微弱振动信号采集及分析系统设计

微弱振动信号采集及分析系统设计
摘要：针对机械振动等包含低频微弱信号的振动设备，设计了一种微弱振动信号实时采集与分析系统。

该系统通过TI的DSP芯片TMS320VC5509A对微弱振动信号完成数据的实时采集并将采样数据发送至上位机，通过上位机软件对微弱振动信号进行实时的处理与分析，从而发现微弱振动信号中的一些有用特征。

实验表明该系统能够很好的绘制出低频微弱信号时域与频域波形，分析出低频微弱信号的一些不良特征，具有实际应用价值。

关键词：DSP；低频微弱信号；采集分析
一、前言
微弱信号一般指深埋在背景噪声中的极其微弱的有用信号，消息强度低，既小又弱，不易被设备接收，主要有声信号、光信号或电信号等[1]。

在机械结构的振动过程，许多微弱振动信号包含着机械运动的丰富特征信息，例如故障特征等信息[2]。

如果对机械振动信号进行采集及分析，便可以使机械设备的异常振动得到及时发现，从而有效的避免事故的发生，提高设备运行的安全性。

因此，微弱振动信号采集及分析在当今社会有着重要应用。

目前有许多针对振动信号的检测系统，但对振动信号进行分析的实时性一般较差。

本文以此为背景设计了微弱振动信号采集与分析系统，该系统可以很好的对微弱振动信号进行实时的检测与分析，用来发现振动信号中包含的一些不良
的特征。

二、系统框图与系统原理
系统的总体框图如图1所示，主要包括硬件和软件两部分。

硬件部分由前置电压放大、抗混淆滤波、A/D转换[3]，USB数据传输等几部分组成。

前置电压放大电路将被检测的微弱信号放大到适合A/D 采集的电压范围，抗混淆滤波电路滤除信号中混有的高频噪声，A/D 转换电路将模拟信号转换为适合计算机处理的数字信号，USB数据传输电路将采集到的数据发送至上位机处理。

软件部分由DSP硬件系统软件和上位机数据处理分析软件两大部分组成。

DSP硬件系统软件部分通过A/D定时触发完成对信号的采样，并且通过USB2.0接口传送至上位机。

数据处理分析软件部分可以完成信号的时域、频域图形的显示，也可以对采样数据做低通滤波、自相关、包络谱和自功率谱等变换。

三、系统设计
1、系统硬件设计
1.1、前置电压放大电路
由于本系统的数据采集信号为微弱信号，需要对信号进行前置放大。

仪表放大器是一种精密差分电压放大器，具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移、增益设置灵活和使用
方便等特点,适合作为微弱信号的前置放大器件。

为了减小放大电路引入的噪声和信号的保真度，在此使用TI公司的低噪声、低功耗精密运算放大器OPA1611和ADI公司的仪表放大器AD620构成两级放大。

前置放大电路的增益可以通过调节电阻R的阻值来设定。

具体电路如图2所示，其中Signal_Input接信号输入端，Signal_Output为放大信号输出端，VCC5接+5V电压，VCC-5接-5V电压。

1.2、抗混淆滤波电路
对模拟信号进行离散化时，采样频率fs至少应2倍于被分析的信号的最高频率f，即：fs≥2f；否则可能出现因采样频率不够高，模拟信号中的高频信号折叠到低频段，从而出现频率混叠的现象。

为了解决频率混叠现象，在对模拟信号进行离散化采样之前，通常采用低通滤波器滤除高于1/2采样频率的频率成份。

巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度，为了维护采样信号增益的平坦性，在此采用4阶有源巴特沃斯低通滤波器。

1.3、A/D转换电路
TLC2555是TI公司生产的一款高精度、微功耗、12位数模转换器。

该A/D转换器为单端输入、采用单5V供电、最大采样速率达400KSPS，可以满足低频微弱信号的采集要求。

TLC2555与DSP采用SPI通信，具体电路如图3所示。

其中AIN接待采样信号，VCC 接+5V电压，DR和CLKR分别对应TMS320VC 5509A芯片的S11
和S10引脚。

1.4、USB
2.0接口电路
USB（Unversal Serial Bus）是一种应用在计算机领域的新型接口技术，USB接口具有传输速度快，支持热插拔以及连接多个设备的特点。

USB2.0的数据传输速度理论上可以达到480Mbps，并且可以向下兼容USB1.1。

USB2.0接口可以完成本系统数据传输要求，电路如图4所示[4]。

其中USB_DET是上电检测信号，USBPU、USBDP 和USBDN分别对应TMS320VC5509A芯片的PU、DP和DN引脚。

图4 USB2.0接口电路
2、系统软件设计
2.1、硬件系统软件设计
硬件系统软件主要完成数据的采集以及通过USB2.0接口将采样数据送至上位机。

首先硬件系统软件主程序要初始化A/D的采样频率、采样点数等参数以及USB2.0设备与PC机的连接。

USB2.0设备与PC机的连接的具体过程为：当PC机检测到有USB设备连接到USB总线时，PC机向USB设备发出一系列的设备请求，获取USB 设备的一些属性，如设备支持的最大传输速率、设备接口特性、设备端点个数以及每个端点支持的传输方式等。

