基于STM32F103的振动监测系统设计

数字方式提供 Ｍ Ｄ Ｕ 、Ａ Ｏ Ｅ Ｏ Ｂ Ｓ Ｃ Ｎ Ｐ Ｎ通信 。 因而通信 输出模块分 电流输出 、 Ｓ８ Ｒ ４５通信 和 Ｃ ｎ ａ 通信三部
分。
道 １ ｉ的 ＡＤ转换器 ， ６ ｔ ／ ｂ 它支持两种运行模式 ， 即高
速 模式 和低 功 耗模式 ， Ｍｏｅ引脚 控制 可选 。其 中 由 ｄ
系统监 测 到 的振 动值 通过 模 拟或数 字 的方式 传 送 给 主控 制 器 。模 拟方 式 提供 ４ ２ Ａ 电流 输 出 ， ～ Ｏｍ
３ ２信号采集 与处 理模 块 ．
信 号 采 集 与 处 理 模 块 由 Ｆ０ １３控 制 单 元 、
Ａ Ｓ １４和 Ｆ ０ 理 单元 组 成 。Ａ Ｓ １４是 ４通 Ｄ １７ １３处 Ｄ １７
加 速 度传 感器 ，量 程 为 ± ｇ± ｇ （ 没计 采用 ２／ ６ 本
±２ 。它嵌 入 自测 功 能 ， ｇ） 输 为模 拟 信 号 ， 且具 有
更好的补偿功能 、 低功耗和灵敏度 ， 以及高冲击生存
性 （ ０ ０ｇ） Ｉ３４允 许 的频 带 受 限于 ■轴 的外 １００ 。ＬＳ４ 接 电容 ， 设计 中ｊ 轴 输 出外 接 电容 各 为 ６８ｎ，１ 本 ． ｆ｝ 十
Ｉ Ｈ巾 国 集成 电路 …
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由
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基于 Ｓ Ｍ３ Ｆ ３的振动监测系统设计 Ｔ ２ １ ０
刘再 东， 忠明 ， 祝 周波 ， 史钦文
（ 成都理 工大学 信 息科学与技 术 学院， 川 成都 ６０５ ） 四 １０９
可 选择 范 围 为 １ 频带 滤波 后 的矢量 （ ２个 交流 ） 和标
Ｆ０ １３控制单元 提供多达 ２ Ｓ Ｉ 口， 个 Ｐ接 在从或 量 （ 直流 ） 。当对应频带为单一输入时， 可供选择 的 主模 式下 ，全 双工 和半 双工 的通 信速 率 可达 ｌ 输 入 为滤波 后 的交流 和直 流 ，如果 频带 的输 人为 组 ８ Ｍ ／。 位 的预分频器可产生 ８ ｂｓ ３ 种主模式频率 ， 可配
ｈｔｎ ． Ｉｖ￣ａ ｉ ｔ Ｉ， ｔ ｔ ｍ ａｆ ｎｍ ， ． １
Ｉ Ｈ巾国 集成 电 路 …
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Ａ＝Ｒ ８Ｒ ０ 因而本 次设 计 的放 大器 的增 益 是 固定 ５／６ ， 的 。电容 Ｃ ９ 耦 合作 用 。 ３起
图 ２ 振 动 信 号 转 化 电路 设 计
到的信号通过 Ｆ ０ 控制单元的通用 Ｉ １３ ／ Ｏ口（ ＰＯ） ＧＩ 传给 Ｆ ０ 控 制单元后再传 给 Ｆ ０ 处理单元 进行 １３ １３
在放大电路部分 （ ３ ， 图 ）放大器采用德Ｏ 仪器 ， ｉ 、 ｌ 公司的 Ｔ Ｃ ２ ２是单芯双运放放大器 ， Ｌ ２７ ， 它具有相当
对 监测 对象 的实时 监测 。
㈠ Ｍ ㈠ ～ ～ ㈠ｊ ㈠ 二 采样
３ 系 统 硬 件 设 计
本 次 设 计 的振 动 监 测 系 统 主要 分 为 ３个模 块 ：
