基于STM32的轴承振动测试仪的数据采集系统开发

刘超，耿也，舒奎，肖志恒

(大连工业大学信息科学与工程学院，辽宁大连 116034)

基于STM32的轴承振动测试仪的数据采集系统开发

刘超，耿也，舒奎，肖志恒

(大连工业大学信息科学与工程学院，辽宁大连 116034)

在分析轴承振动测试仪工作原理的基础上，自主开发一款适用于轴承振动测试仪的数据采集系统，控制器以STM32控制芯片为核心，轴承振动测试仪以传感器为信号输入端，通过数字滤波得到三分频结果。对比原有仪器，此系统能够降低生产成本、简化结构。

STM32芯片;轴承振动测试仪;数据采集

在机械制造领域中，轴承一直是被大量使用的零件之一，广泛地被应用于飞机、汽车、航天、轮船等行业。在确保轴承出厂质量方面，我国拟定了非常严格的标准，主要的依据有3个:国家的标准，行业的标准和企业的标准［1］。检查的项目根据重要性可分为3项:关键项目、次要项目和主要项目。主要项目中的振动检测是目前我国轴承行业技术弱项。据旋转机械的故障统计，30%的故障跟轴承有关，所以说轴承质量的好坏跟机械设备的正常运行有着紧密的联系。为了制造出合格的轴承，提高轴承质量检测技术水平特别是轴承振动测试水平显得尤为重要。

1 系统总体概述

振动监测系统的主要工作就是对滚动轴承振动信号的实时采集及处理［2］。首先对传感器采集到的信号进行调理，滤掉无用的信号得到有用的信号［3］。基于STM32芯片构成的实时信号处理系统，主要包括数字信号的处理、滤波及AD转换等［4］。轴承振动测试仪的原理图如图1所示。

图1 轴承振动测试仪原理图

轴承振动测试时，轴承在模拟实际工作状态下运行。把芯轴插入主轴孔，轴承装载在芯轴上，电机运转通过联轴器带动主轴旋转，主轴再带动芯轴旋转，这时轴承便在芯轴的带动下旋转，同时对轴承轴向和径向加载模拟力。轴承轴向和径向加载力的图示分别如图2和3所示。轴承是在模拟带载运动状态下振动，由压在外圈上的传感器收集信号。传感器送出的信号微弱，噪声混杂，经过前置处理送入芯片进行A/D转换。从传感器接收到的振动信号经过A/D转换后由主控芯片把其分成了高、中、低3个频段，由外接的3个仪表显示出来。

图2 轴承轴向加载

图3 轴承径向加载

2 控制器硬件设计

该系统选用STM32F103VET6为主控芯片，该芯片内部集成FLASH、RAM、TIMER、USART等，它是专门为低功耗和对成本要求较高的电子应用领域设计的、具备较高性价比的处理器芯片，应用领域可从低端控制器到复杂的SoC设备［5－6］。

2.1 电源模块及电压转换电路

STM32F103VET6的工作电压 (Vdd)为2.0～3.6 V。而控制器的输入电压为5 V，这里采用AMS1117将输入电压转换成CPU工作电压，电压输入、输出端分别接10 V钽电容和100 nF的普通电容。

AMS1117系列稳压器分为:有可调版及不可调电压版，而文中采用稳定输出 3.3 V的固定板，AMS1117的片上微调将标准电压调整为1.6%以内的误差，与此同时电流的限制也受到了充分的调节，来尽可能地减少由于稳压器和电源电路的超载而造成的压力。其特点如下:

(1)能够提供包括固定电压输出版本 (固定电压包括1.8，3.3，5 V)跟三端可调电压输出版本;

(2)最高输出电流可达1 A;

(3)输出电压精度高达2%;

(4)稳定电压工作范围高达12 V;

(5)限流功能;

(6)过热切断;

(7)温度范围:－20～120℃。

AMS1117引脚功能如下所示:

(1)脚:接地端，与GND 5 V相连;

(2)脚:电压输出端，接3.3 V;

(3)脚:5 V电压输入端。

其电源电路如图4所示。

图4 电源电路

2.2 看门狗电路

电压比较电路如图5所示，此电路是把MAX813L作为控制核心。PFI引脚是电源故障的输入端，也就是当输入电压小于1.25 V时，PFO的输出电平就由高变为低。选用的R42阻值是4.2 kΩ，R44是1 kΩ的电阻。依据电阻分压原理，当输入电压小于4 V时，也就是说PFI的输入电压小于1.25 V时，则PFO引脚就会产生提示信号。控制器配有0.22 F的大电容，可以起到供电作用，它可以对控制器持续供电长达1 s，在这段时间里控制器可以将需要存储的数据写入到SD卡中去。

