振动信号同步采集系统的设计

郭庆 胡文俊 徐翠锋

摘要：基于单片机控制技术，设计了一种基于压电传感器的四通道振动信号采集系统。系统采用了PVDF压电薄膜传感器采集振动信号，采集到的振动信号通过调理电路转换成电压并放大，调理后的四路信号输入到采样保持电路、模拟开关电路，最终由STM32F103ZET6单片机控制信号的采样和A/D转换并通过USB串口将数据传输到上位机。由上位机实时显示振动信号的波形以及通道的选择、切换。该系统具有成本低廉、操作简单等特点，可以灵敏的采集到振动信号并直观的在上位机实时显示。

关键词：PVDF压电薄膜传感器;振动信号;同步采集

中图分类号：TP212        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）20-0255-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Based on the control technology of single chip microcomputer， a four-channel vibration signal acquisition system based on piezoelectric sensor is designed. The system adopts PVDF piezoelectric film sensor to collect vibration signal. The collected vibration signal is converted into voltage and amplified by the conditioning circuit. The four signals after conditioning are input to the sample-and-hold circuit and the analog switch circuit， and finally the signal is controlled by STM32F103ZET6 single-chip microcomputer. Sampling and A/D conversion and transfer data to the host computer via the USB serial port. The waveform of the vibration signal and the selection and switching of the channel are displayed in real time by the host computer. The system has the characteristics of low cost， simple operation， etc.， and can collect the vibration signal sensitively and display it in real time in the upper computer.

Key words： PVDF piezoelectric film sensor; vibration signal; synchronous acquisition

振动在人们的工作、生活中随处可见，振动信号在地质勘测、地震监测、机械检测等领域上则尤为重要。随着科学技术地不断发展，人们对振动信号的认识更加深入，对振动信号采集的研究则提出了更高的要求。

振动信号采集与分析技术是机械动力学和电子技术相结合的一门崭新的学科，是机械动力学工程应用的一个极为普遍的方面[1]。在工程设计上既要考虑采集装置的灵敏度、稳定性、便捷性等问题，也要考虑其价格、成本、体积等因素。有时候为满足某些特殊场所的要求，人们对采集装置的实时性也有很高的要求，往往需要将采集到的振动信号实时传输到PC机上并直观地显示出来。

目前大多数的振动测量系统便携性比较差，体积大，不便于在工业现场灵活使用[2]。振动信号的采集在军事、工业生产、地震监测中尤为重要，设计出一款便携式、灵敏度高、稳定性好且性价比高的振动信号采集装置既能满足大多数采集振动信号的要求又能有效填补市场的空缺。所以本次设计的四通道振动信号同步采集装置具有投入市场使用的光明前景[3]。

1 系统的工作原理

振动测量节点由振动测量模块、振动信号采集模块组成[4]。硬件电路是四个通道的PVDF压电薄膜传感器分别对应四个通道的电荷转换电路、电压放大电路、采样保持电路。四通道传感器拾振后输出的振动电荷信号经过电荷转换电路转换成电压信号，此时的电压信号电压比较小，需经过电压放大电路将电压信号放大，放大后的四路信号分别进入四路采样保持电路。四路采样保持电路对输入的信号每隔一个时钟周期进行一次采样保持。四路采样保持电路对输入的信号采样保持后将信号输出到模拟开关电路，模拟开关电路与STM32单片机连接，由单片机通过控制模拟开关来实现电路的切换、选择。最后采集到的模拟信号通过单片机的内部A/D将模拟信号转换成数字信号，A/D转换完成后通过单片机USB串口将振动信号数据发送到上位机显示。系统工作原理如图1所示。

2 系统硬件电路设计

2.1 复位电路

复位电路为STM32F103ZET6单片机的内部上电复位电路。上电复位是指在单片机在刚通电的一瞬间，各个模块的电路电压未处于一个正常、稳定值的情况下，单片机的运行会出现错误，所以在单片机上电时使用上电复位电路来让单片机正常运行。此电路是低电平复位的，其中由R3、C12构成了上电复位电路，通过按下复位按钮RESET来复位单片機。其复位电路如图2所示。

2.2 晶振电路

晶振电路为STM32F103ZET6单片机的晶振电路。晶振电路中的反相器位于单片机内，通过外接晶振、电阻、电容等元器件构成振荡电路。通过电容、电阻、电感的串联可以等效为理想的晶振电路，当经过晶振电路的信号频率与晶振的特征频率相似时，此时晶振所表现出的阻抗就会非常小[5]。其晶振电路如图3所示。

2.3 调理电路

调理电路由电荷转换电路和电压放大电组成。PVDF压电薄膜传感器用插座与调理电路连接。由于电荷传输容易被周围的工频50Hz信号干扰，PVDF压电薄膜传感器与调理电路之间的导线应尽可能短。该调理电路和传感器组合在一起构成前端电路。将四个传感器与四路调理电路分别连接后用铜柱与螺母固定在振动采集板上。其中考虑到外部振动对调理电路电路板以及板上元器件易造成松动的因素，故将调理电路单独做成四路电路板，分别对四路传感器输出信号进行处理，并且将调理电路电路板面积尽可能得设计小，提高振动采集装置的便携性。调理电路图如图4所示。

由于PVDF压电薄膜传感器输出微弱电荷信号且输出阻抗高，因此采用Q/V转换电路作为调理电路的输入级电路，该电路将PVDF压电薄膜传感器采集到的电荷信号转换成电压信号，同时将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出。电荷转换电路选用AD822运算放大器作为核心。电荷转换电路如图5所示。C5作为电荷转换电路的反馈电容[Cf][Rf]，R7作为电荷转换电路的反馈电阻[Rf][Rf][6]。其中反馈电容[Rf][Cf]折合到运算放大器输入端的有效电容[C'f]为：（A为运算放大器的开环增益）

