基于ARM架構的多通道振動信號采集與故障診斷系統設計*

潘曉銘，彭自良，李韋廷，張箭英，陳 賢，陳益豐

（1.溫州大學機電工程學院，浙江溫州 325035；2.溫州大學激光加工機器人國家國際科技合作基地，浙江溫州 325035；3.浙江新德寶機械有限公司，浙江溫州 325409；4.溫州大學平陽智能制造研究院，浙江溫州 325035）

0 引言

振動信號的采集與分析在動態測試里很重要，異常的振動信號能反映機械的很多故障，因此，振動信號是重要技術參數之一[1-2]。在飛機系統測試、機械設備傳動軸承測試、汽車運行狀態監測等都有大量的應用場景[3-4]，對這些設備進行在線狀態監測與故障診斷具有重要意義。

紙杯機設備在線狀態監測與故障診斷中，凸輪的振動信號包含了整個凸輪機構運行狀態信息。為了進行故障分析和推理，需要大量振動信息來確定機組當前的工作狀況并制定運行和維修計劃[5-6]。因此，需要根據凸輪振動信號的特點設計一款適用于紙杯機凸輪機構振動信號采集的高速、可靠的數據采集與故障診斷系統來滿足這種需求。

紙杯機凸輪機構等轉動機械設備的凸輪在運行過程中會產生振動，振動信號有一定的周期性與隨機性，且信號頻率分布廣泛[7-8]。采集信號時，為了減少頻譜泄露與柵欄效應的影響，需要滿足采樣定理與整周期截斷要求。整周期采集振動信號可以提高頻譜分析的精度。整周期采集控制可以通過軟件或硬件電路實現。基于軟件的方法是指重采樣法[9]，因為通常數據采集卡都不具備整周期采集控制的功能，所以需要同時采集凸輪機構的凸輪相信號和振動信號，然后在計算機中利用軟件對采集的數據進行分析。根據計算得出的凸輪相信號頻率對振動信號數據進行整周期截斷和插補運算，得到整周期采集的數據。該方法硬件成本較低，但計算量大、實時性差。

基于硬件電路的方法主要是指設計專門的硬件電路，實現信號整周期采集的功能[10]。但是電路比較復雜，可靠性低，且設計調試不方便，電路開發成本高。

為了克服這些不足，本文提出一種基于ARM 的小體積、緊湊型紙杯機凸輪機構振動信號多通道同步整周期采集與故障診斷系統。該系統主控芯片選用了主頻為400 MHz 的STM32H753，其外設接口多，I∕0 資源豐富，能夠滿足高速傳輸以及存儲要求[11]。STM32H753 電路在模∕數轉換之前增添采集開關電路，采用ADG1206 芯片，實現多通道同時采集。同時與外部NANDFLASH 芯片進行通信，實現了數據存儲系統的開發，然后將數據經W5500網口通信模塊傳輸到上位機。然后PC端對振動信號進行小波去噪與快速傅里葉變換，實現對振動信號的時頻分析和故障診斷，從而實現對機械設備運行狀態的實時監測。本文開發的系統可以完成對微小振動信號的大動態范圍同步采集以及對設備振動信號的故障診斷，對機械設備和其他設備的振動信號的采集和分析具有重要意義。

1 系統整體結構設計

本文系統主要由信號調理電路、AD 采集電路、STM32H753 控制電路、以太網通信電路、電源電路以及上位機軟件組成，其結構框圖如圖1所示。

首先，信號由加速度傳感器采集上來，經過調理電路對信號進行放大濾波等處理，再經過A∕D 模塊進行模數轉換，接著將轉換后的數據存儲在存儲模塊中，STM32 控制電路通過網口將數據傳送到上位機軟件，上位機軟件對接收到的數據進行數字濾波處理，進一步降低噪聲干擾，可得到振動信號（電壓信號）的幅值，然后上位機對其進行快速傅里葉變換，從而得到振動信號的頻譜圖，進而得到振動信號中包含的主要頻率信息。將幅值和頻率信息與正常工況下的參考值作比較，可以判斷凸輪機構的健康狀況。

圖1 系統結構框圖

2 硬件電路設計

硬件部分由IEPE 加速度傳感器，信號調理電路，AD采集模塊，以太網通信電路和電源電路等組成。

2.1 信號調理模塊

由于實際工況存在大量噪聲干擾，易對電路造成影響，需設計信號調理電路，對傳感器采集上來的振動信號進行放大濾波等處理，電路原理如圖2 所示。前端IEPE 傳感器采集上來的原始振動信號需要放大和濾波處理，其中實際放大倍數可根據現場振動信號的大小和A∕D 轉換的范圍來進行選取。為了避免干擾噪聲導致的信號失真，在A∕D 轉換之前設置濾波器濾除干擾噪聲，濾波的截止頻率需要現場監測機械設備的振動特性來選取。

