TMS320F2812 DSP芯片和DAC0832設(shè)計(jì)微弱振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)采集系統(tǒng)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 TMS320F2812 DSP芯片和DAC0832設(shè)計(jì)微弱振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)采集系統(tǒng) 在機(jī)械構(gòu)造的振動(dòng)過(guò)程中，許多微弱信號(hào)包含機(jī)械運(yùn)動(dòng)的豐富特征信息，如故障特征信息等，有必要提取出來(lái)加以分析。而在微弱信號(hào)提取過(guò)程中，有時(shí)信號(hào)非常微弱，極易受到外界的干擾而淹沒(méi)于強(qiáng)噪聲之中，有時(shí)被測(cè)信號(hào)振幅變化范圍又很大，給信號(hào)采集帶來(lái)很大困難。放大電路本身的噪聲性能和頻率特性也將影響到信號(hào)的提取 。對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集及處理，通常是用普通的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)去采集，然后用數(shù)字信號(hào)處理的方法來(lái)提取數(shù)據(jù)的特征信息。但是，一些由采集系統(tǒng)的缺陷對(duì)信息造成的損失，是后期的數(shù)字信號(hào)處理無(wú)法補(bǔ)償?shù)摹Ｕ駝?dòng)信號(hào)

2、的檢測(cè)是機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和早期故障診斷的關(guān)鍵，機(jī)械系統(tǒng)早期故障引起的異常振動(dòng)信號(hào)有時(shí)都很微弱而且持續(xù)時(shí)間短，信噪比低，容易淹沒(méi)于背景噪聲中。這對(duì)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)提出了很高的要求。針對(duì)此情況，本文考慮設(shè)計(jì)一個(gè)微弱振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)采集系統(tǒng)，能夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)的振幅實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)放大器的增益，從而檢測(cè)出微弱振動(dòng)信號(hào)。 1系統(tǒng)框圖與構(gòu)造原理 基于TMS320F2812 DSP芯片和DAC0832設(shè)計(jì)微弱振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)采集系統(tǒng) 在構(gòu)造設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了四路預(yù)處理通道，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。考慮到采集對(duì)象是微弱信號(hào)，在每路程控放大器前設(shè)計(jì)了低噪聲前置放大器，且每一路程控放大器的增益控制信號(hào)直接來(lái)自DSP。程控放大器

3、之前設(shè)有抗混疊低通濾波器以濾去信號(hào)中混有的高頻噪聲，減小了噪聲對(duì)信號(hào)的影響，在每一路中也設(shè)置一個(gè)抬壓與保護(hù)電路，使輸入的信號(hào)電壓穩(wěn)定在O3V之間。 2硬件電路設(shè)計(jì) 2.1前置放大器的設(shè)計(jì) 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的對(duì)象為微弱信號(hào)，需要用前置放大器開展放大。由于測(cè)量放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、抗共模干擾能力強(qiáng)、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)，在微弱信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)中廣泛用作前置放大器。 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AD公司的高性能運(yùn)放AD620作為測(cè)量放大器，AD620是一種只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為11000的低功耗高 儀表放大器。AD620具有很好的直流特性和交流特性， 輸入失調(diào)電壓漂移為1V

4、，其共模抑制比大于93dB。在1kHz處輸入電壓噪聲為9nV/Hz。在0.110Hz范圍內(nèi)輸入電壓噪聲的峰一峰值為0.28V，輸入電流噪聲為O.1pA/Hz。G1時(shí)，它的增益帶寬為120kHz，建立時(shí)間為15s。因此AD620的性能滿足該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。 2.2程控放大電路設(shè)計(jì) 2.2.1DSP芯片的性能特征 2.2.2DAC20832芯片的性能特征 DAC0832是AD公司生產(chǎn)的高 、低功耗、8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，能完成數(shù)字量輸入到模擬量（電流）輸出的轉(zhuǎn)換。DAC0832具有數(shù)字輸入鎖存的功能。DAC0832的互補(bǔ)輸出端Ioutl，Iout2均為電流信號(hào)，且之和為常數(shù)。其主要參數(shù)如下：分辨率為