2.4 采样保持电路

LF398是一款反馈型采样/保持放大芯片，在目前的电子工程应用开发中比较流行，它由场效应管构成，具有精度高、采样率高、保持电压下降慢等特点。，经过调理电路处理后的振动信号由P16输入到采样保持电路，经过采样保持后从P18输出。由调整1K欧姆电位器R8和VCC+的分压实现对失调电压的调整。其中C6作为电路的保持电容[7]。采样保持电路如图6所示。

2.5模拟开关设计

模拟开关模块设计如图7所示，X0、X1、X2、X3分别是四路采样/保持电路的输出端。引脚9、10、11接单片机的I/O口，通过单片机控制A、B、C控制输入端来实现通道的选择、切换。引脚3作为信号输出端与单片机相连。

3 采集装置软件设计

3.1 单片机程序设计

该系统以单片机STM32为控制核心。程序开始运行后进行系统初始化，初始化完成后接收由上位机返回的选择通道数量值a，通过判断a的值来确定进行A/D转换的通道数。接下来对所选择的通道进行A/D转换。最后将A/D转换后的电压值通过串口发送到上位机。本设计通过设置定时器来确定采样的频率，即每隔一个由定时器设置的时间周期就对四路所采集到的信号进行一次采样保持操作。

分析单片机的采样原理，本设计使用了单片机的通用定时器，通过控制定时器的中断溢出时间来实现定时采样。每次的定时中断完成后判断时钟的中断类型，在中断类型正确的情况置标志位为1。单片机程序流程图如图8所示。

本次设计使用的是STM32的内部A/D通道1。程序初始化完成后后开启A/D时钟并复位A/D，对A/D的全部寄存器重设为缺省值后设置A/D的分频因子。设置完A/D分频因子后对A/D的参数进行初始化。并开始使能A/D转换器，并对ADC1执行复位校准和ADC1校准。校准完成后，在A/D初步准备好后，开始设置规则系列1的通道、采样顺序以及采样周期。设置完成规则序列后使能软件开启A/D转换，使能指定的A/D软件转换启动功能开启转换之后，就可以获取A/D转换后的数据了。同时在A/D转换的过程中，要根据状态寄存器的标志位来获取A/D转换的各个状态信息，以及判断AD转换是否结束[8]。

3.2 上位机设计

本设计中使用LabVIEW作为上位机开发环境。上位机运行开始后首先进行程序的初始化，初始化完成后选择通道[9]。接着通过VISA读取函数读取下位机发送的数据，读取的数据经过搜索拆分字符串函数、截取字符串函数、字符串转数值函数后成为四路体现振动信号的电压值，最后通过捆绑函数捆绑四路信号并发送到波形显示器显示信号波形[10]。上位机流程图如图9所示。

4 实验测试

系统在一个相对平稳的信号采集环境，将振动信号采集装置各个模块级联并正确接上电源，检查各个模块信号灯是否正确发光以及电源输出电流电压是否正确。硬件电路各模块正常运行后打开上位机软件，选择数据通信的串口，设置对应的串口波特率、停止位、傳输字节数，点击运行按钮[11]。上位机返回数据窗口显示接收到的四个通道的电压信号，波形显示器出现四个通道电压的波形。

在无振动情况下，发送到上位机上四个通道的电压基本稳定在2.2V。波形显示器四个通道的波形基本重叠，可以直观地看出是一条平稳的直线。无振动信号波形如图10所示。

在有振动的情况下，发送到上位机上四个通道的电压会出现0～3.3V范围之间的跳动。波形显示器四个通道的波形出现直观的上下跳动，振动的幅度越大，波形跳动的幅度也越大。有振动信号波形如图11所示。

5 结束语

本文将单片机控制技术，设计了一种基于压电传感器的振动信号采集系统。实现了对震动信号的实时采集并在上位机直观地显示波形变化。并能根据需要任意选择、切换通道。因此本振动信号采集系统可以基本满足对振动信号的采集要求。

本系统可以实际运用到工业、军事领域，在不失性价比的前提下选择更换灵敏度更高、精度更好的传感器，再对硬件电路各个模块进行整合，缩小采集装置的占地面积和体积，提高装置的便捷性。

参考文献：

[1] 黄孟波.基于单片机网络的振动信号的采集系统[D].江苏：江苏大学，2006：22-28.

[2] 张徐生.便携式测振仪的研制[D].北京：华北电力大学，2008：8-14.

[3] Yan P， Deng Y. New seismic transducer for health monitoring of civil structure[C].  Proc. 18th IMAC， SEM. USA， 2000.149 1-1495.

[4] 吴远方，陈光柱，周江伟，宋雨菲.基于MEMS传感器的无线振动测量节点设计[J].仪表技术与传感器，2017（01）：110-114.

[5] 齐建民.基于虚拟仪器技术的电源自动测试系统[J].黑龙江工程学院学报，2010（4）：63-66.

[6] 樊春玲，李志全.一种新型电荷放大器的设计与研究[J].传感技术学报，2000（4）：297-302.

[7] 陈尚松，雷加，郭庆.电子测量与仪器[M].北京：电子工业出版社，2005.

[8] 康华光.电子技术基础数字部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[9] 朱焱丹，廖俊必，何子牛.基于LabVIEW的机器视觉系统的标定[J].中国测试，2009（6）： 54-56.

[10]  王凡，潘克修，陈万雨，赵新璧，陈普跃.基于NI VISA的仪器驱动设计[J].电子技术，2007（2）：37-40.

[11] Shan Shan Tang，Chao Kun Wei; Design of Monitoring System for Hydraulic Support Based on LabVIEW[C]. Advanced Materials Research，2014： 2758-2760.

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