108传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2019年第38卷第11期
DOI ： 10.13873/J. 1000-9787 (2019) 11-0108-03
*收稿日期：2018-09-27
*基金项目：国家自然科学基金资助项目(61170060)
蔡俊，陈晓烽，吴思汉，隋翔龙
(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232000)
摘要：设计了一种电机振动信号采集检测系统，通过传感器将位移信号转换为电流信号，将电流信号转 换为±4 V 电压信号；并采用MAX295作为低通滤波器，滤除采集系统的高频分量;AD7606芯片将采集到 的数据传给主控芯片STM32F429，并设计了系统软件。STM32可通过输岀脉宽调制(PWM)波控制 AD7606的采样频率，软件实现了数据的实时传输与保存，以及信号频谱与相关参数在屏幕上的实时显示。 测试结果表明：设计的采集系统具有实时、可靠的优点，能够有效测量电机振动信号。
母线夹关键词：电机；振动信号采集；信号调理；STM32F429芯片
中图分类号：TP274； TP212 文献标识码：A 文章编号：1000-9787(2019)11-0108-03
Motor vibration signal acquisition and detection
system based on STM32 *
CAI Jun , CHEN Xiaofeng , WU Sihan , SUI Xianglong
(School of Electric and Information Engineering ,Anhui University of Science and Technology ,Huainan 232000,China)
Abstract : A motor vibralion signal acquisilion and detection system is designed. The displacement signal is
transformed into current signal by the sensor , convert current signal into ±4 V voltage signal. And the MAX295 is used as a low-pass filter to filter out the high-frequency component of the acquisition system. AD7606 chip
管形母线
transmits the collected data to main control chip STM32F429 ・ And the system software is designed ・ The output pulse width modulation ( PWM ) wave of STM32 can control the sampling frequency of AD7606. Software not only realizes the real-time transmission and storage of data but also realizes the real-time display of signal spectrum and
related parameters on the screen ・ Test result shows that the acquisition system is real-time and reliable.
Keywords : motor ； vibration signal collection ； signal modulation ； STM32F429 chip
0引言
当今，电机在民用、军事和工业领域都有广泛应用。据 统计，全国使用的电机就有2000万多台，电机损坏维修的
费用就高达32亿元左右，而由电机故障导致的安全事故、 工厂停运造成的损失更加巨大“。电机在运行过程中往
往伴随着不同程度的振动，对采集到的振动信号进行时域、 幅值、频域和小波等分析可以实现电机故障诊断⑵。而采
集过程中的噪声、数据精度和采集实时性都直接影响着电
机故障诊断结果，甚至会导致故障误报或不能及时报警。
一般的电机振动信号采集系统体积大、成本高，加上电机安 装的环境恶劣，空间小。所以需要一种精度高、实时、便携 并能有效滤波的多通道电机振动信号采集检测系统。
本文设计了一种四通道电机振动信号采集检测系统, 该系统设计了信号调理电路，采用支持16位分辨率的
AD7606芯片，保证了系统的高精度。STM32F429的高性能
保证了快速运算与传输，不仅实现实时地在屏幕上显示通 道数据频谱图及相关参数，便于工程师对故障的初步判断;
还能快速地把数据保存到SD 卡和上传到上位机。该系统
具有成本低、体积小等优势。
1总体结构设计
设计系统总体框架为：传感器模块采用电涡流传感器, 把位移信号以电流的方式传送给信号调理模块。信号调理
路网密度
模块中RCV420芯片把4~20 mA 电流转换为0~5V 的信
号，差动放大电路把信号转换为-4~4V 。隔离放大电路完
成其前后部分电路的电气隔离，系统的抗干扰性更好。信
号调理模块还包括MAX295，滤除系统中的高频干扰。其 后信号送入A/D 转换芯片AD7606，控制模块芯片
STM32F429通过SPI 接收来自AD7606的数据，数据缓存
在SRAM 中，并对数据FFT 和相关参数计算，将频谱图与 参数显示在屏幕上。该控制芯片具有DMA 功能，在不占用
第11期蔡俊，等：基于STM32的电机振动信号采集检测系统109
CPU的情况下把数据传到上位机和SD卡中，实现数据的实时快速地传输。
2硬件电路设计
2.1电涡流传感器
电涡流传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高、线性范围大、抗干扰能力强、性能稳定、不受油污等介质的影响等优点，被广泛运用于旋转机械振动故障检测中3。本系统采用的电涡流传感器型号为ZD-260，正常工作温度在-40-80防护等级为IP68。该传感器输出电流信号，输出电流范围为4~20mA o选用电流输出的方式可减少环境对信号的干扰，增长了可传导距离。