5、8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1s，參考電壓為-10+10V，供電電源為+5+15V，邏輯電平輸入與TTL兼容。DAC20832具有兩級(jí)鎖存器， 級(jí)鎖存器稱為輸人存放器，它的允許鎖存信號(hào)為ILE，第二級(jí)鎖存器稱為DAC存放器。 2.2.3程控放大電路的組成 程控放大電路由DAC0832芯片、高 放大器LM357和反應(yīng)電阻組成，受TMS320F2812芯片的控制信號(hào)、片選信號(hào)控制，如圖2所示。DAC0832用作程控放大器，是把DAC0832的參考電壓端接輸入信號(hào)，數(shù)字信號(hào)輸入端接TMS32OF2812芯片的控制信號(hào)，互補(bǔ)輸出端Iout1和Iout2引腳分別接放大器LM357的反向輸入端和同向輸入端。DAC08

6、32的互補(bǔ)輸出端Ioutl、Iout2均為電流信號(hào)，需外接一個(gè)放大器實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換。T型電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻是10K，接一個(gè)阻值為2.55M反應(yīng)電阻Rf，就構(gòu)成一個(gè)程控放大器。用該程控放大電路可以實(shí)現(xiàn)增益為：20，21，22，28-1，從而擴(kuò)大了被測(cè)信號(hào)的范圍。 o4YBAF_Rh2SAa0LUAAB8qdwCZFY895.png 其中：8號(hào)引腳Uref是模擬電壓輸入端，接前置放大器的輸出端；CS1和ILEl是來(lái)自。DSP芯片的片選與使能信號(hào)；XD0 xD7是來(lái)自DSP芯片的增益控制信號(hào)；DAC0832芯片的Ioutl和Iout2引腳分別接放大器LM357的反向輸入端2和同向輸入端3；R

7、66為反應(yīng)電阻Rf，LLl為放大器輸出端。 2.3濾波電路設(shè)計(jì) 有源濾波器不僅體積小，而且輸出阻抗和截止頻率fc無(wú)關(guān)，能夠前、后級(jí)之間相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)。巴特沃斯低通濾波器具有通頻帶比較平坦，且下降快等優(yōu)點(diǎn)。在該系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)中，采用多重反應(yīng)型5階巴特沃斯低通濾波器。 2.4電壓抬升與保護(hù)電路設(shè)計(jì) 電壓抬升電路由一個(gè)OP放大器和一個(gè)1.5V的抬壓基準(zhǔn)構(gòu)成。OP放大器的同相輸入端接一個(gè)穩(wěn)定的1.5V基準(zhǔn)電壓，反相輸入端接信號(hào)輸人端，放大器的增益設(shè)置為1，這就實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的電壓反相，且抬壓1.5V。保護(hù)電路由一個(gè)3V的穩(wěn)壓管和二極管組成，保證經(jīng)過(guò)電路的電壓在O3V范圍內(nèi)。 3算法設(shè)計(jì)與軟件流程實(shí)現(xiàn)

8、TMS320F2812芯片的A/D轉(zhuǎn)換器每次可以采集16路信號(hào)，而該采集系統(tǒng)僅有四路輸入信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的過(guò)采樣，提高采集數(shù)據(jù)的 。首先對(duì)采集到的信號(hào)開展過(guò)采樣處理，然后計(jì)算采集到的信號(hào)的幅值，并與設(shè)定值做比較以判斷調(diào)節(jié)程控放大器與否，同時(shí)把采集到的數(shù)據(jù)除以其對(duì)應(yīng)的放大增益和開展數(shù)字濾波，結(jié)果存放在數(shù)組中，數(shù)組中的數(shù)據(jù)通過(guò)異步串口SCI向上位PC機(jī)傳輸。 3.1信號(hào)幅值檢測(cè)的算法 在程控放大器的設(shè)計(jì)中，對(duì)被測(cè)信號(hào)振幅的檢測(cè)至關(guān)重要，它是實(shí)現(xiàn)程控放大的關(guān)鍵。以往的程控放大器，多數(shù)是根據(jù)被測(cè)信號(hào)的幅值來(lái)調(diào)節(jié)程控放大器的放大倍數(shù)，此方法比較合適于直流信號(hào)的檢測(cè)。交流信號(hào)的幅值是變化的，若根據(jù)被測(cè)信

