磨音信号采集与处理实验系统的设计与实现

罗小燕　张方伟　肖文聪

摘 要：在实验教学中，为帮助学生更好地掌握声音信号采集与处理领域的相关知识，开发了一套磨音信号采集与处理实验系统。采用STM32F103作为主控芯片，实现磨音数据的采集与存储、快速傅里叶分析、选频段磨音能量分析、TCP通信等功能。在实验教学中重点介绍磨音采集电路、信号调理电路、上位机显示等内容。实验的综合性强，能够有效促进学生的工程能力和科研思维的发展。

关键词：磨音信号；采集与处理；嵌入式系统；TCP客户端；实验教学

Design and Implementation of an Experimental System forGrinding Noise Signal Acquisition and Processing

Luo Xiaoyan Zhang Fangwei Xiao Wencong

Abstract：In experimental teaching，to help students better master the related knowledge in the field of sound signal acquisition and processing，a grinding noise signal acquisition and processing experimental system was developed.Using STM32F103 as the main control chip，it implements functions such as the collection and storage of grinding noise data，Fast Fourier Transform analysis，selected frequency band grinding noise energy analysis，TCP communication，etc.The experiment focuses on introducing the grinding noise collection circuit，signal conditioning circuit，and upper computer display.The experiment is comprehensive and can effectively promote the development of students' engineering capabilities and scientific research thinking.

Key words：Grinding noise signal;Acquisition and Processing;Embedded System;TCP Client;Experimental Teaching

磨音是指磨機磨矿过程中磨矿介质与物料、磨矿介质与衬板、磨矿介质与磨矿介质相互碰撞所产生的声音。［1］棒磨机是利用钢棒滚动的研磨和挤压将矿石破碎的设备，在其运行时有“正常磨”“欠磨”“过磨”三种状态。［2-3］当磨机处于“欠磨”“过磨”状态时，会增加磨机无用的损耗，影响磨矿生产质量。［4］而磨音信号能量可以较好地与磨机的运行状态建立联系，［5-6］因此，开发一套适应于棒磨机的磨音采集与处理系统，对棒磨机的工业生产、提高黑钨资源的有效利用具有重要的指导意义。

本文将设计一套磨音信号采集与处理的实验系统，作为计算机控制课程的实验项目，可帮助学生更好的理解和掌握计算机控制与信号处理领域的相关知识，并提供一定的单片机硬件和软件系统设计的应用基础。

1 系统功能分析

1.1 棒磨机噪声来源分析

棒磨机声源较多，一是来自钢棒、物料和衬板间的相互撞击，一部分噪声直接透过筒体向外界传播，另一部分噪声能量通过衬板传递给筒体，使筒体受激振动产生二次辐射噪声；二是来自配套使用的电机运行和传动机构所产生的噪声；三是来自风机产生的噪声。第一种噪声是反映棒磨机运行状态的噪声，其余为干扰噪声。在磨矿过程中，当负荷较小时，钢棒与钢棒间的撞击较为频繁，磨音频率分布在中高频；当负荷较大时，钢棒与物料、衬板碰撞次数增加，钢棒间碰撞次数和冲击次数减少，磨音频率主要分布在中低频。［7-8］磨音信号的频域信息与棒磨机负荷大小存在一定的联系。因此，通过对磨音信号的采集和处理，能够有效地监测棒磨机的运行状态。

1.2 系统总体方案设计

系统主要由拾音器、信号调理电路、微控制器及其外围电路、WiFi模块等组成。将采集的棒磨机磨音信号进行信号调理后，由单片机内置的A/D转换器将电压值变换成芯片可操作的数字量，再对磨音信号进行快速傅里叶分析和声强值计算，之后使用串行通信的方式将磨音强度发送至WiFi模块，通过TCP客户端后将数据发出，完成磨音信号强度的实时显示。系统带有数据保存功能，可以及时存储磨音数据。磨音信号采集与处理实验系统总体设计框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片选取及资源分配

选用STM32F103ZET6作为主控芯片，其搭载了Cortex-M3内核，工作频率在72MHz，实时性能优秀。STM32F103ZET6具有512KB FLASH、多个DMA传输通道、多个ADC采集通道，有着丰富的外部接口。芯片内部集成了12位的模数转换器，可以较为准确地保留原始信号的信息。主控芯片的资源分配如表1所示。

2.2 前置放大电路

图2为设计的信号采集放大电路，采集磨机运行的声音使用驻极体式单指向性的拾音器，其灵敏度较低，拾音半径很小，有效地减少了周围环境噪声的干扰，适合用于采集磨机运行的声音。由于单片机AD采集的电压范围是0～3.3V，而拾音器为双极性电压输出，因此需要有一个电压提升电路，以保证输入信号的完整性，防止其出现饱和失真和截止失真。抬升电压为1.65V。

2.3 信号滤波电路

在单片机处理信号之前要对信号进行抗混叠低通滤波处理，防止高频分量信号被采样，产生频谱混叠。为此使用巴特沃斯低通滤波器滤除高频信号。由于磨音信号的频率基本在4kHz以下，设定磨音的采样率定为8kHz，截止频率f0=4kHz，由于：

f0=1/（2πRC）（1）

所以RC=3.98 kΩ·10nF。为了计算简便，取R1=R2=4 kΩ，C1=C2=10nF，R9=100 kΩ。 由各个二阶网络增益系数依次为2.61，1.89，1.337，1.038。可知R13=161 kΩ，R14=89 kΩ，R15=33.7 kΩ，R16=3.8 kΩ。滤波电路如图3所示。

