STM32与振动监测

    振动是机械设备运行中常见的问题，随着工业技术的发展，对机械设备提出了微振
动、低噪音的要求，设备的结构也要求有比较高的抗振能力，因此要进行机械结构的振
动分析，改善设备的抗振性能。这就需要对机械结构的振动强度、频率及动态响应特性
等因素进行测试分析，以便了解设备的振动状态，寻找出振源，进而采取合理的减振措
施。
    系统以简支梁为振动模型，对其进行分析，首先进行了理论计算，得出了简支梁的
前三阶固有频率，为振动测试实时分析系统做了理论上的准备。
    振动测试系统由三大部分组成:传感器、数据采集板和上位机。传感器采用的是压
电加速度传感器，二线制，DC4-20mA信号输出;数据采集板硬件采用了以32位的ARM
cortex-M3为核心的STM32F103系列微处理器，采集板主要包括信号调理、AD采样和信
号传输等单元;上位机采用美国NI公司开发的虚拟仪器LabV工EW软件为平台，利用其
可视化的图形编程方法编写了振动测试系统软件，结合M-V工SA节点和标准USB2. 0协
议，与数据采集板通过USB进行通信，形成了基于STM32的振动测试实时分析系统。
    系统将传感器输出的电流值信号，经电流至电压的转换处理，送往仪表放大器AD620
进行信号放大，经微处理器AD采样转换，利用USB总线将数据传输到上位机进行分析。
论文对简支梁进行了振动测试，利用所开发的系统对简支梁振动实验数据进行了处理，
给出了时域和频域的图形显示及前三阶固有频率的测试结果。

    机械振动是指物体在其稳定的平衡位置附近所做的周期性往复运动，运动物体的位
移、速度、加速度等物理量都是随时间在其平均值上下交替重复变化的。机械振动是自
然界普遍的现象，有的振动是由机械结构自身原因引起的，有的是由外界干扰引起的。
研究机械振动理论对于设计制造安全可靠和性能优良的机器、仪器仪表、建筑结构以及
交通运输工具，有效地抑制、防止振动带来危害具有重要意义〔1]0
    机械振动测试的核心内容是对所研究对象的位移、速度、加速度以及激振力等信号
进行测量，对动态信号进行时域和频域的分析。为了获得被测对象的振动状态参数，可
以对系统进行激振实验，拾取被测对象的响应信号，再进一步分析处理。典型的振动测
试系统框图如图1.1所示。

    振动测试实时分析的目的是通过采集原始信号，对所研究对象的振动参数进行测
量，测试分析出物体的振动形变规律、振动强度及振动的固有频率，对测试的信号进行
深层的处理分析，获得研究对象在多种工况下运行状态的不同振动特性，为工程建设提
供理论参考，确保所设计制造的设备、建筑等，在工作载荷作用下，能承受外界振动干
扰和自身振动的影响而不受损害，达到预定寿命，判断其动态特性是否符合设计的要求。
振动测试实时分析系统在近代工程领域中有着广泛的应用，其主要应用包括:
    y车辆船舶、工程机械等设备在工作过程中，由于质量不平衡等原因而产生自振
现象，或受到外界的激励而产生受迫振动现象。对设备结构或工业建筑进行多种振动检
测，考核其承受振动的能力，己成为现代工程项目中不可缺少的环节。
    (2)实际设备的零部件繁多，结合面形状复杂，理论计算时需要做大量简化假设，
通过建立粗略的模型，用振动测试的方法求得系统的动态特性参数，进而建立或修正力
学模型。
    (3)现代化大型系统(如海上平台、大型汽轮发电机组、航天飞机等)经常在高转速、
大负荷、高压高温或高真空等恶劣条件下工作，因此可以利用振动测试方式，对设备进
行在线的监控或故障的诊断，避免造成巨大损失。
    (4)大型自动化机器的生产，如压路机、给料机、打夯机、输送机、动平衡机和激
振设备等，为了提高工作效率和改善结构设计，需要进行大量的振动测试工作。
    (5)在某些情况下，振动会影响人们的生活，如常见的晕车、晕船现象，是由于低
频振动引起的，通过研究振动传递的特性，设计出减振、隔振的座椅、驾驶舱等，可以
为航空航天和军事技术领域提供有利帮助。
    振动测试在工程建设中具有重要意义，简支梁在工业中应用普遍，据统计，简支梁
约占桥梁的90%。大跨度的简支梁在负载等作用下(如车辆)，若负载振动频率与简支梁
固有频率相近时，容易产生共振，对简支梁危害很大，因此分析简支梁的振动频率，采
取措施避免共振，具有现实意义。基于STM32的振动测试实时分析系统以简支梁为模型
进行了振动测试分析，采用了USB接口方式进行数据传输，结合虚拟仪器技术中可视化
编程方法和完善的频谱算法模块，可以较好地进行振动参数的分析〔6, 7, 8]0

