振動信號測試儀采集方案設計與實現

洪耀球，李香泉，唐云華

（1. 景德鎮高等專科學校 數學與信息工程系，景德鎮 333000；2. 中航工業直升機設計研究所，景德鎮 333001）

振動信號測試儀采集方案設計與實現

洪耀球1，李香泉1，唐云華2

（1. 景德鎮高等專科學校 數學與信息工程系，景德鎮 333000；2. 中航工業直升機設計研究所，景德鎮 333001）

0 引言

根據直升機上旋轉部件較多，振動環境復雜，振動水平過高可能導致駕駛員的判讀困難和身體疲勞，以及相關結構出現疲勞裂紋甚至斷裂；此外，惡劣的振動環境有可能導致機載設備不能正常工作，影響飛行安全。因此，需要對直升機相關部位的振動水平進行監測和報警；本文就此振動信號測試儀提出了一套可行的并行數據采集方案和具體的軟件、硬件實現方法。

1 系統功能分析及概要設計

根據某直升機型號對振動信號采集及監測的性能需要，測試儀需要實時監測18路信號，其中16路振動信號，2通道的方位角信號[1]，以及具有RS-422的通信功能、實時報警功能、FFT變換及頻譜分析和比較功能等。歸納如下：

1）測量、記錄和存儲各個測量點的振動加速度原始信號，通過開關進行控制和選擇是否進行相關工作。

2）DSP實時頻譜分析功能，按照特定格式在SD卡中進行記錄并存儲頻譜結果，并能導出到PC上位機軟件中直接進行查看和進一步分析。

3）通過機上RS422總線系統，同步記錄和存儲飛行姿態、狀態和飛行操縱等相關參數，作為振動信號分析時的重要參考數據。

4）16通道ICP振動信號必須是同步采樣，每通道獨立至少達到14位A/D轉換精度，各通道最大采樣率4KHz（可調）；2通道方位角信號，至少8位A/D轉換精度并且實現同步采樣。

根據上述的功能要求，系統設計框圖如圖1所示：

圖1 系統信號采集實現框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 電源電路

外部輸入采用28V的機載電源，選用了一款航空機載電源模塊：輸入范圍為24V～30V，輸出為5V，輸出功率為9.8W。由于系統需要3.3V、2.5V、1.8V工作電壓，電流要求低于1A，所以采用工業級以上的芯片ASM1117-3.3、ASM1117-1.8和REF3125來構建所需電源；其中REF3125輸出的2.5V參考電壓后面設計了一個電壓跟隨器來增加其驅動能力。電源設計如圖2所示。

2.2 信號處理與程控放大設計

傳感器輸入進來的原始信號在進行濾波和分壓處理后送入多路通道選擇開關，然后在選擇開關芯片中通過軟件分時切換輸入到ARM芯片自身帶的10位AD口[2]，此功能不是必須，而是可選功能，作為原始信號進行備份。

圖2 系統電源

同時，原始信號還要送入程控放大芯片，通過另一路的并行采集實現FFT功能。由于外部傳感器輸入進來的信號有單端的ICP信號和差分的PCB信號，所以在信號的處理上采用了2種處理模式，調理電路如圖3所示。程控放大芯片采用了性能極佳的AD8231芯片，增益可以通過引腳進行數字化編程實現，最小達到122db CMR的直流性能，能夠完全滿足本系統設計的要求。

圖3 信號調理電路

2.3 A/D采集電路

為了實現信號的采集精度至少達到14位，系統采用了16位精度的ADS8361芯片來進行實現。此芯片能夠進行4通道的采集功能，并且能夠同時實現2通道并行采集，詳細設計如圖4所示。由于系統要求總共18路數據信號，所以采用了9片ADS8361來實現。所有每片AD輸出的2路數據（共18路數據）連接到FPGA分配的18個引腳，通過編程實現信號的實時并同時的獲取，然后在FPGA中進行FFT變換和頻譜分析、比較、存儲；并把結果傳輸給另一核心控制器ARM，通過進一步比較作出是否通過LED進行報警功能[3,4]。

圖4 AD采集電路

圖5 ARM與FPGA程序框圖

3 系統軟件設計

系統的軟件主要是針對ARM系統和FPGA進行編程，ARM芯片在IAR開發環境中采用C語言進行編寫，FPGA在QUTARSII 中采用Verilog語言進行編寫；軟件設計采用模塊化設計方式實現。

ARM芯片中主要實現的軟件模塊有：程控放大器增益放大控制和選通模塊、RS422數據通信模塊、USB功能模塊、多路通道選通與AD采集模塊、與FPGA數據交互模塊和鍵盤LED報警功能模塊；FPGA中軟件主要實現模塊有：并行AD采集功能、FFT變換及分析模塊、SD卡數據存儲模塊、與ARM數據交互模塊[5]。2個核心控制器中部分軟件實現流程如圖5所示。

4 結論

通過ARM微處理器與FPGA構建DSP軟核的雙核處理方式，分別實現原始信號采集、18路通道并行信號采集與FFT變換和頻譜分析功能；并且在FPGA中實現上位機PC中數據處理軟件的數據格式要求的存儲方式，實時在外接SD卡中對原始信號、頻譜信號和RS422總線傳輸過來信號進行存儲。通過本測試儀對直升機上多路振動信號、方位角信號的監測，能夠實時了解直升機上關鍵部位的振動狀態，為直升機的改進、改型提供關鍵數據；并且能夠對直升機的飛行安全提供一定保證。

[1]胡愛軍,唐貴基,安連鎖.振動信號采集中剔除脈沖的新方法[J].振動與沖擊,2006,25,(1).

[2]彭國盛.基于ARM和以太網的振動信號采集器設計[J].電力自動化設備,2007,27,(1).

[3]葉凡,謝志江,王世耕.振動信號采集及網絡化傳輸關鍵技術的FPGA實現[J].機械工程師,2007,(11).

[4]陳德軍,劉福華.一種基于VXI總線多通道實時數據采集及分析軟件的設計與實現[J].測控技術,2004,23,(1).

[5]蔣亞群,張春元.ARM微處理器休系結構及其嵌入式SOC[J].計算機工程,2002,(11):20-23.

Design and implementation of vibration signal test instrument's acquistion scheme

HONG Yao-qiu1, LI Xiang-quan1, TANG Yun-hua2

針對直升機上旋轉部件較多，振動環境比較復雜，直升機的振動環境直接影響飛行員和乘員的人機工效；同時振動引起的故障直接影響機上動部件和機載設備的工作性能和全機壽命周期的可靠性使用，以至影響到出勤率和飛行安全。為此，本文提出了一套振動信號測試儀需要達到的技術指標，并對其并行處理的采集方案和頻譜分析進行了詳細的軟、硬件分析和設計。

振動測試；信號采集；并行處理；頻譜分析

洪耀球（1979 -），男，江西人，講師，本科，研究方向為嵌入式技術。

TM935

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1009-0134(2011)4(上)-0028-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).09

2010-11-19