便攜式振動數據采集系統的設計

韓江鵬，尚宇，石現峰

（西安工業大學電子信息工程學院，陜西西安 710021）

工業領域中的旋轉機械設備在日常工作中會有不同程度的磨損，從而產生異常振動引發眾多故障，因此，定期對設備進行振動數據采集分析很有必要[1]。目前，大部分風機、壓縮機、汽輪機生產廠家在設備出廠前已安裝了電渦流位移傳感器，可了解振動的位移幅值，卻沒有配備采集振動信號的系統[2]。針對上述問題，文中設計的便攜式振動信號采集系統可靈活采集設備的振動數據，具有低成本、高適用性的特點。

1 數據采集系統方案設計

系統采用嵌入式設計，分為兩大部分：下位機實現振動信號和鍵相信號的采集及以太網通信功能，上位機實現系統配置、網絡通信和繪圖分析等功能。系統的整體框架如圖1 所示，下位機由主控模塊、信號調理模塊和通信模塊構成[3]，上位機由主控模塊、通信模塊、電源模塊和觸屏模塊構成。傳感器輸出的電壓信號需經過前端調理電路才可被微控制器處理，相關數據由以太網傳至上位機實現進一步的分析處理[4]。

圖1 系統整體設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 核心模塊設計

下位機采用國產CH32V307VCT6 微控制作為主控芯片，主頻可達144 MHz，內嵌PHY 收發器、千兆以太網MAC 并集成10M-PHY 模塊，滿足性價比的同時完全滿足系統要求[5]。上位機采用國產全志A133 核心板設計開發，主頻高達1.6 GHz，配接5.5寸LCD 實現人機交互，主控模塊均國產化。

2.2 模數轉換模塊設計

模數轉換模塊決定系統的最高采樣頻率、精度和采樣通道數。此MCU 嵌有AD 模塊，但其分辨率僅為12 bit，因此采用外驅AD7606 采集振動信號。AD7606 最高可實現八通道16 bit 同步采集，采樣速率可達200 kS/s，并且片內集成輸入放大器、二階模擬抗混疊濾波器、采樣保持放大器、模擬多路復用器和數字濾波器，性能強勁[6]，滿足采樣要求。

在制PCB 時，將數字部分與模擬部分分離，避免數字部分的噪聲輻射到模擬部分影響采樣數據。系統采用四通道同步采集、16 位并行輸出的工作模式，因此，將CS 和RD 相連，將CONVST A 與PWM 輸出引腳相接。

2.3 信號調理電路設計

鍵相信號經調理后輸入CH32，以中斷形式觸發AD7606 采樣。鍵相信號首先經過射極跟隨器對AIN 輸入的電壓進行調理[7]。

如圖2 所示，鍵相信號AIN 經過電阻分壓輸出，又與2.5 V 的參考電壓疊加向五號正向輸入端輸入，最后從VO 輸出，再輸入電壓比較器的正向輸入端，比較器的反向輸入端輸入參考電壓AOUT，輸出端與正向輸入端形成正反饋作為滯回比較器，最終輸出端與CH32 的外部中斷檢測引腳相接[8]，如圖3所示。

圖2 射極跟隨器電路

圖3 滯回比較器電路

CH32 通過捕獲該引腳電平的上升沿進入中斷，其定時器可測量并計算鍵相信號兩脈沖之間的時間差，即可求出旋轉機械的轉頻。

2.4 以太網通信模塊設計

CH32V307VCT6 芯片內置集成10M-PHY 模塊，通信電路設計更簡潔更高效。在網絡通信電路中，PHY 芯片與RJ45 接口之間連接TRC41604網絡變壓器，將PHY 送出的差分信號用差模耦合的線圈進行耦合濾波以增強信號[9]，并通過電磁場的轉換耦合到不同電平的網線的另一端。圖4 所示為TRC41604 網絡變壓引腳連接圖。上位機采用千兆網絡RTL8211E 芯片進行設計，可根據LED 閃爍情況觀測網絡狀態，綠燈體現連接形態，黃燈表示數據包收發狀態。

圖4 網絡變壓器引腳連接圖

3 系統軟件設計

系統軟件包括下位機程序和上位機軟件設計。下位機程序采用C 語言在MounRiver Studio 平臺進行開發[10]，主要包括AD 驅動、UDP 通信和自適應倍頻采集程序。AD 驅動實現硬件的初始化，UDP 通信實現數據打包發送和上位機指令的接收，自適應倍頻采集實現對鍵相信號和振動信號的同步采集功能。上位機軟件采用QT5 以C++框架在PC 端QT creator 環境開發，在人機交互的基礎上實現系統配置、數據接收和波形顯示等功能。

