微弱振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究

楊雪凱，胡 輝，顧俊杰，郝志陽(yáng)，張 婷

(北華航天工業(yè)學(xué)院 電子與控制工程學(xué)院，河北 廊坊 065000)

隨著現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)和電子集成技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的人把想要分析的物理信號(hào)(比如振動(dòng)信號(hào)、聲音信號(hào)等)進(jìn)行數(shù)字量化，然后將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，存儲(chǔ)和傳輸至上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析。

通過(guò)文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]可知，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用單片機(jī)(例如STM32)或者DSP來(lái)作為數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、高采樣率、寬動(dòng)態(tài)范圍的要求。DSP雖然能夠滿足微弱信號(hào)采集對(duì)主控單元的運(yùn)行速度和實(shí)時(shí)性的要求。但是DSP的價(jià)格高昂，研發(fā)周期長(zhǎng)，更適用于對(duì)采樣率要求低的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。從文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]中可得到，F(xiàn)PGA具有時(shí)鐘頻率高、內(nèi)部時(shí)延小、運(yùn)行速度快、集成度高、執(zhí)行效率高、功耗低、能完成復(fù)雜的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)、編程靈活方便等特點(diǎn)，非常適用于高采樣速率、大數(shù)據(jù)量、處理任務(wù)固定且重復(fù)的多通道微弱信號(hào)采集系統(tǒng)。從文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[2]可知，USB接口具有傳輸速率快、接口控制靈活、功耗低、使用方便、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想接口。

1 噪聲分析

噪聲是電子系統(tǒng)中不需要的信號(hào)。噪聲會(huì)對(duì)降低我們采集信號(hào)的質(zhì)量以及增大采集誤差。噪聲包括固有噪聲和外部噪聲，這兩類噪聲均會(huì)影響電子電路的性能。外部噪聲來(lái)自外部噪聲源，例如數(shù)字交換、60Hz噪聲以及電源交換等。固有噪聲由電路元件本身產(chǎn)生，最常見(jiàn)的例子包括寬帶噪聲、熱噪聲以及閃爍噪聲。我們可以通過(guò)計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)電路的固有噪聲。

本系統(tǒng)前級(jí)可以認(rèn)為是包括程控運(yùn)放電路、衰減電路、濾波電路的多級(jí)放大電路。我們對(duì)多級(jí)放大電路的噪聲建模便得到如圖1所示的噪聲模型。

圖1 系統(tǒng)噪聲模型

在多級(jí)放大電路中我們可以將噪聲分為電壓噪聲和電阻熱噪聲。我們可以根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的頻譜密度曲線來(lái)確定上述噪聲源的大小。其中電阻熱噪聲的計(jì)算公式是：

(1)

k為玻爾茲曼常數(shù)，T為開(kāi)氏溫度，Req為等效電阻，Δf為信號(hào)帶寬。

電壓噪聲又分為1/f區(qū)噪聲和寬帶區(qū)噪聲。

1/f區(qū)噪聲公式：

(2)

(3)

efnorm為1Hz的歸一化噪聲。

eat_f為f時(shí)電壓噪聲密度。

f為已知噪聲電壓密度的1/f區(qū)域的頻率。

fH為操作高頻(使用噪聲帶寬BW)。

fL為操作低頻(一般為0.1Hz)。

寬帶區(qū)噪聲公式：

(4)

enBB為寬帶電壓噪聲。

eBB為寬帶電壓噪聲密度。

Kn為濾波器階數(shù)對(duì)應(yīng)的換算系數(shù)。

總電壓噪聲：

(5)

根據(jù)兩個(gè)不同電阻器或者不同運(yùn)算放大器的噪聲彼此不相關(guān)，兩個(gè)隨機(jī)不相關(guān)的噪聲信號(hào)相加得到總噪聲為：

(6)

我們可以得到多級(jí)放大電路的總的輸入噪聲為：

(7)

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件

ICP加速度傳感器采用恒流源供電，內(nèi)置壓電傳感器，用集成電路技術(shù)將電荷放大器置于傳感器中，并以低阻抗電壓方式輸出，輸出的幅值與加速度成正比。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用ADS1271，其采樣率最高達(dá)105KSPS，采樣精度為24位。數(shù)據(jù)傳輸選用單通道USB2.0轉(zhuǎn)FIFO的芯片F(xiàn)T232，數(shù)據(jù)傳輸速率最快為40MB/s。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件運(yùn)行如圖3所示。系統(tǒng)上電后，用戶通過(guò)上位機(jī)設(shè)置系統(tǒng)的采樣參數(shù)，例如系統(tǒng)放大倍數(shù)、系統(tǒng)采樣率、交直流耦合方式和觸發(fā)方式。上位機(jī)設(shè)置的采樣參數(shù)通過(guò)USB2.0芯片傳輸?shù)紽PGA中進(jìn)行解碼。FPGA按照用戶設(shè)置來(lái)控制繼電器，程控增益放大器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，USB2.0通信模塊。12路采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)12片ADS1271數(shù)模轉(zhuǎn)換器后成為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)FIFO數(shù)據(jù)緩沖模塊，經(jīng)USB2.0后將采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