9、號(hào)的幅值調(diào)節(jié)程控放大器的增益，需要時(shí)刻改變程控放大器的增益，這將浪費(fèi)CPU的很多資源，影響了A/D轉(zhuǎn)換的速度，限制了被測(cè)信號(hào)的范圍，因器件程序的計(jì)算和器件的延時(shí)也會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)很大的誤差，不適合做高頻信號(hào)的采集，而且很難滿足實(shí)時(shí)性要求。一般信號(hào)的振幅是基本不變或者變化很慢，若根據(jù)信號(hào)的振幅調(diào)節(jié)程控放大器的增益，就不需要時(shí)刻調(diào)節(jié)放大器的增益，從而節(jié)約CPU的資源，減小采集帶來(lái)的誤差，提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。 信號(hào)幅值的檢測(cè)是利用正交鎖相型放大器的原理實(shí)現(xiàn)的2，如圖3所示。被測(cè)信號(hào)為x（t），參考信號(hào)為r（t）。 pIYBAF_Rh2uAcPfFAAA_-z0Th1Y952.png pIYBAF_

10、Rh5uAM326AAEge4ASrpk721.png 在數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可以得到信號(hào)的振幅，并與設(shè)定的數(shù)值區(qū)間做比較，根據(jù)比較的結(jié)果來(lái)調(diào)節(jié)DAC0832的增益，從而實(shí)現(xiàn)放大器根據(jù)被測(cè)信號(hào)的振幅來(lái)調(diào)節(jié)自身的增益，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自適應(yīng)放大。 3.2系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) DSP2812的編程工具有C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言兩種。采用C語(yǔ)言編程，代碼可讀性、可移植性強(qiáng)，無(wú)需詳細(xì)了解DSP的硬件就可以上手編程，降低了編程難度。一般應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求不是特別高的場(chǎng)合。對(duì)于高速實(shí)時(shí)應(yīng)用，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的方法，能把C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)和匯編語(yǔ)言的高效率有機(jī)結(jié)合起來(lái)。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。 pIYBAF_Rh3O

11、ALT5WAABysGvqXM4454.png 程序算法描述如下： Step1：開始； Step2：系統(tǒng)初始化I2； Step3：A/D轉(zhuǎn)換； Step4：數(shù)據(jù)處理； Step5：數(shù)據(jù)濾波； Step6：計(jì)算信號(hào)振幅； Step7：是否調(diào)節(jié)程控放大器，如不需要跳轉(zhuǎn)到Step3； Step8：調(diào)節(jié)程控放大器增益； Step9：跳轉(zhuǎn)到Step3； Step10：結(jié)束。 4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 4.1采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)采集系統(tǒng)的性能開展檢驗(yàn)。以振幅為0.00001V、頻率為100Hz的正弦信號(hào)作為待采集的信號(hào)，如圖5（a）所示，并混有白噪聲作為采集系統(tǒng)的輸入信號(hào)，輸入信號(hào)的波形如

12、圖5（b）所示。經(jīng)過(guò)放大、濾牽扯電壓抬升之后的信號(hào)波形如圖5（c）所示。 o4YBAF_Rh3mABUurAAD6q3n-YiI710.png 在DSP里對(duì)采集到的信號(hào)開展處理，把采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)復(fù)原為采集前的情況，如圖5（d）所示。 有圖5（c）可見采集到的信號(hào)電壓均在03V之間，適合DSP的如入范圍，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)信號(hào)振幅對(duì)信號(hào)開展程控的目的。圖5（d）是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后得到的信號(hào)的波形，可以計(jì)算出被采集信號(hào)的頻率為100Hz、振幅約為105V。與圖5（b）相比恢復(fù)后的信號(hào)噪聲小了很多，基本和原始信號(hào)圖5（a）給出的波形相同。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)到達(dá)了設(shè)計(jì)的目標(biāo)，滿足實(shí)驗(yàn)的需要。 4.2實(shí)驗(yàn)比較 在實(shí)驗(yàn)中，用實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)（*東華測(cè)試公司的DH5935N）和本文設(shè)計(jì)的微弱振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)采集系統(tǒng)同時(shí)對(duì)試件開展振動(dòng)信號(hào)采集和處理，采樣頻率為12800Hz。圖6（a）和圖6（b）為由實(shí)驗(yàn)室采集系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)信號(hào)的波形圖和頻譜圖，圖6（c）和圖6（d）為由本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)的波形圖和頻譜圖。可以看出本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)放大器增益的功能，還具有高速度、低噪聲、無(wú)失真的特性。 o4YBAF_Rh4CAH3Q2AADxMuXksTI254.png 5結(jié)語(yǔ) （1）所設(shè)