3.1 AD7606驅動程序設計

采樣功能實現的前提是AD 驅動的成功設計。該AD 芯片讀取轉換數據有兩種方式：一種在轉換完成之后，即BUSY 引腳產生下降沿后讀取；另一種在轉換中讀取，即BUSY 引腳為高電平時讀取，該方式讀取的是上輪轉換結果，實時性較差，在變頻模式下軟件設計更為復雜，因此采用第一種方式[11]。

查閱數據手冊可知，配置四通道并行數據輸出模式，需將CONBST_A、RESET、OS[0:2]、PAR/SER/BYTE SEL、CS RD 引腳配置為推挽輸出，BUSY、DB[0:15]、RANGE 配置為模擬輸入，按照時序封裝驅動函數[12]。圖5 所示為并行模式下CS RD 相連的數據轉換時序邏輯圖。

將CS RD 拉低，再依次獲取DB[0:15]引腳的電平狀態，若為高電平則將變量對應位數置1，由此可得單通道的16 bit 轉換結果，通過循環將四個通道的轉換結果緩存至RAM 完成一次采樣。

3.2 自適應倍頻采樣程序設計

自適應倍頻采樣可有效避免頻譜泄露，采樣流程如圖6 所示。通過定時器捕獲鍵相信號，根據相鄰兩次捕獲時間差計算鍵相信號頻率，再依此輸出64 倍轉頻的PWM 波，最終由上升沿觸發AD7606 采樣[13]讀取轉換結果。

圖6 自適應倍頻采集程序流程圖

3.3 預分頻和重裝載值的計算

選用TIM1 捕獲鍵相信號，計數器為16 位，如果輸入時鐘頻率太大，導致無法一個周期內至少捕獲一次鍵相信號[14]。為提高系統適用性，TIM1 的輸入時鐘應小于65 535 Hz。TIM1的時鐘源選用144 MHz，分頻系數應大于1 444 MHz/65 535 Hz，即219.7，考慮到結果精準度，分頻系數配置為220，最后的可測量頻率范圍為9.95 Hz～654.5 kHz。TIM2 輸出64 倍頻的PWM 波，時鐘源設置144 MHz，分頻系數配置為1 440，PWM 可輸出范圍為1.52 Hz～100 kHz。

由此可知，PWM 波頻率輸出范圍符合采樣頻率范圍，因此，可根據鍵相信號頻率自適應更改自動重裝載值ARR，從而改變采樣率[15]。

3.4 上位機軟件設計

上位機軟件基于QT 采用QT for android 交叉編譯環境[16]開發，由網絡通信模塊、數據分析模塊和繪圖模塊構成，網絡通信使用QUdpSocket 類實現UDP通信，每緩存16 個周期的采樣數據發送一次，數據分析模塊移植第三方FFT 類庫實現頻譜分析[17]，QTabWidget 類實現分頁布局繪圖功能。

軟件界面設計簡潔，左側為系統配置選項和時域特征值輸出框，右側為波形繪制控件。時域波形橫坐標以時間為單位，每點代表5 ms 的時間跨度，縱坐標以16 bit 精度的電壓作為幅值，考慮到不同型號的傳感器輸出的電壓不同，而AD 采集最大量程卻不變，因此，縱坐標以電壓值作為幅值最為合適，可使系統具有廣泛適用性；頻譜圖的橫坐標以Hz 為單位，縱坐標的單位為dB，由于信號的幅值變化很大，因此對幅值做對數處理。

4 系統測試

完成系統功能的調試工作后，采樣量程配置為±10 V，配置采集端IP 為192.168.1.4，Port 為8080，上位機端IP 為192.168.1.1，Port 為8080，通過信號發生器輸出4 路正弦信號，頻率分別為25 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz，峰峰值電壓分別為9 V、7 V、5 V、3 V，將AD7606 的采樣通道與之相接，上位機依次讀取到四路振動數據并對此進行時域特征值計算和FFT 分析，時域特征值輸出附有時間標識，最終將四路信號整合繪制波形圖，上位機運行情況如圖7 所示。

圖7 上位機軟件運行情況

5 結論

文中采用CH32V307VCT6 與全志A133 完成了系統整體設計，選用AD7606 芯片采集振動信號，通過以太網實現數據傳輸，并在上位機進行數據處理和波形繪制。經測試證明，該設計能夠實現在±10 V量程內對原始振動信號進行四通道16 bit 精度64 倍頻的同步采集，并可實現時域和頻域的可視化分析。該設計方案成本較低、操作簡捷、攜帶方便，主控核心設計國產化，具有一定的推廣價值。進一步研究表明，可將采集的原始振動數據進行專家系統分析，從而實現設備故障診斷。