2.2信号调理电路设计
2.2.1I/V转换电路设计
为了便于滤波与A/D转换，系统采用RCV420将4~ 20mA的电流信号转换为0~5V的电压信号。该芯片不仅可靠而且成本低，转换精度为0.1%，共模抑制比可达86dB，共模输入信号范围为±40V⑷。
2.2.2差动放大电路设计
芯片MAX295在双电源供电为±5V时，最佳信号输入范围为_4~4V。输入电压如果超出此范围值，总谐波失真与噪声会大大增加⑸。
因此，设计了差动运算放大电路把RCV420输出的0~ 5V电压转换成一4~4V。电路中选择OP07作为运算放大器。原理图如图1,TI431给予差动放大电路2.5V的基准电压。
取=2?2，人3=人4，且人4：人2=8：5时，可得
电路的放大倍数
‘R1+R35,} a=r^r；'~r T=T(1)
吆严4(人一2.5V)(2)
图10~5V电压转换成-4~4V原理
2.2.3隔离电路设计
为防止系统或装置间的压差问题⑹，在每个采集通道中加入隔离电路，采用ISO122对电路进行电气隔离，进一步减小干扰。
ISO122是一种精密的电容隔离放大器，通过两个1pF 的电容进行隔离,ISO122需要本系统中±12V电源供电，其最大非线性度仅为0.02%⑹，以及50kHz的信号带宽能满足本系统的要求，设置隔离电路增益为lo
数字媒体播放系统2.2.4低通滤波电路设计
本系统采用的电涡流传感器频率响应范围在0Hz~ 10kHz，采集到的模拟信号中常混有高频分量干扰，需要滤除10kHz以上的高频分量。MAX295是一种8阶Butterworth型低通滤波芯片，具有非常平坦的通带响应以及较快的通带边界下降速度。
该芯片的可调截止频率范围为0.1Hz~50kHz，其截止频率由CLK引脚输入的外部时钟频率来设置，时钟频率与滤波器截止频率之比为50:10当然也可以在CLK引脚外接一个高精度电容C10来设置内部时钟频率。时钟频率Tosc(kHz)与电容值Cose(PF)有关系如下
in5
/osc=—(3) oo0SC
根据系统传感器的频率响应最大值为10kHz，设置滤波器截止频率10kHz。则所设置的内部时钟频率/°sc= 500kHz,Cose为67pF o
2.3模数转换模块设计
ADT606进行A/D转换，再以SPI通信方式将数据传给STM32F429。模/数转换芯片的选择制约着数据
精度、采集速度。AD7606内置二阶抗混叠滤波器与跟踪保持放大器，是逐次逼近型模数转换芯片。该芯片支持16位精度的四通道同步采样(ADT606-4)，所有通道最高采样速率可达200kSPS'71。
2.4控制模块与电源模块设计
本文以STM32F429作为控制芯片，内置256+4kB字节的SRAM，工作主频可达180MHz⑻；具有USB全速与USB高速控制器，可把缓存数据快速传给上位机；还有单精度浮点运算单元(FPU)，使本系统的FFT与参数运算更为快速，为实时的显示频谱图与参数提供了可能⑻。还有新型存储器扩展技术FSMC，可以与多数图形LCD控制器进行无缝连接。
为了尽可能减小模拟部分与数字部分之间的干扰，决定在不同部分使用不同电源模块进行供电。其中模拟部分有±12V与±5V，数字部分需要5V与3.3V。模拟部分-5V由T.M2990产生,LM2990是一种负低压降稳压器稳压芯片LM1084则可以把+12V转换+5V，两块芯片都有功耗低，受温度影响小的优点。±5V稳压电路图如图2所示。
香仁夏露
多媒体互动教学系统数字部分采用LM1117-3.3将5V转换成3.3V
来进行
110传感器与微系统第38卷
图2±5V稳压电路
供电。
3系统软件设计
控制芯片产生PWM波控制AD芯片的CONVST A/ CONVST B引脚，输出的PWM波的频率能控制AD芯片的采样频率。接收到AD变换信号后，芯片AD7606开始工作,AD芯片的BUSY端输岀高电平。经过短暂等待,BUSY 端由逻辑1变为逻辑0，与其对应的控制芯片上的引脚接收到下降汛STM32进入下降沿中断，中断中接收来至AD 芯片的数据。数据信息暂时存放在SRAM中。然后通过DMA把数据传到USB与SD卡中。CPU选择数据保存到FFT_Buff中，进行FFT和相关参数的计算。为准确快速地FFT，系统直接调用由ST公司提供的FFT库函数，其可计算16/64/256/1024/4096点的傅里叶变换。通过测试4096点的傅里叶变换只需2.71ms。系统程序流程图如图3。
(a)主程序(b)数据接收中断程序
图3程序流程图
4实验测试
为检验系统设计的可行性，采用三相异步电机进行测试。该电机转速为1430r/min，基频约为23.8Hz。设置系统1024Hz的采样频率，共采集256点。本次实验只接收一路通道数据，采集到的数据经计算后得到的结果显示在屏幕上。
本次实验只显示上述参数，实验参数与频谱图如图4。
从图4可以看出，系统显示屏幕上的傅里叶变换频谱图的峰值在基频附近，参数计算正确，该系统可应用于实际应用当中。
频率./THz
图4实验结果
5结论
设计了I-V转换电路与差分放大电路，将传感器的电流信号转换为±4V电压信号。并通过隔离电路与MAX295大大减小了环境的干扰。芯片AD7606实现了系统的16位精度与四通道最大200kSPS同步数据转换，主控芯片STM32F429通过控制PWM波周期实现了系统采样频率的可控性。软件部分利用DMA功能把数据及时地发送到上位机或SD卡，完成了数据的高速传输与保存。该系统还采用ST公司的FFT库函数进行快速变换，实现了数据的频谱与参数在屏幕上的实时显示，为操作人员及时做出故障判断提供了可能，具备较大应用前景。
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作者简介：
蔡俊(1974—)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究领域为智能传感与系统集成技术。
陈晓烽(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为智能传感与系统集成技术
。
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