    为了在理论和实验上进行振动分析，开发了基于STM32的振动测试实时分析系统，
本测试系统硬件连接简单，数据传输速度快，对被测信号的复现准确，系统的振动特征
显示清晰、直观。测试系统由传感器、ARM芯片采集卡、上位机分析软件组成。
    振动测试系统的设计开发重点是:
    (1)下位机的设计与调试:
    在下位机设计中，利用芯片内部的AD转换模块，进行四通道输入输出的电压精准
比较转换。保证USB的稳定传输，将采集的数据实时传输给上位机。
    (2)上位机软件的设计:
    在上位机软件设计中，要保证信号的实时分析处理，实时接收下位机上传的数据，
去除干扰信号，反映出振动的波形，分析出振动的多阶频率。
    系统设计的创新点是采用了以ARM架构为核心的高性能高集成度处理器芯片，其内
部集成了AD转换和USB传输等功能模块，减少了外部电路开发的繁杂性;芯片内部DMA
模块的应用，减少了CPU的占用率，可以使要传输的数据不经过CPU处理，直接实现外
设到外设的传输。上位机采用了可视化LabV工EW软件对采集数据进行实时的分析处理，
通过M-V工SA可方便简洁地开发上位机的驱动文件，达到数据稳定、高速传输的目的。

    振动测试系统的工作原理为:对简支梁施加一个瞬态激振力后，简支梁产生受迫振
动被加速度传感器识别，系统将传感器输出的电流值信号(DC4mA-20mA)经信号调理电
路转换成电压(DCO. 4V-2V信号，然后将调理后的电压信号送给处理器内部AD转换模
块进行数值转换，通过DMA模块和USB模块将数据储存在发送缓冲区中，传输到上位机
处理分析，上位机利用虚拟仪器LabV工EW软件和N工一V工SA软件进行数据的实时接收，对
简支梁的振动频率进行分析，测试的频率范围是在OHz到500Hz之间。
    振动测试系统的总体结构主要包括四大部分:
      (1>数据采集部分:压电加速度传感器采集到简支梁的振动信号，通过调理电路
将电流值进行电压的变换、放大、滤波以及单位转换等变换;
      (2>数据转换部分:将调理后的信号值，进行处理器的AD转换，等待数据传输。
      (3)数据传输部分:将AD转换后储存在DMA中的数据，不断通过USB打包传给上
位机，通过配置USB2. 0协议，系统自动进行数据传输校验，使传输简单、稳定。
      (4)数据分析部分:上位机不断地接收实时数据，将有振动波形的一段数据单独
分析，显示出实时的波形，分析出振动的多阶频率。

    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1MHz,
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既可把传感器的电流值转换成
放大的电压值，利用AD620高效性和准确性来简化了信号调理电路，每一路的信号调理
电路如图3. 2所示。

