基于C8051F的動平衡測試系統(tǒng)

　　0  引言

　　由于旋轉件不平衡量離心力的影響，在轉動時，中心慣性主軸與回轉軸線不重合，所以慣性力矩或慣性力偶矩的大小與方向會隨著機械運動的循環(huán)而產(chǎn)生周期性變化，從而使得整個機械系統(tǒng)產(chǎn)生振動。由于振動對機械設備的工作精度、壽命等有很大影響，甚至可能損壞設備，所以大部分的旋轉件需要做動平衡。

　　多數(shù)的動平衡測量系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，周圍存在很多其他設備，電磁和機械干擾可能同時存在，所以對測量系統(tǒng)的抗干擾性等要求更高。所以對現(xiàn)有測試系統(tǒng)的改造勢在必行。提高系統(tǒng)集成度，減小系統(tǒng)復雜度，提高系統(tǒng)運算能力將有效解決上述問題。在此基礎上我們采用了基于SOC技術的C8051F單片機作為系統(tǒng)核心。由于速度快，功能豐富，可以實現(xiàn)A/D轉換、數(shù)字采集、操作控制、LCD模塊顯示、輸出數(shù)據(jù)、與上位機通訊和高速運算等功能。

　　1          測試系統(tǒng)構成

　　系統(tǒng)一般要采集兩種信號，由光電齒盤產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過脈沖整形，用來測量被測件的轉速與相位，并由此決定A/D采樣的時機；由壓電傳感器產(chǎn)生的壓力信號（一般為兩路），用來測量振動幅值。兩個壓電傳感器的信號經(jīng)過壓電變換、放大和硬件濾波后，由A/D進行采集。轉換后的數(shù)字信號由MCU進行計算，解算出振動的幅值和相位，然后通過LCD顯示。系統(tǒng)主要功能模塊如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)框圖

　　2  系統(tǒng)硬件設計

　　MCU采用C8051F020處理器，這是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，它既能接收模擬信號又能接受數(shù)字信號，其采用CIP-51TM微處理器內核，與8051完全兼容，并且在速度上有顯著的提高。完全的工業(yè)級設計，抗干擾能力強。芯片內部集成了64KB的FLASH程序存儲器，比較器模塊，SPI和I2C接口等。片內JTAG調試電路允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式、全速、在系統(tǒng)調試。內部集成12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC 中集成了跟蹤保持電路，速度高，轉換速度可達100ksps，完全滿足測量精度與速度需要。

　　2.1  A/D轉換電路設計

　　該A/D轉換采用C8051F020內部集成的12位A/D轉換器，只需配置好參考電壓和時鐘信號源即可。由于有8路外路模擬通道，在接外部模擬信號時，應將外部模擬信號相鄰通道接地，以免電源毛刺、地電平波動以及交互串擾等影響轉換結果。

　　2.2  顯示器與鍵盤設計

　　由于C8051F020有著豐富的I/O，可用I/O口數(shù)量多達64個，并且中斷資源豐富。所以鍵盤和顯示器的連接不用擴展I/O口。鍵盤采用矩陣式鍵盤，并選擇中斷方式。因為LCD的顯示內容不實特別多，速度要求不是特別快，所以為方便起見，LCD的控制采用模擬時序的控制方式，僅需要14個I/O口就可以實現(xiàn)并行方式。

　　3  系統(tǒng)軟件設計

　　動平衡測試系統(tǒng)在實際使用中會遇到各種干擾，包括電氣干擾和機械振動干擾。電氣干擾一般有工頻干擾和尖峰脈沖干擾，機械干擾則包含了各種雜散振動干擾，所以傳感器的輸出不僅有不平衡量引起的基頻振動信號，還含有各種頻率成分的干擾信號，所以我們需要采用一定的算法消除干擾信號，提取有用信號。由于C8051F的速度較傳統(tǒng)的8051速度快很多，其運算能力提升了近十倍，所以我們可以在不影響顯示速度的前提下，采用更復雜、精度更高的算法。

　　3.1  DFT與FFT算法

　　FFT算法精度比較高，雖然在速度上較相關分析等算法稍微慢一些，但是由于單片機的速度提升了很多，所以不會影響測量與顯示的速度。

　　由傅立葉分析可知，一個周期信號可以分解為許多不同頻率正弦信號之和，即可以將周期信號看成是各次諧波之和。采集到的信號是離散的數(shù)字信號，所以需要采用離散傅立葉變換（DFT），進行頻譜分析。

　　設有效采樣點序列為：f(0),f(1),f(2)…f(N-1)，N為一周采樣點數(shù)，離散化后的傅立葉變換為：

　　只需要提取基頻分量就可以得到被測件的不平衡量。相位依上述公式算出。

　　即快速傅立葉變換（FFT），實利用DFT變換的特性，優(yōu)化運算方法，大大降低了運算的時間復雜度，點數(shù)越多，速度提升越明顯。所以為了提高運算速度，實際的運算程序采用優(yōu)化的FFT算法。