STM32与振动监测

1万 · 2019-5-5 14:59

功率谱模块会利用自身集成的快速傅里叶变换算法，分别计算出每一路振动波形的
多阶频率并保存波形数据，通过入队列和出队列的方式形成系统化模式，达到对简支梁
振动频率分析的目的，实时的振动数据参数会在波形图中分析显示出来，通过对多路的
同时测试，能较好地测试出简支梁的多阶振动状态。
在producer环节(图4. 10所示)中，为了防止振动测试多路之间干扰的问题，程
序加入了“采集完成”的标志，当四路的数据全部完成采集后，数据才可以执行进队
列的操作，如图4. 11所示。

1万 · 2019-5-5 15:03

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信号采集中的误差有一部分来自于系统采集简支梁振动信号时，由于干扰产生的误
差，主要包含噪音干扰、自身振动干扰、毛刺信号干扰、电路的环路信号干扰等等。除
了电信号的干扰，其余的干扰源都可以通过滤波方式消除，由于某些电信号的频率响应
特性不同，不可以通过滤波电路消除掉，因此频域图谱中，可见到多余的干扰电信号，
虽然这种信号产生的误差相对较小，但也不容忽视，应保证振动测试工作在安静稳定的
环境中进行，结合上位机软件LabV工EW中的滤波器，例如:巴特沃斯滤波器、切比雪夫
滤波器、反切比雪夫滤波器、elliptic滤波器、Bessel滤波器〔31, 32 ]0
信号采集中的误差还有一部分来自于振动测试系统AD转换精度不够而产生的误差
和下位机向上位机传输数据不稳而产生的误差，属于随机误差，这种误差产生的可能性
也相对较小，应保证采集系统的高稳定性和高精度性。

1万 · 2019-5-5 15:16

振动信号程序处理中的误差是在系统程序(同时包括下位机和上位机的程序)设计中，对测试信号通过公式的非线性变换处理所引起的。由于电路设计精度的不足，信号
在AD转换过程中，在不同的时刻数值都会有微小的变化，需要对采集的数据运用公式
变换，使其标准化线性输出。
测量计算中的误差是人为误差，是在测试简支梁物理参数时，人为读数差异造成的，
由于测试工具的误差和估读位数的不同以及选取有效数字位数的不同，都会造成最后理
论值的误差，应使用标准精度的测量工具，保证人工读数的准确性，而且在公式的推导
计算中，保证在最后一步的结果计算中再取约数值。

1万 · 2019-5-5 15:16

1万 · 2019-5-5 15:16

本测试系统是在总结和参考前人的理论计算、测试研究结果的基础上，结合了现代
的嵌入式技术和虚拟仪器技术，而开发设计的振动测试实时分析系统。搭建了简支梁振
动测试的实验台，设计了以STM32微处理器为核心的数据采集板(硬件系统)，开发了
以LabV工EW为基础软件的振动测试实时分析系统软件(软件系统)，并实现了硬件系统
和软件系统的通讯，准确的测试出了简支梁的前三阶固有频率，达到了预期的目的。在
此对简支梁振动测试实时分析系统做一下总结:
   (1)利用了高集成度ARM内核技术。硬件平台采用STM32微处理器为硬件核心，
自主研发了以STM32微处理器为核心的USB通讯数据采集和传输系统，作为振动信号采
集与传输的设备，具有测试性能稳定、自动化程度高等优点。本设计的硬件配置还可以
用于其他工程振动测试中去。
   (2>利用了图形化的编程软件LabV工EW。在振动测试和采样理论的基础上，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，自主设计了以LabV工EW内置模块
为核心的波谱分析程序，实现了波形数据的复现，并测试出了简支梁的前三阶固有频率，
到达了对简支梁振动参数实时分析的要求，此上位机软件可以用于其他的频率测试分析
系统中去。
   (3>采用模块化设计。系统中数据采集部分、信号处理部分、时域和频域分析部
分都充分地利用了硬件和软件的高集成内置模块，使系统更简易化、更系统化、更经济
化、更智能化，这使得系统的二次开发更容易。
虽然基于STM32振动测试实时分析系统的开发己基本达到了预期的目的，并取得了
一定的成果，但在技术方面还存在了许多不足点，因此对系统做了更深一步的研究和展
望:
   (1>微处理器的升级。随着采样点数的增加和采样频率的提高，对振动波形的复
现更准确。处理器的工作频率可升级到PC机的工作频率(GHz)，使数据采集速度和转
换处理速度有进一步的提高。
   (2)控制方式的扩展。本系统开发的硬件(数据采集板)受上位机的控制不多，
在系统的功能扩展中，可以加入上位机对下位机睡眠模式、自动掉电模式、自动重启模
式的控制。
   (3)虚拟软件的扩展。使模块化程序更完善，创建多层子V工模块，使子V工模块
程序调用更方便，系统的扩展开发更容易;加入快速滤波程序，进一步提高抗电磁干扰
的能力。
   C4)数据处理系统的升级。实现系统振动测试的高自动化控制功能，提高桥梁振
动测试工程的自动化检测水平，引入数据库技术，管理大量测试数据，构建基于数据库
的测试系统。