    端子工NO连接传感器输出的接线端，将传感器输出的4mA到20mA信号通过取样电
阻1Rzz转换成0. 04V到0. 2V的电压值，将AD620的1脚和8脚之间的电阻调整到接近
5. 49k }2，利用TL431元器件稳压的特性，设置芯片AD620的5脚的偏置电压为零，就
可以使芯片AD620输入端的电压放大10倍至0. 4V到2V的电压值，由ADCO+端输出给处
理芯片。在微处理器的管脚入口端增加了两个二极管1D，和1D2，可以起到保护处理器端
口的作用。
    信号调理电路中采用了RC串联电路低通滤波形式对信号进行了滤波，由于简支梁
振动的频率在500Hz之内，所以可以滤除高频信号，减少信号的干扰〔14]。电阻1R0,  1R1,
1R5选取100，电容1C2,  1C3,  1C5选取1 u Fo

    在STM32F103RBT6系列微处理器的USB模块中，为了提高采集的效率和准确性，在
RAM的内存地址中开辟了4KB的空间作为数据缓冲区，同PC机通信，根据USB协议规范
完成令牌分组的检测、数据发送、接收的处理以及握手分组的处理。整个传输的过程由
硬件自动配置完成，包括CRC的生成和校验〔15]0
    由于芯片内部集成了USB传输模块，使系统无需外扩USB通讯芯片，简化了外部USB
接口电路，直接连接USB接口器件既可达到数据高速传输的目的，完成数据实时传输的
功能，降低了硬件开发的复杂度和成本。
    通过在USB接口电路周围增加电阻和电容的方式，来降低外部信号的干扰。为了防
止USB上电枚举过程发生错误而无法识别USB设备，在微处理器端口增加了USB EN(使
能)控制端，来优化下位机与上位机的初始化通讯过程，USB接口电路如图3. 3所示。

    振动测试实时分析系统的主要功能是通过应用软件来实现对振动测试信号实时分
析与处理的。系统的应用软件是在LabV工EW8.6平台上采用了结构化和模块化编程的基
本思路开发的。软件系统由两大部分组成:信号波形数据实时采集部分和波形数据实时
处理分析部分。波形数据实时采集部分主要是实时接收下位机采集的振动数据;波形数
据实时处理分析部分主要是对振动测试信号进行时域分析和频域分析，实时反映出不同
时刻简支梁的振动状态，分析出简支梁振动的固有频率。

    利用N工一V工sa实现了上位机与下位机的通讯后，上位机时刻对接收的数据进行处理。
振动波形的复现是系统数据处理最基本的要求，这样才能完成后面的频谱分析及其他参
数的分析。无论简支梁有无振动，下位机都是时刻有数据传输给上位机的，上位机接收
振动和非振动的波形数据后，实时显示简支梁的振动状态。
    因为简支梁受外力作用产生的受迫振动是实时的，振动状态只是瞬间存在的，所以
为了更好地分析频谱特性，要将有振动状态时刻的波形抽取出来，在时域图中显示出复
现的波形，在频谱图中显示出多阶固有频率，软件总体设计的系统流程图如上图所示。

    根据连续系统受迫振动的特点，制定了波形显示的方法，首先需要对波形振动起始
状态和振动结束状态进行判断。
    振动起始状态是简支梁产生受迫振动时刻的状态，如图4. 7所示，在简支梁无振动
状态时，系统采集的数据一直在一3到3之间波动，当突然有大幅度的振动时，数据会超
出这个区间，振动起始标志被置1，说明振动状态开始，系统的每一路开始连续采集1024
个数据，存储在数组中，采集完的四路数据同时进入队列中，在consumer环节中出队
列分析处理。

    振动结束状态是简支梁振动完全消失时刻的状态，如图4. 8所示，系统每一路采集
完1024个数据之后，采集完成标志被置1，然后系统会自动判断振动完成与否，若有连
续50个数据的平均值在一3到3之间，振动结束标志被置1，说明振动状态结束，简支
梁恢复相对静止的状态。

    数据的分析处理部分是在LabVIEW软件内置模块producer-consumer模式基础上，
建立的数据处理分析系统，在producer环节不断的接收下位机采集的波形数据，采集完
成后传给consumer环节进行频谱分析，consumer环节系统框图如图4. 9所示，producer
环节系统框图如图4. 10所示。