２ 系统构 成 与工作原理
在 本 次设 计 中 ，运 用 两片 Ｓ Ｍ３Ｆ ０ Ｔ ２ １３芯片 ， 一 片 用 于控 制 整 个 系统 （ 以下 简 称 Ｆ ０ １３控 制单 元 ）
Ｃ性 能 ， 更 好 的输 入 失调 电压 、 有 噪声 和功 耗 数字滤波等处理。 １３ Ｆ ０ 处理单元经过处理后再把振 好 的 Ａ
增益带宽为 ２ Ｈ ， ｚ转换速率为 ３ ／ ［ 芯片 Ｍ ｕ￣ Ｖ ｓ。 动信号输入到 Ｆ ０ 控制单元进行 ＤＡ转换 ，之后 性能 ， １３ ／
Ｆ ０ 处理单元主要是对 Ｆ０ 控制单元传输过 １３ １３ 来的数字信号进行滤波。 本设计 中设计了高 、 低通滤
波器 ， 同时 由二者 又可 组合 成带 通 、 带阻 滤波器 。按
照不 同的要求 ，对输入信号进行不同频带 的滤波处
理。
３３ ． 通信输 出模块
图 ３ 放 大 电路 设 计
技术手册可知传感器的截止频率为 ２ ０ ｚ ． ０ Ｉ Ｈ
图 １ 系 统 基 本 结 构
系统的基本工作原理 ：通过内部加速度传感器 ＬＳ４ 或外部传感 器感知监测对象 的振 动输 出模 Ｉ ４ ３ 拟振动信号 ， 由于此信号 比较微弱 ， 以需要进行放 所 大， 这样可 以提高采样精度。由于 Ａ Ｓ １４ Ｄ １７ 采用 的 是差分输入 ， 这样可以提高共模抑制比， 大大减少 了 共模信号 ， 从而能得到较高信噪 比的信号 ， 为后面 的 采样提供 了失真度很小的振动信号。Ａ Ｓ ４ Ｄ １７ 把得 １
（） １ 电流输 出 。以最 多提 供 ４路 ４ ２ Ａ 电流 ～ ０ｍ 作 为输 出 。电流输 出的输入 可 通过 软件设 置 。每一
高速模式数据转换速率可达 ５ ｓｓ低 功耗模式数 个 ４ ２ Ａ输 出可任意设置到 １ 个 Ｂ ｎ ２ ｐ， ｋ ～０ ｍ ２ ａｄ滤波器 ， 据转换速率为 １ ｐｎ Ａ Ｓ ４ Ｆ０ 控制单元 其 电流输出直接正 比于振动水平 。电流输 出的输入 ０ ｓｓ。 Ｄ Ｉ７ 与 １３ ｋ １ 的通信数据格式采用 ｌ 位 的二进制 。 ６
… 电器 常闭 ） 系统停～ 一 使 止 工作 以保护 系 统 。这 样 就可
以把监 测对 象 的振 动情 形较 准确 的显现 出来 ，实 现
． ．
未失效时任何情况下都不能产生错误 的测量数据 。
鉴 于这 些特 点 ， 得该 系统 可 以在 风机 振 动监测 、 使 风 机塔 体 振动 、各 种 钢结 构塔 体 和烟 囱以及各 种 桥 梁 及建 筑 物 等保 护 中广 泛 的应用 。
振动转化与放大模块 、 信号采集与处理模块 、 通信输
出模块 。
３ １振动转化 与放大模块 ．
放 大 电路 两部 分 。
普． 几． 器 ； ． 鹊
的正常工作 ， 另一片用 作数字信号处理 （ 以下简称
Ｆ０ １３处理 单 元 ） 同时 它 们 也 是 系统 的 主要 核 心 部 ，
ａ ｃ ｍｐ ｉｈ ｓ ｔ ｅｈ ｒ ｗ ｒ ｎ ｅ ｆ ｃ ｅ ｉｎ ｏ ｃ ｏ ｌ ｅ ａ ｄ ａ ｅｉ ｔ ｒ ｅ ｄ ｓｇ ｆＡＲＭ ｎ ｅ ｏ ｅｃ ｉ Ｔ ２ ０ ｎ Ｄ ｃ ｉ ｓ ｈ ａ ｉ ｎ ｒｃ ｒ ｈ ｐ Ｓ Ｍ３ Ｆ１ ３ ａ ｄ Ａ／ ｈ ｐ ＡＤＳ ４ ｆ ｉ ｅ １７ ， ｉ ｓ ｓ １ ｎ ｈ
