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

3.2 算法設(shè)計(jì)和軟件流程實(shí)現(xiàn)

LPC1768微控制器內(nèi)置一個(gè)8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器，而該采集系統(tǒng)僅用到單路信號(hào)輸入，可以實(shí)現(xiàn)較高頻率的采樣，提高了采集數(shù)據(jù)的精度。軟件設(shè)計(jì)思想是在系統(tǒng)初始化后首先進(jìn)行模式的判斷，分為采集模式和USB通信模式。在采集模式下，正式數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)前先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)采集，對(duì)預(yù)采集的信號(hào)進(jìn)行采樣處理，計(jì)算采集到的信號(hào)的幅值差，并與滿量程3.3 V進(jìn)行判斷是否需要調(diào)節(jié)和計(jì)算出調(diào)節(jié)值。通過(guò)I2C總線來(lái)調(diào)節(jié)AD5245，預(yù)調(diào)節(jié)完成后進(jìn)行正式信號(hào)采集，把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波并存儲(chǔ)到數(shù)組中，數(shù)組中的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線存儲(chǔ)在SD卡中，存儲(chǔ)完成后通過(guò)功放播放語(yǔ)音信號(hào)提示完成。USB模式主要為SD卡中數(shù)據(jù)與PC機(jī)的通信。主流程如圖5所示。

3.2.1 信號(hào)幅值檢測(cè)的算法

在程控放大器的設(shè)計(jì)中，對(duì)被測(cè)信號(hào)振幅的檢測(cè)至關(guān)重要，它是實(shí)現(xiàn)程控放大的關(guān)鍵。以往的程控放大器，多數(shù)是根據(jù)被測(cè)信號(hào)的幅值來(lái)調(diào)節(jié)程控放大器的放大倍數(shù)，此方法比較適合直流信號(hào)的檢測(cè)。交流信號(hào)的幅值是變化的，若根據(jù)被測(cè)信號(hào)的幅值調(diào)節(jié)程控放大器的增益，需要時(shí)刻改變程控放大器的增益，這將浪費(fèi)CPU的很多資源，影響了A/D轉(zhuǎn)換的速度，限制了被測(cè)信號(hào)的范圍。因器件程序的計(jì)算和器件的延時(shí)也會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)很大的誤差，不適合做高頻信號(hào)的采集。

故本設(shè)計(jì)采用預(yù)采集進(jìn)行幅值判斷，具體方法為開辟定長(zhǎng)的數(shù)組Buffer用來(lái)存儲(chǔ)預(yù)采集信號(hào)，同時(shí)注意在設(shè)定此Buffer長(zhǎng)度的時(shí)候，一定要滿足該長(zhǎng)度至少為待采集信號(hào)的一個(gè)周期，然后對(duì)預(yù)采集信號(hào)進(jìn)行處理判斷，確定調(diào)節(jié)值及調(diào)節(jié)方向。

對(duì)預(yù)采集信號(hào)的處理：首先要計(jì)算出數(shù)組中的最大值和最小值，由于定義的數(shù)組可能較大，故給出一種新的算法代碼，以大幅提高其效率(n很大時(shí))。具體做法是：每次成對(duì)地處理數(shù)據(jù)，先將一對(duì)元素進(jìn)行比較，然后把較大者與當(dāng)前最大值比較，較小者與當(dāng)前最小者比較，因此每?jī)蓚€(gè)元素需要比較3次。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)需考慮n的奇偶，n為奇數(shù)，3×(n /2)次;n為偶數(shù)，3n/2—2次，因此總的比較次數(shù)至多為3×(n-2)，大大提高了計(jì)算的速度。

根據(jù)以上算法可得△V=Vmax-Vmin，故需要調(diào)節(jié)的放大倍數(shù)β約為：

這樣就計(jì)算出了需要調(diào)節(jié)的AD5245_W的調(diào)節(jié)值，通過(guò)I2C總線通信完成調(diào)節(jié)，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)的正式采集。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，在采樣頻率為50 kHz下，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣分析，預(yù)采集信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度為50 ms，正式采集長(zhǎng)度為4 00ms，由頻帶為1～10 kHz的激勵(lì)源來(lái)激振被測(cè)物體，同時(shí)實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)的WAV格式。通過(guò)USB接口上傳到PC，用上位機(jī)頻譜分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)原信號(hào)和頻譜分析進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)象如圖6所示。

通過(guò)對(duì)普通采樣系統(tǒng)和本系統(tǒng)采樣的原信號(hào)對(duì)比，可見(jiàn)在相同振動(dòng)激勵(lì)下普通信號(hào)采集系統(tǒng)采集出信號(hào)的幅值最大值約為1000，并未填滿A/D轉(zhuǎn)換采集模塊最大的量程4096而本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)放大，可將采集信號(hào)幅值最大提高到4 000左右，在一定程度上提高了信號(hào)采集的精度。

對(duì)普通采樣系統(tǒng)和本系統(tǒng)采樣信號(hào)的頻譜分析圖進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

可見(jiàn)普通采集系統(tǒng)的信號(hào)的頻譜分析不僅能量值較小，而且易受到其他頻率波的干擾，信噪比較低，影響了對(duì)信號(hào)特征的有效分析，而本采集系統(tǒng)則能較好地解決此類問(wèn)題。