3 系统软件设计

3.1 TCP通信功能设计

采用ESP8266模块实现无线通信，模块内置TCP/IP协议栈，支持AP、STA和AP+STA三种数据传输的模式，使得设备使用互联网传输数据极其方便。［9］本系统采用AP模式，以单片机作为TCP服务器，指令配置如表2所示。

3.2 TCP客户端设计

在PC本地采用了LabVIEW进行TCP客户端的设计，实现磨音数据的接收、波形显示等功能。在TCP客户端输入TCP服务器的IP地址及端口号。程序开始运行后，客户端进行初始化，等待TCP连接，按下“OPEN”按键后，系统会判断连接是否正确，如果输入错误的IP地址或端口号会导致连接失败。成功建立TCP连接后，系统会获取磨音数据，并对磨音数据的完整性进行校验，如果数据校验失败，则无法进行下一步，系统进入等待。当校验通过时，磨音数据暂存在缓冲区中，之后通过波形图表将磨音数据可视化。系统正常工作时，循环进行磨音数据的接收、校验和显示。TCP客户端设计流程如图4所示。

4 数据处理算法

4.1 基4快速傅里叶变换算法

在编写数据处理分析模块时，采用基4快速傅里叶变换，基4 FFT是将长度为N=4l的序列分解为四个短序列，将N点DFT表示为4个N/4点DFT的线性组合，然后在把N/4点DFT一分为四，表示为四个N/16点的DFT，如此重复下去，直至分解成两点DFT的运算。［10-11］基4时间采样相比基2时间采样，乘法运算量大幅减少，运算速度加快。

基4 FFT算法公式为：

软件采用“DSP LIB”中的1024点基四快速傅里叶变换，该库中使用汇编语言实现FFT算法，运算速度快、执行效率高，一次1024点FFT最快运算时间小于2ms，［12］对整个系统影响很小。

4.2 选频段磨音能量与磨音强度处理算法

由于棒磨机运行时发出的声音包含混合噪声，需要滤除与棒磨机工作状态无关的噪声信号，再通过快速傅里叶变换分析磨机工作频段的声音信号。在时域内进行信号分析，可以看出不同时间段信号是否存在联系，以传递函数的形式表征系统性能；在频域内进行信号分析，可以看出信号的组成部分，以频率特性表征系统响应性能。傅里叶变换是将信号从时域中放到频域中进行分析，而FFT算法大大减少了傅里叶变换中的乘法运算。快速傅里叶变换不仅能够直接获得一个有效信号的频域内的波形，而且能在频域特征中进行分析，获得信号的组成成分。

序列 x（n） 的傅里叶变换定义为：

现设定采样的频率为Fs，采样的点数为N，使用 FFT算法，就能确定任意采样点n的频率，公式定义表示如下：

磨音信号的能量与棒磨机的工作状态有关联性，通过计算棒磨机正常工作时频段范围内的能量，在使用声强计算公式将信号能量转为分贝值，在棒磨机运行过程中，可以获取棒磨机正常工作时的声强范围。由于磨音信号的频率基本在4kHz以下，［13］现设定棒磨机声音信号采样的频率为 8KHz，采样的点数为1024。

为了保证系统在连续采集磨音信号时，减少MCU处理数据的时间，使用了STM32F103ZET6集成的DMA，利用DMA能快速地实现磨音数据从外设到存储器的搬运工作，［14］完成FFT的数据输入，之后再根据Parseval's theorem计算磨音信号所含有的总能量。［15］

MCU处理磨音信号的总流程如图5所示。

将磨机运行的声音特征量写入FLASH，防止系统掉电清除磨机声音特征量。当棒磨机运行出现“过磨”或“欠磨”的现象，监测系统会进行相应的判断，并做报警提示，如图6所示。

5 磨音监测实验

系统运行程序后，将首先配置好WiFi模块的相关参数，建立TCP服务器。在TCP客户端输入服务器的IP地址和端口号，按下OPEN按键，单片机与上位机建立无线数据通信。此时，单片机不断采集磨音信号，将磨音信号以txt的格式存储在SD卡中，同时MCU进行数据分析处理，计算选频段的声音能量并转换为声强值，通过WiFi模块将磨音强度传输给上位机软件并进行实时波形显示，如图7所示。

6 结语

基于单片机的棒磨机磨音采集与处理的实验系统，分析了棒磨机的磨音能量与其运行状态之间的联系，进行了系统功能设计与实现，通过信号调理电路及主控电路的分析处理，获得了棒磨机的磨音强度，并实现了与TCP客户端的通信，将磨音强度实时传输给客户端并进行波形显示。通过该实验系统的操作与控制，有助于学生理解掌握信号采集与调理、快速傅里叶分析、无线通信等方面的原理和知识。实验系统以实物为对象解决实际问题，锻炼了学生分析和解决工程问题的能力，为计算机控制课程的实验教学与研究提供了一个低成本、有交互、直观性的实验平台。

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（责任编辑 郭晓勇）

收稿日期：2023-05-07

基金项目：江西省教育厅科学技术项目（GJJ200827）；江西省大学生创新创业训练计划项目（S202110407026）成果。

作者简介：罗小燕（1967-），女，江西赣州人，教授，研究方向为机电系统智能监测与控制。