一种振动信号的采集与处理系统

一种振动信号的采集与处理系统
苏畅，李书新，付兴武
辽宁工程技术大学，辽宁阜新 123000
E-mail：susan2008cn@
摘要：本文用V/F转换器实现模/数转换。

将AT89C51单片机同PC机相结合，由单片机完成数据采集通过串口在PC机上由VB完成信号的处理和显示。

该系统结构简单，在振动信号的采集处理中经济实用。

关键词：V/F转换器；LM331；串口；信号采集
1 引言
机械故障诊断与检测中，经常要涉及到振动信号的采集处理。

采集的方式有多种，本文应用V/F转换、单片机及PC机组成检测系统，该系统简单、经济、实用、方便。

来自目标系统的振动信号，通过压电传感器转换成模拟的电信号，在通过电荷放大器放大，低通滤波器滤波，经LM331将模拟的电压信号转换成频率信号由单片机对该频率脉冲进行计数，并通过PC机串口传送到PC机中，由PC机对信号进行处理并分析显示出来。

被测系统振动信号
传感器
滤波器
V/F转换器
单片机系统
RS-232
PC机
图 1 系统框图
2 振动信号采集
信号采集由AT89C51单片机为核心，通过计数器对V/F转换器传入的脉冲进行计数来确定频率范围，得到采样值并通过RS-232传到PC机中。

2.1 V/F转换的特点
用V/F（电压/频率）转换器来代替昂贵的A/D（模/数）转换器，实现高精度的转换，在越来越趋于简单实用的现代化检测设备中得到了广泛重视。

与A/D转换器比较，V/F转换器使用灵活，占用微机资源少，接口简单，投资小。

LM331是美国国家半导体公司生产的一种高性能低价格的单片集成V/F转换器。

该器件在量程范围内具有0.01%~0.003%的高线性度，0~100kHz的频率输出范围，4~40V的直流工作电源电压区间，宽的动态范围，以及输出频率不受电源电压变化等诸多优点。

与此同时，由于其内部使用了温度补偿能隙电路，在整个工作温度范围内，以及到0.4V电源电压时都有极高的精度。

精准定时电路具有低的偏置电流，100kHz电压/频率转换所需要的高速相应
也没有退化现象[2]。

2.2 单片机系统
V/F转换器将电压信号转换成频率信号传入到单片机中，单片机对频率信号进行接收、处理、存储。

AT89C51单片机是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4k字节的Flash可编程可擦除只读存储器（PEROM），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51单片机兼容。

AT89C51的15条可编程I/O线在扩展系统功能上有很大优势[7]。

当需要现场携带检测时，本系统可扩展键盘和较大LCD显示屏，可现场进行振动信号波形的分析和检测。

在本系统中，V/F转换器的频率输出引脚与AT89C51的计时器T0端相连。

将频率信号引入单片机的计时器中。

图2给出了在系统中LM331的外围电路[5]。

在该电路中，实现了-5V~+3.2V电压到3kHz~94.3kHz频率的转换，转换精度为11.1kHz/V。

V
图 2 电压/频率转换电路
把频率信号接入单片机的定时/计数器输入端，可采用测频法和测周期法进行数据记录。

因对测量非线性失真度以及单片机定时器的计量范围考虑，本系统采用测频率法来进行数据导入。

测频法将采用定时/计数器T0和T1，T0作计数器，T1作定时器。

T0当引脚有从1到0的负跳变时，计数器就会自动加1；T1定时器10000个机器周期，即为10ms。

经过一个定时周期，取T0寄存器中的数据。

T0、T1工作于方式1（十六位方式），T0计数初值为0，T1定时初值为（2710H求补）D8F0H。

当检测到TF1为1时，即定时周期结束，由T0取出输入电压信号的脉冲值。

通过测试得到电压与频率间系数。

程序流程图如图3所示。

开始
设置计时/计数器
工作方式及初值
T0=0打开计时/计数器
开始计时/计数
T1=10ms 关闭计时/计数器
提取采样值
数据处理N
Y
N
Y
图 3 测频程序流程图
3 振动信号处理
3.1 单片机与PC 通信
由于PC 机RS-232串行通信接口与AT89C51单片机的信号电平不一致，所以在PC 机RS-232串口和单片机串口应具有一个电平转换装置，而MAX232就可以完成这一功能。