圖2 前端信號調理模塊

2.2 AD采集模塊

本文采取AD7606芯片作為A∕D轉換模塊，將傳感器采集的模擬信號轉換成數字信號[12]。共采集4 個通道的信號，根據設備實際的工況，采用多路模擬開關共享1個模∕數芯片。為提高系統同步性能，在模∕數轉換之前增添采集開關電路，采用ADG1206芯片[13]。

圖3 為ADG1206 原理圖。可通過增加ADG1206 的數量來應對不同的輸入路數的需求。本文系統為4 路信號輸入，只需要1片ADG1206[14]。

圖3 ADG1206原理

2.3 存儲單元設計

選擇EMMC 作為凸輪機構采集的振動數據的存儲單元，其具有速度快、小型化、易于移植等優點[15]。圖4是EMMC硬件電路。

圖4 EMMC原理

2.4 以太網通信電路

STM32 芯片和W5500 芯片通過SPI 進行通信。其簡化通信電路如圖5所示。

圖5 W5500網絡芯片和STM32芯片通信簡化電路

W5500芯片集成TCP∕IP協議棧、10∕100 Mbps以太網數據鏈路層和物理層，并內置32 kB片上緩存[16]。

3 系統軟件設計

3.1 基于雙口RAM的數據存取乒乓操作

W5500芯片的收發緩存只有32 kB，即每一次的數據傳輸的過程最多可以發送32 kB 的數據.在數據采集過程中，為了確保發送數據時AD 采集數據的完整性，在SPI總線目的地址開辟了兩段32 kB 的數據緩存區來放置采集數據。

為了滿足多個通道振動信號同時采集時數據量大以及需要快速存取的需求，本設計采用基于雙口RAM 的乒乓操作策略來保存和讀取A∕D 轉換的數據。乒乓操作是一種經常用于數據流控制的處理技術，典型操作方法如圖6 所示。數據緩沖模塊可以為任何存儲器，常用的包括先進先出（FIFO）存儲器、雙口RAM（DPRAM）存儲器和單口RAM（SPRAM）存儲器等[17]。

在中斷事件里，STM32 芯片根據SPI 總線各自從兩個通道獲取數據，然后將其存放至中間變量，隨后STM32 芯片對數據做突變濾波處理，從而消去振動信號里的異常值，然后以輪詢的方式存到數據緩存1 與數據緩存2當中。

圖6 乒乓方式傳輸流程

3.2 整周期采集的原理

凸輪機構的振動信號通常是周期信號，在對其進行快速傅里葉變換[18]分析時，希望分析譜線能落在信號的頻率上以避免柵欄效應的影響。設某周期信號為x(t)，頻率為f0，采樣頻率為fs，采樣點數為N，時間長度為T，頻率采樣間隔為Δf，根據DFT變換的原理，Δf與T存在以下關系：

為了使分析譜線落在信號頻率f0處，從DFT 變換的原理來看，頻率采樣間隔Δf與信號頻率f0必須滿足

式中：Z為正整數。

由式（1）和式（2）計算可得：

式中：T0為信號x(t)的周期。

式（3）說明采集信號的時間長度T與信號周期T0必須滿足關系T∕T0=Z（Z為正整數），即只有截取的信號長度T正好等于信號周期T0的整數倍時，才可能使分析譜線落在周期信號的頻率上，獲得準確的頻譜。

所謂的整周期采集是指采集系統的采樣頻率動態地跟蹤信號頻率的變化，以確保每次采集都能采到信號周期固定倍數的數據量，且采樣間隔均勻。

3.3 小波去噪和快速傅里葉變換

本系統選取硬域值小波濾波對采集上來的數據信號做濾波處理，從而提高信噪比。根據式（4）～（6）計算得到信噪比，參考小波去噪評價指標[19]，從而可以判斷最終的降噪效果。

式中：f(n)為原始信號功率；fs(n)為去噪聲信號功率；Ssnr為信噪比，dB。

利用DFT 方法能夠獲取采集上來的振動信號的振動幅值以及振動頻率關系的頻譜圖。對于離散時域信號x[n](0 ≤n≤N)的傅里葉變換X[k]如式（7）所示。

分析幅值譜能夠解決以下兩個問題：（1）獲知頻率分布范圍以及頻率成分；（2）得出各個振動頻率成分與幅值之間的關系[20]。

3.4 上位機軟件設計

本設計使用Visual Studio 設計上位機界面，涵蓋參數設置、波形顯示、軟件濾波與時頻域分析等4大模塊。采樣點數、采樣頻率，通道數和截止頻率等參數可以通過參數設置模塊進行設置；振動信號的時域和頻域圖可以直觀地顯示在TeeChart 控件中；對接收到的振動信號進行濾波操作，使得干擾噪聲更少，更接近真實的振動信號；經過軟件濾波后的時域的振動數據經過快速傅里葉變換得到振動信號的頻譜圖，從而可以得到振動信號中主要的頻率信號，與時域的振動信號幅值相結合，對機構的健康狀態進行一個判斷。

