基于振動(dòng)信號(hào)的傳感器與虛擬儀器的串口通信

王玉林， 姜　平

(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 自動(dòng)化系，江蘇 南通 226019)

基于振動(dòng)信號(hào)的傳感器與虛擬儀器的串口通信

王玉林， 姜平

(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 自動(dòng)化系，江蘇 南通 226019)

摘要:為了實(shí)現(xiàn)加速度傳感器與虛擬儀器LabVIEW之間的串口通信，以滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)為傳輸?shù)慕橘|(zhì),編寫(xiě)C語(yǔ)言程序來(lái)驅(qū)動(dòng)三軸加速度傳感器采集軸承的振動(dòng)信號(hào)，再將振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，虛擬儀器通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口線讀取單片機(jī)中的振動(dòng)信號(hào)，以波形的形式實(shí)時(shí)顯示在虛擬儀器界面上。以編程軟件顯示加速度傳感器采集到軸承的振動(dòng)信號(hào)的值，經(jīng)過(guò)串口通信程序，最終在虛擬儀器前面板上顯示振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換的數(shù)值波形00—FF；軟件分析后可以發(fā)現(xiàn)：軸承的均方根值為0.030 782 3，經(jīng)過(guò)頻域的處理，其功率譜將特征頻率25 Hz與高次諧波分量單獨(dú)分離出來(lái)，從而完成傳感器與虛擬儀器間的串口通信。

關(guān)鍵詞:加速度傳感器； 振動(dòng)信號(hào)； 數(shù)據(jù)采集； 虛擬儀器； 滾動(dòng)軸承； 串口通信

0引言

目前，虛擬儀器正帶領(lǐng)儀表行業(yè)走向先進(jìn)化、快速化、智能化。相對(duì)于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，它是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái)，已在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1]。LabVIEW編程軟件是一個(gè)基于圖形化編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境[2],是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)采集和控制開(kāi)發(fā)環(huán)境之一[3]。LabVIEW功能全面，具備數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、串口通信等功能。

由于振動(dòng)產(chǎn)生加速度，故可選用加速度傳感器，本文通過(guò)串口將LabVIEW與加速度傳感器連接起來(lái)，傳感器檢測(cè)采集滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)，這里選擇ADXL345型號(hào)的傳感器，該振動(dòng)加速度傳感器能實(shí)現(xiàn)低頻加速度的準(zhǔn)確測(cè)量[4]。振動(dòng)信號(hào)先存放于單片機(jī)中保存，再傳輸?shù)教摂M儀器中，最終形象地在虛擬儀器界面上顯示振動(dòng)信號(hào)的波形。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號(hào)的產(chǎn)生或測(cè)量[5]。需要保證信號(hào)的完整性，信號(hào)是處于變化的，它是信息的載體和具體表現(xiàn)形式[6]。本文以傳感器來(lái)完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。通過(guò)單片機(jī)等最終將采集的信息發(fā)送到上位機(jī)中，系統(tǒng)模塊總體框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1傳感器和單片機(jī)的設(shè)定

ADXL345為三軸加速度傳感器，可以檢測(cè)空間X，Y，Z三個(gè)方向的加速度值，檢測(cè)范圍達(dá)到±16 gn，分辨率為13位，它支持SPI和I2C兩種接口訪問(wèn)形式，文中采用I2C協(xié)議。該協(xié)議需要數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL，在編程軟件中編寫(xiě)I2C協(xié)議來(lái)采集軸承自身的振動(dòng)信號(hào)。該傳感器的優(yōu)勢(shì)在于其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器，輸出的信號(hào)是經(jīng)過(guò)濾波后的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)串行接口讀取數(shù)據(jù)。據(jù)Nyquist(奈奎斯特)采樣定理可知，要想采集到的信號(hào)被還原，采樣頻率必須大于信號(hào)中最高頻率的2倍，即fs>2fc(fs為采樣頻率，fc為信號(hào)中的最高頻率)。由于ADXL345最大的采樣頻率為3 200Hz，所以，該傳感器能采集到0～1 600Hz的信號(hào)。而本文要檢測(cè)的軸承的頻率不超過(guò)1 600Hz，故可以用ADXL345傳感器來(lái)檢測(cè)。