最简系统接口电路如图4所示。

1
3
4
5
107
8911121314C1C1C2C2T2R2T1T1T2R1R1R2++-OUT
IN -IN IN OUT IN OUT OUT TXD
RXD
TXD RXD PC机AT89C51
MAX232
图 4 RS-232接口电路
上位机接收数据程序采用VB 的MSComm 控件实现。

控件属性设置如下[6]：
Private Sub Form_Load()
With M SC
.CommPort=1 ‘选择COM1为通信端口
.Settings=”9600,E,A,2” ‘设置通信端口参数
.InBufferSize=10 ‘设置缓冲区接收数据字节数
.InputLen=1 ‘设置Input 一次读取1字节
.RThreshold ‘收到1字节就产生onComm 事件
.PortOpen=True ‘打开通信端口
End With
End Sub
3.2 信号处理
传送到PC 机中的信号是经过初步率波的信号，但是还带有各种工频干扰，需要对其进行处理。

信号处理的方法有多种，现在被广泛应用的有DFT （离散傅立叶变换），FFT （快速傅立叶变换）以及小波分析法[1]。

本系统利用VB 实现DFT 算法对振动信号的处理。

DFT 计算公式：
210[()]()() (0,1,2,,1)N def
j nk N n DFT x n X k x n e k N π−−====−∑
%…
利用该系统对旋转轮胎振动信号进行采集。

V/F 转换电路如图2所示。

计算出V/F 转换的正比例公式为：
3 2.091710 2.09100 6.80.00111.2OUT S in L t t
in in
f R V R R C V k =⋅=×××××=V
表 1 V/F 转换数据 V in (V) F out (Hz) 占空比 (%)
-5 3333.3 96.667
-4 15625 87.5
-3 26667 77.333
-2 37037 68.519
-1 48780 59.024
0 59524 50.000
1 70423 40.845
2 81967 31.967
3 92593 22.222
3.2 94340 20.755
对表1的输出频率数据进行拟合可得到如图5所示的曲线，得拟合公式为:
()11.0245 4.314OUT in f k V =++
k
本系统的最高频率为94kHz，每个采样周期内所计的脉冲数为30~940个，满足计数器计量范围。

图6所示为旋转轮胎的振动信号采集波形，可在分解信号中显示多条振动曲线，图中所示为基波波形。

图 5 旋转轮胎振动信号波形
4 结语
在振动信号采集系统中运用V/F进行A/D转换，具有电路简单，测量精度高，系统灵活，实用性强的特点。

在实际应用中系统稳定性好，其价格要比同类的A/D转换系统产品便宜几倍。

由V/F转换器和单片机组成信号采集的前向通道结构简单且精度高。

通过串口在PC机上用VB进行信号处理充分发挥了PC机的资源优势和VB的简洁特点，能较容易地实现振动信号的处理，并且能使处理后的信号直观明了的现实出来。

参考文献
[1]罗抟翼等.控制工程与信号处理[M].北京:化学工业出版社,2004.
[2]李华,孙晓民.MSC-51系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社.2002.
[3]王建国,孙灵方.单片V/F转换器LM331的电源电压抑制特性分析[J].东北电力学院学报,1996,16(1):103-107.
[4]林健.LM331的V/F电路调试中的若干问题分析[J].集成电路应用,1995,2:36-39.
[5]杨振江,蔡德芳.新型集成电路适用指南与典型应用[M].西安电子科技大学出版社.1998.
[6]范逸之,陈立元.Visual Basic与RS-232串行通信控制[M].北京:清华大学出版社,2002.
[7]余永权.ATMEL89系列（MCS-51兼容）Flash单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2000.
A System for Librate-signal Collection and Disposal
Su Chang, Li Shu Xin, Fu Xing Wu
(Liaoning Technical University,Fuxin ,Liaoning,123000)
Abstract
The paper uses V/F convertor to achieve A/D conversion. It combines singlechip of AT89C51 with PC,which achieves Data-collection by singlechip and accomplishes signal-disposal and signal- display by VB on PC through COM. The configuration of this system is simple.It is economic and applied to use it to collect and dispose the librate-signal.
Keywords: V/F convertor; LM331; COM; signal-collection
作者简介：
苏畅（1981-）,女，汉族，辽宁阜新人，在读硕士研究生，辽宁工程技术大学电气系, 主要从事智能控制理论方法及应用\计算机测控技术及应用\智能仪器仪表的学习与研究。