振動信號測試儀采集方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

洪耀球，李香泉，唐云華

（1. 景德鎮(zhèn)高等?？茖W(xué)校 數(shù)學(xué)與信息工程系，景德鎮(zhèn) 333000；2. 中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

振動信號測試儀采集方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

洪耀球1，李香泉1，唐云華2

（1. 景德鎮(zhèn)高等?？茖W(xué)校 數(shù)學(xué)與信息工程系，景德鎮(zhèn) 333000；2. 中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

根據(jù)直升機(jī)上旋轉(zhuǎn)部件較多，振動環(huán)境復(fù)雜，振動水平過高可能導(dǎo)致駕駛員的判讀困難和身體疲勞，以及相關(guān)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞裂紋甚至斷裂；此外，惡劣的振動環(huán)境有可能導(dǎo)致機(jī)載設(shè)備不能正常工作，影響飛行安全。因此，需要對直升機(jī)相關(guān)部位的振動水平進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警；本文就此振動信號測試儀提出了一套可行的并行數(shù)據(jù)采集方案和具體的軟件、硬件實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)功能分析及概要設(shè)計(jì)

根據(jù)某直升機(jī)型號對振動信號采集及監(jiān)測的性能需要，測試儀需要實(shí)時(shí)監(jiān)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(shí)時(shí)報(bào)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(gè)測量點(diǎn)的振動加速度原始信號，通過開關(guān)進(jìn)行控制和選擇是否進(jìn)行相關(guān)工作。

2）DSP實(shí)時(shí)頻譜分析功能，按照特定格式在SD卡中進(jìn)行記錄并存儲頻譜結(jié)果，并能導(dǎo)出到PC上位機(jī)軟件中直接進(jìn)行查看和進(jìn)一步分析。

3）通過機(jī)上RS422總線系統(tǒng)，同步記錄和存儲飛行姿態(tài)、狀態(tài)和飛行操縱等相關(guān)參數(shù)，作為振動信號分析時(shí)的重要參考數(shù)據(jù)。

4）16通道ICP振動信號必須是同步采樣，每通道獨(dú)立至少達(dá)到14位A/D轉(zhuǎn)換精度，各通道最大采樣率4KHz（可調(diào)）；2通道方位角信號，至少8位A/D轉(zhuǎn)換精度并且實(shí)現(xiàn)同步采樣。

根據(jù)上述的功能要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)信號采集實(shí)現(xiàn)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

外部輸入采用28V的機(jī)載電源，選用了一款航空機(jī)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(tǒng)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(yè)級以上的芯片ASM1117-3.3、ASM1117-1.8和REF3125來構(gòu)建所需電源；其中REF3125輸出的2.5V參考電壓后面設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓跟隨器來增加其驅(qū)動能力。電源設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 信號處理與程控放大設(shè)計(jì)

傳感器輸入進(jìn)來的原始信號在進(jìn)行濾波和分壓處理后送入多路通道選擇開關(guān)，然后在選擇開關(guān)芯片中通過軟件分時(shí)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(jìn)行備份。

圖2 系統(tǒng)電源

同時(shí)，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(shí)現(xiàn)FFT功能。由于外部傳感器輸入進(jìn)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(diào)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(jìn)行數(shù)字化編程實(shí)現(xiàn)，最小達(dá)到122db CMR的直流性能，能夠完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

圖3 信號調(diào)理電路

2.3 A/D采集電路

為了實(shí)現(xiàn)信號的采集精度至少達(dá)到14位，系統(tǒng)采用了16位精度的ADS8361芯片來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。此芯片能夠進(jìn)行4通道的采集功能，并且能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)2通道并行采集，詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖4所示。由于系統(tǒng)要求總共18路數(shù)據(jù)信號，所以采用了9片ADS8361來實(shí)現(xiàn)。所有每片AD輸出的2路數(shù)據(jù)（共18路數(shù)據(jù)）連接到FPGA分配的18個(gè)引腳，通過編程實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時(shí)并同時(shí)的獲取，然后在FPGA中進(jìn)行FFT變換和頻譜分析、比較、存儲；并把結(jié)果傳輸給另一核心控制器ARM，通過進(jìn)一步比較作出是否通過LED進(jìn)行報(bào)警功能[3,4]。

圖4 AD采集電路

圖5 ARM與FPGA程序框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要是針對ARM系統(tǒng)和FPGA進(jìn)行編程，ARM芯片在IAR開發(fā)環(huán)境中采用C語言進(jìn)行編寫，F(xiàn)PGA在QUTARSII 中采用Verilog語言進(jìn)行編寫；軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)。

ARM芯片中主要實(shí)現(xiàn)的軟件模塊有：程控放大器增益放大控制和選通模塊、RS422數(shù)據(jù)通信模塊、USB功能模塊、多路通道選通與AD采集模塊、與FPGA數(shù)據(jù)交互模塊和鍵盤LED報(bào)警功能模塊；FPGA中軟件主要實(shí)現(xiàn)模塊有：并行AD采集功能、FFT變換及分析模塊、SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊、與ARM數(shù)據(jù)交互模塊[5]。2個(gè)核心控制器中部分軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

4 結(jié)論

通過ARM微處理器與FPGA構(gòu)建DSP軟核的雙核處理方式，分別實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)上位機(jī)PC中數(shù)據(jù)處理軟件的數(shù)據(jù)格式要求的存儲方式，實(shí)時(shí)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(jìn)行存儲。通過本測試儀對直升機(jī)上多路振動信號、方位角信號的監(jiān)測，能夠?qū)崟r(shí)了解直升機(jī)上關(guān)鍵部位的振動狀態(tài)，為直升機(jī)的改進(jìn)、改型提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)；并且能夠?qū)χ鄙龣C(jī)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(wǎng)的振動信號采集器設(shè)計(jì)[J].電力自動化設(shè)備,2007,27,(1).

[3]葉凡,謝志江,王世耕.振動信號采集及網(wǎng)絡(luò)化傳輸關(guān)鍵技術(shù)的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程師,2007,(11).

[4]陳德軍,劉福華.一種基于VXI總線多通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及分析軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù),2004,23,(1).

[5]蔣亞群,張春元.ARM微處理器休系結(jié)構(gòu)及其嵌入式SOC[J].計(jì)算機(jī)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(jī)上旋轉(zhuǎn)部件較多，振動環(huán)境比較復(fù)雜，直升機(jī)的振動環(huán)境直接影響飛行員和乘員的人機(jī)工效；同時(shí)振動引起的故障直接影響機(jī)上動部件和機(jī)載設(shè)備的工作性能和全機(jī)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(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，并對其并行處理的采集方案和頻譜分析進(jìn)行了詳細(xì)的軟、硬件分析和設(shè)計(jì)。

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?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。

TM935

B

1009-0134(2011)4(上)-0028-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).09

2010-11-19