基于ARM的振動信號采集及文件存儲系統(tǒng)

引言

在機械結(jié)構(gòu)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。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，會紿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，一些由于采集系統(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)檢測和早期故障診斷的關(guān)鍵，機械系統(tǒng)早期故障引起的異常振動信號有時很微弱，而且持續(xù)時間短、信噪比低，容易淹沒于背景噪聲中。

測量的方法、可測量的種類和范圍應不斷拓寬和更新，準確度要提高，可靠性要增強，并能夠適應各種不同的實驗環(huán)境需要，同時故障分析需要對大量樣本進行對比分析，這就要求我們配備可移動的大容量存儲介質(zhì)。針對此情況，本文主要研究了基于ARM處理器的振動信號的智能調(diào)節(jié)振幅數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計和基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡的大容量存儲系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

針對信息化管理程度，該系統(tǒng)設(shè)計成既可作為一個獨立系統(tǒng)單獨運行，又可作為功能模塊無縫整合接入基于ARM的信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

信號調(diào)理模塊：通過加速度傳感器采集微弱振動信號，進而經(jīng)過信號調(diào)理電路(包括程控調(diào)節(jié)增益)送到LPC1768的A/D轉(zhuǎn)換模塊進行采集。

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

SD卡存儲模塊：基于FatFs文件系統(tǒng)的存儲設(shè)計，通過SPI總線與主芯片通信，可完成數(shù)據(jù)的任何格式(如Wav)的寫入，也可對SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)進行讀取。

語音播報模塊：在測試過程中實時語音提醒用戶當前的操作狀態(tài)，語音命令預存儲在SD卡內(nèi)，可通過SPI總線通信進行。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 信號調(diào)理電路設(shè)計

信號調(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：把振動信號轉(zhuǎn)化為電荷信號，此處采用壓電式加速度傳感器，靈敏度高達1.294 pC/m·s-2，本實驗主要測試頻率段為1～10 kHz。

電荷放大電路：把微弱的電荷信號放大成電壓信號。運算放大電路選擇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漂移，由電荷放大器的下線截止頻率

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)通帶頻率計算出電阻電容值，本實驗通帶頻率為1～10 kHz。

電壓抬升電路：利用運放將電壓抬升到1.5 V，同時增加了電位器的設(shè)計，可實現(xiàn)對抬升電位的靈活調(diào)節(jié)。

2.2 信號放大電路設(shè)計

該調(diào)理電路最突出的特點是運用數(shù)字電位器AD5245來實現(xiàn)對信號的自適應放大，如圖2所示。

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

由表1可知，AD5245有多種連接方式。針對此實驗，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，可對放大倍數(shù)進行256位分辨率的調(diào)節(jié)。

3 軟件及算法設(shè)計

3.1 FatFs文件系統(tǒng)

FatFs是一個為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的通用FAT文件系統(tǒng)模塊。FatFs的編寫遵循ANSIC，并且完全與磁盤I/O層分開。獨立于硬件架構(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)，應用層為用戶提供一系列API函數(shù)，如f_open、f_close、f_read、f_write等，用于對文件的讀寫等;中間層FatFsModule為Fat協(xié)議層;最底層是用戶在移植過程中需要處理的接口，包括存儲媒介讀/寫接口DiskIO和文件修改時間所需的實時時鐘。根據(jù)層次式軟件設(shè)計的思想，將軟件工作分為3步：SD卡的通信實現(xiàn)、RTC時鐘配置和FatFs的移植。

①SD卡的通信實現(xiàn)。通過SPI總線系統(tǒng)實現(xiàn)SD卡與LPC1768、PC機的通信，可實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的自動存儲與通過PC機對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)的讀寫實現(xiàn)、SD卡的讀寫實現(xiàn)和USB接口的配置。

②RTC時鐘配置。利用LPC1768內(nèi)含的RTC設(shè)備實現(xiàn)實時時鐘功能，主要包括時鐘頻率的選擇SysTick_Config、RTC實時時鐘的初始化RTC_Init及設(shè)定RTC_SetFullTime，為文件系統(tǒng)提供準確的時間，可實現(xiàn)對每個存儲文件的時間標記。

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