圖3 系統(tǒng)軟件

3.1 ADS1271控制模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用TI公司的ADS1271數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。ADS1271提供了SPI和幀同步兩種通信方式以及高速模式、高精度模式、低功耗三種工作模式。我們?cè)诒鞠到y(tǒng)中應(yīng)用的是SPI通信模式和高速工作模式。不同工作模式下有著不同的輸出采樣率，如表1所示。

表1 ADS1271操作模式性能表

圖4 ADS1271在SPI通信模式下的時(shí)序邏輯

3.2 USB通信模塊

FPGA通過(guò)同步FIFO實(shí)現(xiàn)與FT232的通信數(shù)據(jù)傳輸。RXE#、TXE#是FT232的讀寫(xiě)標(biāo)志信號(hào)；OE#為使能控制信號(hào)；RD#、WR#是FT232的讀寫(xiě)信號(hào)；SIWU#是FPGA命令FT232喚醒PC機(jī)或向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的控制端口；ADBUS[7：0]是雙向數(shù)據(jù)傳輸端口。CLKOUT是FT232的60MHz的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)引腳，所有信號(hào)應(yīng)該和該時(shí)鐘保持同步；FPGA通過(guò)Verilog編程實(shí)現(xiàn)對(duì)FT232的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)軟件的雙向數(shù)據(jù)通信。圖5為同步FIFO的讀寫(xiě)控制時(shí)序圖。

圖5 同步FIFO的讀寫(xiě)控制時(shí)序

3.2.1 FPGA讀上位機(jī)數(shù)據(jù)控制進(jìn)程(見(jiàn)圖6)

圖6 同步FIFO讀標(biāo)準(zhǔn)連接

IDLE讀取命令發(fā)生，進(jìn)入狀態(tài)1。

狀態(tài)1：檢測(cè)RXF#引腳狀態(tài)，如果RXF#為低電平時(shí)，則拉低OE#，進(jìn)入狀態(tài)2。

狀態(tài)2：檢測(cè)RXF#引腳狀態(tài)，如果RXF#為低電平時(shí)，則拉低RD#引腳，讀取上位機(jī)下發(fā)命令，進(jìn)入狀態(tài)3。

狀態(tài)3：讀取上位機(jī)命令，根據(jù)不同的命令(傳感器類型選擇、增益倍數(shù)選擇、采樣率選擇，觸發(fā)方式選擇、觸發(fā)電平設(shè)置)分別進(jìn)入狀態(tài)4、狀態(tài)5、狀態(tài)6、狀態(tài)7。

狀態(tài)4：根據(jù)上位機(jī)下發(fā)指令，進(jìn)行傳感器類型配置。繼續(xù)讀取則返回狀態(tài)2，否則進(jìn)入IDLE。

狀態(tài)5：根據(jù)上位機(jī)下發(fā)指令，進(jìn)行增益倍數(shù)配置。繼續(xù)讀取則返回狀態(tài)2，否則進(jìn)入IDLE。

狀態(tài)6：根據(jù)上位機(jī)下發(fā)指令，進(jìn)行觸發(fā)方式配置。繼續(xù)讀取則返回狀態(tài)2，否則進(jìn)入IDLE。

狀態(tài)7：根據(jù)上位機(jī)下發(fā)指令，進(jìn)行觸發(fā)電平配置。繼續(xù)讀取則返回狀態(tài)2，否則進(jìn)入IDLE。

3.2.2 FPGA向上位機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)控制進(jìn)程(見(jiàn)圖7)

圖7 同步FIFO寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)連接

IDLE：讀事件發(fā)生，進(jìn)入狀態(tài)1。

狀態(tài)1：接收上位機(jī)復(fù)位信號(hào)，進(jìn)入狀態(tài)2。

狀態(tài)2：檢測(cè)FIFO中是否有數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入狀態(tài)3。

狀態(tài)3：檢測(cè)FIFO半滿或全滿。當(dāng)FIFO全滿時(shí)進(jìn)入狀態(tài)4。

狀態(tài)4：驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，如需繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)入狀態(tài)2，否則進(jìn)入狀態(tài)IDLE。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用LabVIEW來(lái)搭建上位機(jī)軟件通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集系統(tǒng)的增益控制、交/直流耦合選擇、采樣率設(shè)置、觸發(fā)方式選擇、觸發(fā)電平選擇等設(shè)置以及FPGA采集數(shù)據(jù)的顯示、處理和儲(chǔ)存。

利用RIGOL的DG1022函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1kHz，峰峰值是5mVpp的正弦信號(hào)，通過(guò)上位機(jī)來(lái)設(shè)置采樣率為10kHz，增益為1 000倍，直流耦合方式，并顯示實(shí)時(shí)采樣波形圖，如圖8所示。

圖8 實(shí)時(shí)采樣波形

從圖8的實(shí)時(shí)采集波形圖和表2中數(shù)據(jù)可看到，系統(tǒng)采樣結(jié)果與輸入信號(hào)具有較好的一致性，在輸入信號(hào)為5mVpp，頻率為1kHz，1 000倍增益的情況下，誤差僅為0.17mV左右。在輸入短路的情況下，我們從表中數(shù)據(jù)可以知道本系統(tǒng)的短路底噪為0.4mVpp左右，具有比較好的一致性，可以滿足實(shí)際使用需要。該方案搭建的采集系統(tǒng)具有成本低、底噪低、功耗低的特點(diǎn)，同時(shí)也具有高速、實(shí)時(shí)、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

表2 實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)