基于ARM的振動信號采集及文件存儲系統

引言

在機械結構的振動過程中，許多微弱信號包含機械運動的豐富特征信息，如故障特征信息等，有必要提取出來加以分析。在微弱信號提取過程中，有時信號非常微弱，極易受到外界的干擾而淹沒于強噪聲之中，有時被測信號振幅變化范圍又很大，會紿信號采集帶來很大困難。放大電路本身的噪聲性能和頻率特性也將影響信號的提取精度。對振動信號的采集及處理，通常是用普通的數據采集系統去采集，然后用數字信號處理的方法來提取數據的特征信息。但是，一些由于采集系統的不足對信息造成的損失，是后期的數字信號處理無法補償的。振動信號的檢測是機械系統狀態檢測和早期故障診斷的關鍵，機械系統早期故障引起的異常振動信號有時很微弱，而且持續時間短、信噪比低，容易淹沒于背景噪聲中。

測量的方法、可測量的種類和范圍應不斷拓寬和更新，準確度要提高，可靠性要增強，并能夠適應各種不同的實驗環境需要，同時故障分析需要對大量樣本進行對比分析，這就要求我們配備可移動的大容量存儲介質。針對此情況，本文主要研究了基于ARM處理器的振動信號的智能調節振幅數據采集電路設計和基于FatFs文件系統的SD卡的大容量存儲系統設計。

1 系統功能結構

針對信息化管理程度，該系統設計成既可作為一個獨立系統單獨運行，又可作為功能模塊無縫整合接入基于ARM的信息管理系統。該系統功能結構如圖1所示。

信號調理模塊：通過加速度傳感器采集微弱振動信號，進而經過信號調理電路(包括程控調節增益)送到LPC1768的A/D轉換模塊進行采集。

PC機通信模塊：通過USB接口與PC機通信，可實現文件數據的增加、刪除、新建等功能。

SD卡存儲模塊：基于FatFs文件系統的存儲設計，通過SPI總線與主芯片通信，可完成數據的任何格式(如Wav)的寫入，也可對SD卡內的數據進行讀取。

語音播報模塊：在測試過程中實時語音提醒用戶當前的操作狀態，語音命令預存儲在SD卡內，可通過SPI總線通信進行。

2 硬件電路設計

2.1 信號調理電路設計

信號調理電路主要包括壓電式加速度傳感器、電荷放大電路、兩級程控放大電路、帶通濾波電路和電壓抬升電路等。

加速度傳感器：把振動信號轉化為電荷信號，此處采用壓電式加速度傳感器，靈敏度高達1.294 pC/m·s-2，本實驗主要測試頻率段為1～10 kHz。

電荷放大電路：把微弱的電荷信號放大成電壓信號。運算放大電路選擇AD823，是雙通道、精密、16 MHz帶寬和高增益的放大器;反饋電容C決定了電荷轉電壓輸出的大小以及電荷放大的頻率響應特性，電容性能的好壞直接決定著電荷放大器是否穩定，此處反饋電容C設定為100 pF;反饋電阻主要作用是抑制反饋電容引起的零點漂移，由電荷放大器的下線截止頻率

可知，在C一定的情況下，要保證下限截止頻率，反饋電阻R必須盡可能大，此處設定為100MΩ。

帶通濾波電路：設計由低通濾波電路和高通濾波電路組合的帶通濾波電路，可根據通帶頻率計算出電阻電容值，本實驗通帶頻率為1～10 kHz。

電壓抬升電路：利用運放將電壓抬升到1.5 V，同時增加了電位器的設計，可實現對抬升電位的靈活調節。

2.2 信號放大電路設計

該調理電路最突出的特點是運用數字電位器AD5245來實現對信號的自適應放大，如圖2所示。

數字電位器AD5245可實現與機械電位器或可變電阻相同的電子調節功能，具有增強的分辨率、固態可靠性和出色的低溫度系數性能，可通過IC兼容型數字接口控制，其調節范圍可達256位。在數據采集中，主芯片LPC1768通過預采樣值來判斷AD5245的調節范圍和調節方向，并通過I2C總線對放大倍數進行調節。

由表1可知，AD5245有多種連接方式。針對此實驗，本文采用的連接方式如圖3所示。

這種接法放大器的放大倍數為Rd/R，可對放大倍數進行256位分辨率的調節。

3 軟件及算法設計

3.1 FatFs文件系統

FatFs是一個為小型嵌入式系統設計的通用FAT文件系統模塊。FatFs的編寫遵循ANSIC，并且完全與磁盤I/O層分開。獨立于硬件架構，可以被嵌入到低成本的微控制器中。其結構圖如圖4所示。

FatFs具有非常清晰的層次結構，應用層為用戶提供一系列API函數，如f_open、f_close、f_read、f_write等，用于對文件的讀寫等;中間層FatFsModule為Fat協議層;最底層是用戶在移植過程中需要處理的接口，包括存儲媒介讀/寫接口DiskIO和文件修改時間所需的實時時鐘。根據層次式軟件設計的思想，將軟件工作分為3步：SD卡的通信實現、RTC時鐘配置和FatFs的移植。

①SD卡的通信實現。通過SPI總線系統實現SD卡與LPC1768、PC機的通信，可實現采樣數據的自動存儲與通過PC機對SD卡內數據的新建、刪除、修改和查找等功能。主要包括SPI模式的配置、SPI字節的讀寫實現、SD卡的讀寫實現和USB接口的配置。

②RTC時鐘配置。利用LPC1768內含的RTC設備實現實時時鐘功能，主要包括時鐘頻率的選擇SysTick_Config、RTC實時時鐘的初始化RTC_Init及設定RTC_SetFullTime，為文件系統提供準確的時間，可實現對每個存儲文件的時間標記。

③FatFs的移植。對FatFs接口函數的編寫，主要包括：存儲介質初始化函數disk_initialize、存儲介質狀態檢測函數disk_status、讀扇區函數disk_read、寫扇區函數disk _write、存儲介質控制函數disk_ioctl等。