòng)的豐富特征信息，如故障特征信息等，有必要提取出來(lái)加以分析。在微弱信號(hào)提取過(guò)程中，有時(shí)信號(hào)非常微弱，極易受到外界的干擾而淹沒(méi)于強(qiáng)噪聲之中，有時(shí)被測(cè)信號(hào)振幅變化范圍又很大，會(huì)紿信號(hào)采集帶來(lái)很大困難。放大電路本身的噪聲性能和頻率特性也將影響信號(hào)的提取精度。對(duì)振動(dòng)信號(hào)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(hào)處理的方法來(lái)提取數(shù)據(jù)的特征信息。但是，一些由于采集系統(tǒng)的不足對(duì)信息造成的損失，是后期的數(shù)字信號(hào)處理無(wú)法補(bǔ)償?shù)?。振?dòng)信號(hào)的檢測(cè)是機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)和早期故障診斷的關(guān)鍵，機(jī)械系統(tǒng)早期故障引起的異常振動(dòng)信號(hào)有時(shí)很微弱，而且持續(xù)時(shí)間短、信噪比低，容易淹沒(méi)于背景噪聲中。

測(cè)量的方法、可測(cè)量的種類(lèi)和范圍應(yīng)不斷拓寬和更新，準(zhǔn)確度要提高，可靠性要增強(qiáng)，并能夠適應(yīng)各種不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要，同時(shí)故障分析需要對(duì)大量樣本進(jìn)行對(duì)比分析，這就要求我們配備可移動(dòng)的大容量存儲(chǔ)介質(zhì)。針對(duì)此情況，本文主要研究了基于ARM處理器的振動(dòng)信號(hào)的智能調(diào)節(jié)振幅數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)和基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡的大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

針對(duì)信息化管理程度，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成既可作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，又可作為功能模塊無(wú)縫整合接入基于ARM的信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

信號(hào)調(diào)理模塊：通過(guò)加速度傳感器采集微弱振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路(包括程控調(diào)節(jié)增益)送到LPC1768的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采集。

PC機(jī)通信模塊：通過(guò)USB接口與PC機(jī)通信，可實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的增加、刪除、新建等功能。

SD卡存儲(chǔ)模塊：基于FatFs文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，通過(guò)SPI總線(xiàn)與主芯片通信，可完成數(shù)據(jù)的任何格式(如Wav)的寫(xiě)入，也可對(duì)SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。

語(yǔ)音播報(bào)模塊：在測(cè)試過(guò)程中實(shí)時(shí)語(yǔ)音提醒用戶(hù)當(dāng)前的操作狀態(tài)，語(yǔ)音命令預(yù)存儲(chǔ)在SD卡內(nèi)，可通過(guò)SPI總線(xiàn)通信進(jìn)行。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路主要包括壓電式加速度傳感器、電荷放大電路、兩級(jí)程控放大電路、帶通濾波電路和電壓抬升電路等。

加速度傳感器：把振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，此處采用壓電式加速度傳感器，靈敏度高達(dá)1.294 pC/m·s-2，本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試頻率段為1～10 kHz。

電荷放大電路：把微弱的電荷信號(hào)放大成電壓信號(hào)。運(yùn)算放大電路選擇AD823，是雙通道、精密、16 MHz帶寬和高增益的放大器;反饋電容C決定了電荷轉(zhuǎn)電壓輸出的大小以及電荷放大的頻率響應(yīng)特性，電容性能的好壞直接決定著電荷放大器是否穩(wěn)定，此處反饋電容C設(shè)定為100 pF;反饋電阻主要作用是抑制反饋電容引起的零點(diǎn)漂移，由電荷放大器的下線(xiàn)截止頻率

可知，在C一定的情況下，要保證下限截止頻率，反饋電阻R必須盡可能大，此處設(shè)定為100MΩ。

帶通濾波電路：設(shè)計(jì)由低通濾波電路和高通濾波電路組合的帶通濾波電路，可根據(jù)通帶頻率計(jì)算出電阻電容值，本實(shí)驗(yàn)通帶頻率為1～10 kHz。

電壓抬升電路：利用運(yùn)放將電壓抬升到1.5 V，同時(shí)增加了電位器的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)抬升電位的靈活調(diào)節(jié)。

2.2 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

該調(diào)理電路最突出的特點(diǎn)是運(yùn)用數(shù)字電位器AD5245來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)放大，如圖2所示。

數(shù)字電位器AD5245可實(shí)現(xiàn)與機(jī)械電位器或可變電阻相同的電子調(diào)節(jié)功能，具有增強(qiáng)的分辨率、固態(tài)可靠性和出色的低溫度系數(shù)性能，可通過(guò)IC兼容型數(shù)字接口控制，其調(diào)節(jié)范圍可達(dá)256位。在數(shù)據(jù)采集中，主芯片LPC1768通過(guò)預(yù)采樣值來(lái)判斷AD5245的調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)方向，并通過(guò)I2C總線(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由表1可知，AD5245有多種連接方式。針對(duì)此實(shí)驗(yàn)，本文采用的連接方式如圖3所示。

這種接法放大器的放大倍數(shù)為Rd/R，可對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行256位分辨率的調(diào)節(jié)。

3 軟件及算法設(shè)計(jì)

3.1 FatFs文件系統(tǒng)

FatFs是一個(gè)為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用FAT文件系統(tǒng)模塊。FatFs的編寫(xiě)遵循ANSIC，并且完全與磁盤(pán)I/O層分開(kāi)。獨(dú)立于硬件架構(gòu)，可以被嵌入到低成本的微控制器中。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

FatFs具有非常清晰的層次結(jié)構(gòu)，應(yīng)用層為用戶(hù)提供一系列API函數(shù)，如f_open、f_close、f_read、f_write等，用于對(duì)文件的讀寫(xiě)等;中間層FatFsModule為Fat協(xié)議層;最底層是用戶(hù)在移植過(guò)程中需要處理的接口，包括存儲(chǔ)媒介讀/寫(xiě)接口DiskIO和文件修改時(shí)間所需的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。根據(jù)層次式軟件設(shè)計(jì)的思想，將軟件工作分為3步：SD卡的通信實(shí)現(xiàn)、RTC時(shí)鐘配置和FatFs的移植。

①SD卡的通信實(shí)現(xiàn)。通過(guò)SPI總線(xiàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)SD卡與LPC1768、PC機(jī)的通信，可實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)與通過(guò)PC機(jī)對(duì)SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)的新建、刪除、修改和查找等功能。主要包括SPI模式的配置、SPI字節(jié)的讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)、SD卡的讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)和USB接口的配置。

②RTC時(shí)鐘配置。利用LPC1768內(nèi)含的RTC設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，主要包括時(shí)鐘頻率的選擇SysTick_Config、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘的初始化RTC_Init及設(shè)定RTC_SetFullTime，為文件系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)文件的時(shí)間標(biāo)記。

③FatFs的移植。對(duì)FatFs接口函數(shù)的編寫(xiě)，主要包括：存儲(chǔ)介質(zhì)初始化函數(shù)disk_initialize、存儲(chǔ)介質(zhì)狀態(tài)檢測(cè)函數(shù)disk_status、讀扇區(qū)函數(shù)disk_read、寫(xiě)扇區(qū)函數(shù)disk _write、存儲(chǔ)介質(zhì)控制函數(shù)disk_ioctl等。