圖1　系統(tǒng)模塊總體框圖Fig 1　System module overall block diagram

單片機(jī)選用MSP430F149，是TI公司推出的16位微處理器[7]，是一種具有超低功耗特性的功能強(qiáng)大的單片機(jī)[8]，MSP430單片機(jī)片內(nèi)一般都集成有A/D轉(zhuǎn)換模塊[9]，是16位的精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)[10]，其性能和速度高于51型號(hào)的單片機(jī)，適合本課題的研究開(kāi)發(fā)。

2.2數(shù)據(jù)的采集檢測(cè)

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，三軸加速度數(shù)據(jù)存放0x32～0x37地址單元中，將傳感器安裝在滾動(dòng)軸承的外圈上，以充分地接觸軸承，檢測(cè)信號(hào)。該滾動(dòng)軸承分為三部分：內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，外圈保持固定，內(nèi)圈與滾動(dòng)體相對(duì)靜止，連在一起在外部設(shè)備的帶動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)。滾動(dòng)軸承的樣本由公司提供。檢測(cè)過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，由傳感器檢測(cè)軸承的振動(dòng)信號(hào)，存放于單片機(jī)中，再經(jīng)過(guò)串口線將信號(hào)傳到虛擬儀器中。硬件流程圖如圖2所示。

圖2　硬件流程圖Fig 2　Hardware flow chart

編程軟件采用IAREmbeddedWorkbench，其可以處理C，C++源代碼以及匯編文件，一個(gè)工作區(qū)下可以創(chuàng)建多個(gè)工程。實(shí)際編程時(shí)選用C語(yǔ)言編寫(xiě)。編譯確認(rèn)無(wú)誤之后，將C語(yǔ)言程序下載到單片機(jī)中，進(jìn)入調(diào)試界面，可以看到振動(dòng)信號(hào)的值。BUF在程序中定義為一個(gè)一維數(shù)組，里面存放了6位數(shù)據(jù)，分別為三軸加速度的值，以十六進(jìn)制的格式顯示，如圖3所示。

圖3　振動(dòng)信號(hào)值Fig 3　Vibration signal value

圖3中，BUF[0]和BUF[1]表示X軸的數(shù)值，BUF[2]和BUF[3]為Y軸的信息，BUF[4]和BUF[5]則是Z軸上的信號(hào)，其均為字符的形式。實(shí)際采集過(guò)程中，這些加速度的值都是實(shí)時(shí)改變的,以反映軸承自身的狀態(tài)。根據(jù)ADXL345的資料手冊(cè)，將三軸加速度的值最終轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)值，以這樣一個(gè)整體的數(shù)值來(lái)反映軸承的振動(dòng)信號(hào)。通過(guò)RS—232串口將該數(shù)值傳輸?shù)絃abVIEW中。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分基于LabVIEW界面，系統(tǒng)上位機(jī)選用LabVIEW編程軟件，它不同于C程序語(yǔ)言的方式，它以數(shù)據(jù)流模式運(yùn)行，運(yùn)算效率高，集成度高。軟件部分分為串口設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)值顯示、波形顯示四大模塊。

LabVIEW串口通信時(shí)，首先要安裝VISA驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)安裝完成之后，USB轉(zhuǎn)串口線一端連接單片機(jī)的串口，即RS—232口，另一端則連接計(jì)算機(jī)的USB口。支持熱插拔的USB標(biāo)準(zhǔn)串行接口迅速體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)[11]。安裝CH341SER驅(qū)動(dòng)程序后，在設(shè)備管理器里可以看到串口線對(duì)應(yīng)的COM口，而且是COM1口，表明單片機(jī)與計(jì)算機(jī)已連接成功，可以進(jìn)行串口通信。圖4為COM1口的端口設(shè)置。