接着PC机为USB设备分配一个唯一的设备地址，然后USB设备便正常使用。

初始化工作完成后，硬件系统软件开启定时中断，开始数据的采集工作，当完成指定采样点数的采样后，DSP通过USB2.0接口将采样数据发送至上位机，然后硬件设备进入下一组采样。

2.2、上位机软件设计
上位机软件主要包含两大部分，第一部分是USB2.0设备驱动软件，第二部分是采样数据的实时分析及显示软件。

前者完成采样数据的接收，后者完成采样数据的分析及显示。

由于两大部分软件采用不同语言编写，因此两者之间通过进程通信中的管道完成采样数据的交换。

2.2.1、USB2.0设备驱动软件
USB2.0设备驱动程序是基于WDM（Windows Driver Module），即Win32驱动模型[5]。

WDM有两种运行模式，即内核模式和用户模式。

在内核模式下，程序的运行不受操作系统的任何限制，对I/O有完全的访问权限；在用户模式下，操作系统提供某种机制，可以限制程序的各种I/O操作。

WDM驱动程序采用了分层驱动的方式，不同层之间的驱动程序完成不同的操作，不同层之间可以互相调用，在WDM中引入了功能设备对象（FDO Filter Device Object）来描述硬件。

驱动程序的主要工作有：枚举总线上的设备、向操作系统报告总线上的动态事件、响应即插即用和电源管理的I/O请求、管理总线上的设备。

当通过USB2.0设备驱动软件使硬件系统连接到PC机后，USB2.0设备驱动软件将开启定时器读取DSP发送过来的采样数据，并且将接受到的数据送入管道，等待数据分析及显示软件的读取。

2.2.2、数据分析及显示软件
数据分析及显示软件采用CSharp语言编写，图形的绘制使用ZedGraph控件[6]，主要用来绘制采样数据的时域、频域波形。

该软件也可对采样数据做低通滤波、自相关、包络谱和自功率谱等变换，并且绘制出其波形。

数据分析及显示软件与USB2.0设备驱动软件建立连接后，将从管道中读取数据，并且可以根据用户需求绘制信号的时域、频域、低通滤波等图形，当用户结束数据读取时，软件将停止用户选择图形的绘制。

2.2.3、进程通信
USB2.0设备驱动软件和和数据分析及显示软件采用不同的语言编写，因此必须解决采样数据的实时交换问题，在此采用进程通信的方式来完成。

目前进程通信技术主要有WM_COPYDATA消息、剪贴板、文件映射、动态链接库、管道、邮槽、动态数据交换、远程过程调用、NetBIOS、Windows Sockets、COM/DCOM等[7]。

考虑到数据的交换不需要完全同步以及数据交换的速度较低等特点，在此采用管道的方式来完成。

四、结语
经实际测试表明，该系统可以很好地完成微弱振动信号的采集与分析，具有较高的使用价值。

该系统充分利用了DSP的多通道缓冲串口(McBSP)、USB等片上外设，使硬件电路设计简单可靠。

该系统还将采集到的数据保存到文本文件中，为后续的分析处理提供了方便。

此外，该系统的实现过程在数据采集分析领域中具有较高的通用性，而且该系统的算法可以完全移植到硬件设备上，实现数据采集分析系统的便携化。

参考文献：
[ 1 ] Liu Jun，Zhan Binzhen，etal. Weak Signal Detection Technology[M]，Beijing，Publishing House of Electronics Industry，2005.
[ 2 ] 李永建，李舜酩，郝青青，沈峘. 微弱振动信号自适应采集系统设计[J]. 现代电子技术，2009，(5):187-190.
[ 3 ] 童长根，郭晓宇，郑玉冰. 基于DSP的振动信号检测系统的设计[J]. 计算机测量与控制，2008，16(5):627-628，646.
[ 4 ] 赵洪亮，卜凡亮，黄鹤松，张仁彦. TMS320C55xDSP应用系统设计[M]. 北京航空航天大学出版社，2010.
[ 5 ] 於志渊，魏义祥. 基于DSP实现USB2.0高速数据传输[A]. 第11届全国计算机在现代科学技术领域应用学术会议论文集[C]. 中
国山东长岛，2003:268-271.
[ 6 ] 朱亦钢. 应用Zedgraph高效开发数据图表[J]. 电脑编程技巧与维护，2009，(12):59-61，124.
[ 7 ] 徐江峰，张战辉，杨有. 基于VC++的进程通信技术研究[J]. 计算机科学，2007，34(9)，262-264.。