磨音信號采集與處理實驗系統的設計與實現

羅小燕　張方偉　肖文聰

摘 要：在實驗教學中，為幫助學生更好地掌握聲音信號采集與處理領域的相關知識，開發了一套磨音信號采集與處理實驗系統。采用STM32F103作為主控芯片，實現磨音數據的采集與存儲、快速傅里葉分析、選頻段磨音能量分析、TCP通信等功能。在實驗教學中重點介紹磨音采集電路、信號調理電路、上位機顯示等內容。實驗的綜合性強，能夠有效促進學生的工程能力和科研思維的發展。

關鍵詞：磨音信號；采集與處理；嵌入式系統；TCP客戶端；實驗教學

Design and Implementation of an Experimental System forGrinding Noise Signal Acquisition and Processing

Luo Xiaoyan Zhang Fangwei Xiao Wencong

Abstract：In experimental teaching，to help students better master the related knowledge in the field of sound signal acquisition and processing，a grinding noise signal acquisition and processing experimental system was developed.Using STM32F103 as the main control chip，it implements functions such as the collection and storage of grinding noise data，Fast Fourier Transform analysis，selected frequency band grinding noise energy analysis，TCP communication，etc.The experiment focuses on introducing the grinding noise collection circuit，signal conditioning circuit，and upper computer display.The experiment is comprehensive and can effectively promote the development of students' engineering capabilities and scientific research thinking.

Key words：Grinding noise signal;Acquisition and Processing;Embedded System;TCP Client;Experimental Teaching

磨音是指磨機磨礦過程中磨礦介質與物料、磨礦介質與襯板、磨礦介質與磨礦介質相互碰撞所產生的聲音。［1］棒磨機是利用鋼棒滾動的研磨和擠壓將礦石破碎的設備，在其運行時有“正常磨”“欠磨”“過磨”三種狀態。［2-3］當磨機處于“欠磨”“過磨”狀態時，會增加磨機無用的損耗，影響磨礦生產質量。［4］而磨音信號能量可以較好地與磨機的運行狀態建立聯系，［5-6］因此，開發一套適應于棒磨機的磨音采集與處理系統，對棒磨機的工業生產、提高黑鎢資源的有效利用具有重要的指導意義。

本文將設計一套磨音信號采集與處理的實驗系統，作為計算機控制課程的實驗項目，可幫助學生更好的理解和掌握計算機控制與信號處理領域的相關知識，并提供一定的單片機硬件和軟件系統設計的應用基礎。

1 系統功能分析

1.1 棒磨機噪聲來源分析

棒磨機聲源較多，一是來自鋼棒、物料和襯板間的相互撞擊，一部分噪聲直接透過筒體向外界傳播，另一部分噪聲能量通過襯板傳遞給筒體，使筒體受激振動產生二次輻射噪聲；二是來自配套使用的電機運行和傳動機構所產生的噪聲；三是來自風機產生的噪聲。第一種噪聲是反映棒磨機運行狀態的噪聲，其余為干擾噪聲。在磨礦過程中，當負荷較小時，鋼棒與鋼棒間的撞擊較為頻繁，磨音頻率分布在中高頻；當負荷較大時，鋼棒與物料、襯板碰撞次數增加，鋼棒間碰撞次數和沖擊次數減少，磨音頻率主要分布在中低頻。［7-8］磨音信號的頻域信息與棒磨機負荷大小存在一定的聯系。因此，通過對磨音信號的采集和處理，能夠有效地監測棒磨機的運行狀態。

1.2 系統總體方案設計

系統主要由拾音器、信號調理電路、微控制器及其外圍電路、WiFi模塊等組成。將采集的棒磨機磨音信號進行信號調理后，由單片機內置的A/D轉換器將電壓值變換成芯片可操作的數字量，再對磨音信號進行快速傅里葉分析和聲強值計算，之后使用串行通信的方式將磨音強度發送至WiFi模塊，通過TCP客戶端后將數據發出，完成磨音信號強度的實時顯示。系統帶有數據保存功能，可以及時存儲磨音數據。磨音信號采集與處理實驗系統總體設計框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片選取及資源分配

選用STM32F103ZET6作為主控芯片，其搭載了Cortex-M3內核，工作頻率在72MHz，實時性能優秀。STM32F103ZET6具有512KB FLASH、多個DMA傳輸通道、多個ADC采集通道，有著豐富的外部接口。芯片內部集成了12位的模數轉換器，可以較為準確地保留原始信號的信息。主控芯片的資源分配如表1所示。

2.2 前置放大電路

圖2為設計的信號采集放大電路，采集磨機運行的聲音使用駐極體式單指向性的拾音器，其靈敏度較低，拾音半徑很小，有效地減少了周圍環境噪聲的干擾，適合用于采集磨機運行的聲音。由于單片機AD采集的電壓范圍是0～3.3V，而拾音器為雙極性電壓輸出，因此需要有一個電壓提升電路，以保證輸入信號的完整性，防止其出現飽和失真和截止失真。抬升電壓為1.65V。

2.3 信號濾波電路

在單片機處理信號之前要對信號進行抗混疊低通濾波處理，防止高頻分量信號被采樣，產生頻譜混疊。為此使用巴特沃斯低通濾波器濾除高頻信號。由于磨音信號的頻率基本在4kHz以下，設定磨音的采樣率定為8kHz，截止頻率f0=4kHz，由于：

f0=1/（2πRC）（1）

所以RC=3.98 kΩ·10nF。為了計算簡便，取R1=R2=4 kΩ，C1=C2=10nF，R9=100 kΩ。 由各個二階網絡增益系數依次為2.61，1.89，1.337，1.038。可知R13=161 kΩ，R14=89 kΩ，R15=33.7 kΩ，R16=3.8 kΩ。濾波電路如圖3所示。