圖4　串口設(shè)置Fig 4　Serial port settings

從圖4中可以看出：VISA串口配置時(shí)，波特率設(shè)為38 400b/s，1位停止位，無(wú)流控制，數(shù)據(jù)位為8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。參數(shù)值可以通過(guò)下拉按鈕來(lái)修改。

在LabVIEW前面板上，設(shè)置對(duì)應(yīng)的串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)等等。只有串口設(shè)置正確的前提下，方可正常通信。

在虛擬儀器上位機(jī)程序框圖中，串口設(shè)置的程序見(jiàn)圖5。

圖5　串口設(shè)置程序Fig 5　Serial port setting program

程序運(yùn)行時(shí)，首先彈出對(duì)話框，在對(duì)話框里輸入信息，提示用戶打開(kāi)串口，選擇COM口及波特率等信息。點(diǎn)擊確定按鈕，對(duì)話框消失，之后延遲時(shí)間3s，再進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段。通過(guò)布爾型控件來(lái)決定是否采集數(shù)據(jù)。采集到數(shù)據(jù)之后，分別以十進(jìn)制和十六進(jìn)制的格式顯示，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為波形顯示。其中，對(duì)話框的程序框圖見(jiàn)圖6。

圖6　會(huì)話框程序框圖Fig 6　Block diagram of dialog box program

條件結(jié)構(gòu)決定打開(kāi)串口之后，數(shù)據(jù)開(kāi)始采集，如果串口處于關(guān)閉狀態(tài)，則再次提醒用戶打開(kāi)串口。數(shù)據(jù)采集時(shí)，選擇VISA寫(xiě)入函數(shù)，將COM1資源的數(shù)據(jù)寫(xiě)進(jìn)去，再經(jīng)過(guò)屬性節(jié)點(diǎn)函數(shù)和100ms的延遲時(shí)間，VISA讀取函數(shù)將COM口的數(shù)據(jù)讀出來(lái)，存放在讀取緩沖區(qū)。字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)以波形的方式及時(shí)在波形圖表上顯示?？偝绦虿捎肳hile循環(huán)結(jié)構(gòu)，一直處于接收的狀態(tài)，直至在界面中點(diǎn)擊停止鍵。數(shù)據(jù)讀取部分的程序見(jiàn)圖7。

圖7　數(shù)據(jù)讀取程序Fig 7　Data reading program

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

硬件設(shè)備調(diào)通之后，打開(kāi)虛擬儀器界面，在前面板上選擇正確的串口信息，包括VISA資源名稱(chēng)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位。再打開(kāi)串口，使虛擬儀器處于串口接收的狀態(tài)。軸承檢測(cè)裝置運(yùn)行時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)滾動(dòng)軸承發(fā)生周期性旋轉(zhuǎn)，傳感器迅速采集軸承自身的振動(dòng)信號(hào)，以加速度值來(lái)反映振動(dòng)信號(hào)的大小，LabVIEW從串口接收數(shù)據(jù)時(shí)，一次性讀取8位數(shù)據(jù)，解讀方式為字符的ASCII碼格式。由于下位機(jī)單片機(jī)中發(fā)送的數(shù)據(jù)是數(shù)值型，所以，需要使用"字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換"函數(shù)，將字符串轉(zhuǎn)成無(wú)符號(hào)的字節(jié)數(shù)組，也就是對(duì)應(yīng)的ASCII碼值。

數(shù)值顯示的結(jié)果界面如圖8所示，列表框中為十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)，下面是其對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。其中，最上面是控制數(shù)據(jù)采集與停止的部分。

圖8　數(shù)值顯示與控制界面Fig 8　Value display and control interface

當(dāng)虛擬儀器開(kāi)始數(shù)據(jù)采集時(shí)，數(shù)據(jù)以無(wú)符號(hào)數(shù)組的形式顯示在前面板的波形圖表里，本文采用波形圖表而不是波形圖，是因?yàn)椴ㄐ螆D表用于實(shí)時(shí)顯示，它保留了舊數(shù)據(jù)，并且將新接收的數(shù)據(jù)顯示在舊數(shù)據(jù)之后，而波形圖則用于事后對(duì)整個(gè)波形的顯示，它對(duì)舊數(shù)據(jù)不保留，在有新數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，先清除原來(lái)的數(shù)據(jù)，僅僅顯示新的數(shù)據(jù)，起不到新舊數(shù)據(jù)比較的作用，沒(méi)有連續(xù)性。振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集的結(jié)果如圖9所示。