图5 看门狗电路

2.3 JTAG仿真下载电路设计

JTAG口可实现STM32的仿真、调试、下载等功能，STM32内核集成了JTAG调试接口，JTAG调试接口提供了一个连接 AHP-AP端口的5引脚标准JTAG接口，TCK对应JTCK是测试时钟的输入端，TDI对应JTDI是测试数据输入，TDO对应JTDO是测试数据输出端，TMS对应JTMS是测试模式选择端，TMS用来设置JTAG处于某种特定的测试模式，TRST对应JTRST是测试复位端，低电平有效，RESET端接到STM32F103VET6复位端即可［7］。电路连接如图6所示。

图6 JTAG电路

ULN2804只是一个简单的反相器，内部每个输出通道都有一个二极管，二极管的正极接输出端，负极接驱动电源。

2.4 传感器的选择

在此次设计中，使用了压电式加速度传感器，其特点是具有很好的高频响应特性，所以被广泛地应用在压力、振动、加速度及位移等测量中［8］。另一方面压电式加速度传感器体积小、质量轻、频带宽 (零点几赫兹到数十千赫兹)、测量范围大 (10－5～104m/s2)、应用温度范围广 (400～700℃)，所以广泛地使用在加速度、振动或冲击测量中。

2.5 信号调理电路

STM32F103RBT6系列微处理器所带的2个18通道12位ADC转换频率最高可达1 MHz，每个通道的采样间隔时间均可独立编程设置，在通道转换期间，ADC产生DMA请求，使DMA来传输ADC转换值，提高了数据传输的效率。由于芯片自身的AD转换精度可以满足采集要求，节省了AD转换电路，只需外加信号调理电路即可把传感器的电流值转换成放大的电压值，利用AD620的高效性和准确性简化了信号调理电路，每一路的信号调理电路如图7所示。

图7 信号调理电路

2.6 A/D设计

A/D主要是把传感器传来的模拟信号转化为系统能识别的数字信号，流程图如图8所示。

此程序中完全没有使用中断，而ADC及DMA的配置工作都由用户函数ADC1_Init()完成了。配置完ADC及DMA后，ADC就不停地采集数据，而DMA自动地把ADC采集的数据转移至内存中的变量ADC _ConvertedValue中，所以在main函数的while循环中使用的 ADC_ConvertedValue都是实时值。接下来重点分析ADC1_Init()这个函数是如何配置ADC的。

图8 AD流程图

ADC1_Init()函数使能了ADC1，并使ADC1工作于DMA方式。ADC1_Init()这个函数是在用户文件adc.c中实现的用户函数:

3 结论

介绍了轴承振动测试仪数据采集系统的总体硬件结构及其功能，研发一套轴承振动测试仪数据采集的控制系统。该系统采用开放式接口以及模块化设计，解决轴承振动信号处理分析的技术问题;采用了高集成度的STM32F103VET6，从而使外围电路更简便。

【1】黄啸.轴承振动自动检测仪的研制［D］.大连:大连理工大学，2009.

【2】权建军.滚动轴承振动信号无线采集系统设计［J］.工矿自动化，2012(6):34－35.

【3】李君.基于虚拟仪器动态信号测试系统的设计［J］.机电产品开发与创新，2008(1):26－27.

【4】王林，刘书明，张静.基于ADSP-TS101S的多芯片数字信号处理系统的实现方案［J］.电子设计应用，2004 (9):56－58.

【5】ARM-based 32-bit MCU STM32F101xxand STM32Fl03xx Firmware Library User Manual，STMicroelectronics.2008.

【6】SHUHAIL M A.Direct Load Control Using Programmable Logic ContRoller［D］.King Fahd University of Petroleumand Minerals，2002:96－101.

【7】刘欢.基于DSP的电动叉车交流伺服控制系统的设计与研究［D］.杭州:杭州电子科技大学，2009:44－45.

【8】王建生.基于DSP的球磨机轴振频谱分析、监测与实现［D］.南京:东南大学，2007.

Development of Data Acquisition System for Bearing Vibration Measuring Instrument Based on STM32

LIU Chao，GENG Ye，SHU Kui，XIAO Zhiheng
(School of Information Science＆Engineering，Dalian Polytechnic University，Dalian Liaoning 116034，China)

Based on analyzing the principle of bearing vibration measuring instrument，a data acquisition system suitable for bearing vibration measuring instrument was developed independently.The controller core was STM32 control chip.The signal input of the bearing vibration measuring instrument was sensor，three points frequency was obtained by digital filtering.Comparing to original instruments，using this system，the production cost can be reduced，the structure is simplified.

STM32 chip;Bearing vibration measuring instrument;Data acquisition

TP29

B

1001－3881(2014)8－127－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.040

2013－04－04

刘超 (1987—)，女，硕士研究生，从事信息系统与系统集成方向的研究。E－mail:523750151@qq.com。