3 系統軟件設計

3.1 TCP通信功能設計

采用ESP8266模塊實現無線通信，模塊內置TCP/IP協議棧，支持AP、STA和AP+STA三種數據傳輸的模式，使得設備使用互聯網傳輸數據極其方便。［9］本系統采用AP模式，以單片機作為TCP服務器，指令配置如表2所示。

3.2 TCP客戶端設計

在PC本地采用了LabVIEW進行TCP客戶端的設計，實現磨音數據的接收、波形顯示等功能。在TCP客戶端輸入TCP服務器的IP地址及端口號。程序開始運行后，客戶端進行初始化，等待TCP連接，按下“OPEN”按鍵后，系統會判斷連接是否正確，如果輸入錯誤的IP地址或端口號會導致連接失敗。成功建立TCP連接后，系統會獲取磨音數據，并對磨音數據的完整性進行校驗，如果數據校驗失敗，則無法進行下一步，系統進入等待。當校驗通過時，磨音數據暫存在緩沖區中，之后通過波形圖表將磨音數據可視化。系統正常工作時，循環進行磨音數據的接收、校驗和顯示。TCP客戶端設計流程如圖4所示。

4 數據處理算法

4.1 基4快速傅里葉變換算法

在編寫數據處理分析模塊時，采用基4快速傅里葉變換，基4 FFT是將長度為N=4l的序列分解為四個短序列，將N點DFT表示為4個N/4點DFT的線性組合，然后在把N/4點DFT一分為四，表示為四個N/16點的DFT，如此重復下去，直至分解成兩點DFT的運算。［10-11］基4時間采樣相比基2時間采樣，乘法運算量大幅減少，運算速度加快。

基4 FFT算法公式為：

軟件采用“DSP LIB”中的1024點基四快速傅里葉變換，該庫中使用匯編語言實現FFT算法，運算速度快、執行效率高，一次1024點FFT最快運算時間小于2ms，［12］對整個系統影響很小。

4.2 選頻段磨音能量與磨音強度處理算法

由于棒磨機運行時發出的聲音包含混合噪聲，需要濾除與棒磨機工作狀態無關的噪聲信號，再通過快速傅里葉變換分析磨機工作頻段的聲音信號。在時域內進行信號分析，可以看出不同時間段信號是否存在聯系，以傳遞函數的形式表征系統性能；在頻域內進行信號分析，可以看出信號的組成部分，以頻率特性表征系統響應性能。傅里葉變換是將信號從時域中放到頻域中進行分析，而FFT算法大大減少了傅里葉變換中的乘法運算?？焖俑道锶~變換不僅能夠直接獲得一個有效信號的頻域內的波形，而且能在頻域特征中進行分析，獲得信號的組成成分。

序列 x（n） 的傅里葉變換定義為：

現設定采樣的頻率為Fs，采樣的點數為N，使用 FFT算法，就能確定任意采樣點n的頻率，公式定義表示如下：

磨音信號的能量與棒磨機的工作狀態有關聯性，通過計算棒磨機正常工作時頻段范圍內的能量，在使用聲強計算公式將信號能量轉為分貝值，在棒磨機運行過程中，可以獲取棒磨機正常工作時的聲強范圍。由于磨音信號的頻率基本在4kHz以下，［13］現設定棒磨機聲音信號采樣的頻率為 8KHz，采樣的點數為1024。

為了保證系統在連續采集磨音信號時，減少MCU處理數據的時間，使用了STM32F103ZET6集成的DMA，利用DMA能快速地實現磨音數據從外設到存儲器的搬運工作，［14］完成FFT的數據輸入，之后再根據Parseval's theorem計算磨音信號所含有的總能量。［15］

MCU處理磨音信號的總流程如圖5所示。

將磨機運行的聲音特征量寫入FLASH，防止系統掉電清除磨機聲音特征量。當棒磨機運行出現“過磨”或“欠磨”的現象，監測系統會進行相應的判斷，并做報警提示，如圖6所示。

5 磨音監測實驗

系統運行程序后，將首先配置好WiFi模塊的相關參數，建立TCP服務器。在TCP客戶端輸入服務器的IP地址和端口號，按下OPEN按鍵，單片機與上位機建立無線數據通信。此時，單片機不斷采集磨音信號，將磨音信號以txt的格式存儲在SD卡中，同時MCU進行數據分析處理，計算選頻段的聲音能量并轉換為聲強值，通過WiFi模塊將磨音強度傳輸給上位機軟件并進行實時波形顯示，如圖7所示。

6 結語

基于單片機的棒磨機磨音采集與處理的實驗系統，分析了棒磨機的磨音能量與其運行狀態之間的聯系，進行了系統功能設計與實現，通過信號調理電路及主控電路的分析處理，獲得了棒磨機的磨音強度，并實現了與TCP客戶端的通信，將磨音強度實時傳輸給客戶端并進行波形顯示。通過該實驗系統的操作與控制，有助于學生理解掌握信號采集與調理、快速傅里葉分析、無線通信等方面的原理和知識。實驗系統以實物為對象解決實際問題，鍛煉了學生分析和解決工程問題的能力，為計算機控制課程的實驗教學與研究提供了一個低成本、有交互、直觀性的實驗平臺。

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（責任編輯 郭曉勇）

收稿日期：2023-05-07

基金項目：江西省教育廳科學技術項目（GJJ200827）；江西省大學生創新創業訓練計劃項目（S202110407026）成果。

作者簡介：羅小燕（1967-），女，江西贛州人，教授，研究方向為機電系統智能監測與控制。