4 系統測試及驗證

紙杯機的核心構件凸輪機構產生的異常振動會對加工工件質量產生影響。為此，本文分析了紙杯機凸輪機構的振動頻率和振動的幅值等技術指標。所設計的振動信號采集系統獲取并處理凸輪機構振動信號，得到振動的頻率和振幅，將其與正常工況下的參考范圍作比較，判斷紙杯機凸輪機構的工作健康狀態，從而實現實時的監測。

4.1 采集誤差對比

為了檢測系統采樣的準確度，對比普通數據采集卡和本文設計開發系統的采集效果。電壓幅值測量結果和誤差如表1 所示。可以看出，普通數據采集卡的精度較差，平均誤差為0.857%，精度誤差較大；本文設計的采集系統的平均誤差為0.262%，采集精度較高。

表1 電壓幅值測量結果和誤差

4.2 通道動態范圍測試

對系統4個通道的動態范圍各自進行測試。通道1與通道2 的采樣頻率分別設置成78.1 kS∕s 與156.3 kS∕s。同樣地，通道3 與通道4 的采樣頻率分別設置成321.5 kS∕s與625 kS∕s。輸入信號短接且接地，這種情況下采集上來的數據表示的是系統能夠采集上來的最小輸入噪聲，獲取15次的噪聲然后計算平均值，數據如表2所示。

可以看出，4 條通道采集的振動數據信號的動態范圍均可以到97 dB 之上，符合設計要求。采樣率會對通道的動態范圍造成影響，一般來說，ADC 的采樣率越高，動態范圍則越低。

表2 動態范圍測試結果

4.3 機床振動信號采集與故障診斷試驗

本文設計的系統用的紙杯機型號是DEBAO-138SZY，其核心構件凸輪機構，通過設定好的振動速度將材料勻速地傳送給加工模塊，當凸輪機構出現故障時，其振動頻率以及振動幅值會發生改變，兩者也是判斷紙杯機凸輪機構是否發生故障的技術指標。選取的加速度傳感器型號是CT1010L，傳感器安裝在凸輪機構支撐底座上。

圖7 所示為采集到的機床凸輪機構的振動信號小波去噪前后的波形對比，根據式（4）～（6）計算出信噪比為61.2，降噪效果理想。

圖7 小波去噪前后波形對比

本文開發的系統選取時域分析與頻域分析對機械設備進行故障診斷。時域分析主要研究振動趨勢，如果振動信號的幅值超過了閥值，系統將會發起預警。從頻域圖可以得到故障信號的頻率值，從側面驗證了機床是否發生了故障。

根據國標ISO 10816-3，標記好器械正常運行、故障初期（可短暫運行）與設備損壞的區間。如果振幅超過正常區間，系統將會發出預警，設備故障區見表3。

表3 振動標準

圖8 為分別從一臺正常工況下和一臺非正常工況下的機床上采集的凸輪機構振動信號時域波形對比圖，從圖8（a）可以看出，1 號機床凸輪振動速度有效值為3.2 mm∕s，處于正常運行的區間，從圖8（b）可以看出，2號機床凸輪振動速度有效值位于4.5 mm∕s和7.1 mm∕s之間，處于故障初期，只能短暫運行，需要停機維修。

圖8 機床凸輪振動波形

圖9（a）表示1號機床凸輪振動的頻譜圖，機床凸輪的振動頻率參數為190 Hz，可看出此時頻譜主波峰較多，無故障波峰，從而能判斷1 號機床凸輪處于正常運行區間。圖9（b）表示2號機床凸輪的頻譜圖，可以看出2號機床多了一個450～500 Hz的故障波峰，說明此時振動出現了異常，再結合圖8（b）從而判斷2號機床需要停機檢修。

圖9 機床凸輪振動信號FFT曲線

5 結束語

針對目前部分振動信號采樣系統存在的精度差、通道少、動態范圍小等問題，本文開發了一套基于ARM 架構的多通道振動信號采集與故障診斷系統。系統以STM32H753 芯片為核心，進行邏輯控制和后級系統輸出。系統設計了信號調理電路使得其能應用于工況環境較為惡劣的情況，采用高精度大動態范圍的ADC 芯片AD7606 和開關采樣芯片ADG1206 的結合，保證了采集精度以及提高了多通道數據采集的同步性能。上位機采用Visual Studio 進行設計，對采集上來的數據進行小波去噪和時頻分析，可以實現對機械設備的實時監測，從而判斷設備是否故障，可應用于機床振動檢測和故障診斷等相關領域。