圖9　數(shù)據(jù)采集結(jié)果Fig 9　Data collection results

由圖9可知，振動(dòng)信號(hào)最終以數(shù)值波形顯示，顯示范圍為00～FF，而且數(shù)據(jù)是處于實(shí)時(shí)變化的，一旦外界有大的擾動(dòng)，波形也會(huì)發(fā)生較大的改變。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在虛擬儀器中對(duì)振動(dòng)信號(hào)的波形進(jìn)行分析，得到波形的時(shí)域指標(biāo)及頻譜圖。時(shí)域參數(shù)中，以均方根值來(lái)反映振動(dòng)幅值的大小。在頻譜圖中，測(cè)量波形的功率譜，可以獲得相應(yīng)的特征頻率及其高次諧波分量,如圖10所示。

圖10　振動(dòng)信號(hào)結(jié)果分析Fig 10　Vibration signal results analysis

圖10(a)為采集信號(hào)的波形，從圖中可以看出，波形的均方根為0.030 782 3，圖10(b)功率譜圖中，25Hz處有最大的峰值，故特征頻率為25Hz,另外，在50,75Hz處也有較小的尖峰，其幅值很小，為諧波分量。

6結(jié)束語(yǔ)

基于LabVIEW虛擬儀器構(gòu)建了檢測(cè)軸承振動(dòng)信號(hào)的控制界面，利用單品機(jī)編寫(xiě)C語(yǔ)言程序來(lái)采集振動(dòng)信號(hào)，在加速度傳感器與虛擬儀器之間實(shí)現(xiàn)了以振動(dòng)信號(hào)為媒介的串口通信，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能快速清晰地反映傳感器中存放的數(shù)據(jù)，以波形的形式顯示在控制界面上，分別在時(shí)域和頻域中得到了波形的相關(guān)指標(biāo)和參數(shù)，并加以分析判斷，其均方

根值0.030 782 3反映了振動(dòng)幅值的大小，頻譜圖能夠反映振動(dòng)信號(hào)自身的特征頻率25Hz和分量大小，為今后虛擬儀器的應(yīng)用提供廣闊的平臺(tái)。

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Serialportcommunicationbetweensensorandvirtualinstrumentbasedonvibrationsignal

WANGYu-lin,JIANGPing

(AutomationDepartment,CollegeofElectricalEngineering,NantongUniversity,Nantong226019,China)

Abstract:To realize serial communication between acceleration sensor and virtual instrument(VI),LabVIEW ,and transmission medium is rolling bearing vibration signal.Write C language program to drive three-axis acceleration sensor to collect bearing vibration signal,then transmits vibration signal into micro controller unit(MCU),afterwards,VI reads vibration signal in MCU via USB to serial line,and the signal is displayed on VI interface in real time in form of waveform.Acceleration sensor can collect bearing vibration signal,at the same time,value of vibration signal can be displayed in programming software,through a serial port communication program,the numerical wave 00—FF transformed by vibration signal is able to be displayed on VI front panel; by software analysis,it can be found that root-mean-square of bearing is 0.030 782 3,through frequency domain processing,characteristic frequency 25 Hz and high-order harmonic component are isolated separately by power spectrum,consequently,serial port communication between sensor and VI is achieved.

Key words:acceleration sensor; vibration signal; data acquisition; virtual instrument(VI); rolling bearing; serial port communication

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0018—04

收稿日期：2015—07—27

中圖分類(lèi)號(hào):TH 701

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)04—0018—04

作者簡(jiǎn)介:

王玉林(1991-)，男，江蘇東臺(tái)人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)橐纛l檢測(cè)。

姜平，通訊作者，E—mail:1728116725@qq.com。