振 动转 化 与放 大模 块分 为振 动信 号转 化 电路 和
分。 设计中还运用 了 Ａ Ｓ ４ Ｄ １７ 进行 ＡＤ转换。 １ ／ 其基
本 构成 如 图 １ 所示 。
振动信号转化电路 中（ ２ ， ）振动信 号的感膻
采 用 的 是 意 法 半 导 体 （ Ｔ） Ｓ 公 的 ＬＳ４ ， Ｉ３４ 足 轴
Ａｂ ｔ ａｃ ：Ｉ ｒ ｅ ｏ ａ ｃ ｒａｎ ｔ ｅ ｌｔｍｅ ｒ ｎ ｉ ｇ ｓａｕ ｆｄ ｖｃ ｓｂ ｎｉ ｒｎｇｔ ｅ ｖｂｒ ｔ ｎ ｓｇ ａｓ ｈ ｓｐａ ｅ ｓ ｒ ｔ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｓ ｅ ｔ ｉ ｈｅｒ ａ ｉ ｕ ｎ ｎ ｔｔ ｓｏ ｅ ｉｅ ｙｍｏ ｔ ｉ ｈ ｉ ａ ｉ ｉ ｎ ｌ，ｔ ｉ ｐ ｒ ｏ ｏ ｄ ｓｇ ａ ｉ ｒ ｔｏ ｍｏ ｉｏ ｉ ｇ ｓ ｓｅ ｅ ｉｎｓ ｖｂ ａｉ ｎ ｎ ｔｒｎ ｙ ｔｍ． Ｔｈｅ ｄｅ ｉ ｎ ｒ ｓ ｎ ｓ ｔ ｖｂ ａｉ ｎ ｏ ｅ ｉ ｇ ｎ ａ ｓｇ ｐ ｅ ｅ ｔ ｈｅ ｉ ｒ ｔｏ ｃ ｎｖ ｒ ｎ ａ ｄ ｍｐｌ ｙｎｇ ｉｃ ｉｓ ｔ ｉ ｉ ｃｒ ｕ ｔ， ｆ
１ 引言
很多设备现代化程度 日益提高 ， 结构 日 益复杂 ，
需要考虑更为复杂的运行状态 、工艺参数及工作环 境 。较简便 的监测技术已不足以反映设备的运行状 况， 以往基 于 ８ 位或 １ 位 的单 片机或 Ｒ Ｓ Ｐ ６ ＩＣＣ Ｕ的 仪器系统也已逐渐不能满足大数据量的快速处理的 要求 。而 以 Ａ Ｍ公 司的 Ｃｒ ｘ － ３为内核 的 ３ Ｒ ｏ ｅ￣ Ｍ ｔ ２
按照不同的要求以不同的方式输出。在这个过程中
如果出现系统错误 ，可以通过 ４ 个继电器输出中的 任 意一个反 映到主控制器 ， 继电器本身则 断开 （ 继
供电采用单 电源 ＋ ５ Ｖ供电，输入信号为正向输入 ，
即输人 电压与输 出电压 的相位同相 ， ５ 组成反馈 Ｒ８
回 路 。 由 放 大 电 路 的 原 理 可 知 ： 放 大 倍 数
摘 要 ： 了监 测振 动信 号 以反 映设备 的 实 时运 行 状 态 ， 文介 绍 了一种 振 动监 测 系统 ， 出 了前 端振 动 为 本 给
信 号 转化 和放 大 电路 设计 ， 实现 了 Ａ Ｍ内核 芯片 Ｓ Ｍ ２ １ ３ Ｒ Ｔ ３ Ｆ 与模 ／数转 换 芯 片 Ａ Ｓ １ ４的硬 件接 口设 ０ Ｄ １ ７
ｍｏ ｉ ｒｓ ｓｅ ｈ ｓｒ ａ ｈ ｄ ｔ ｅｅ ｐ ｃｅ ｅ ｉｎ ｒ ｑ ｉ ｍｅ ｔ． ｎ ｔ ｔ ｍ ａ ｅ ｃ ｅ ｘ ｅ ｔｄ ｄ ｓｇ ｅ ｕ ｒ ｏ ｙ ｈ ｅ ｎｓ
Ｋｅ ｗｏ ｄｓ ｉ ｒ ｔｏ ｎｉ ｒ ＴＭ３２ ０ ｙ ｒ ：ｖ ｂ ａｉｎ ｍｏ ｔ ；Ｓ ｏ Ｆ１ ３；ＡＤＳＩ１ ４；Ｉ Ｒ ｒｔ ｍｅｉ ７ Ｉ ａ ｉｈ ｔｃ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｒ ｔｏ ｏ ｉｏ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ｎ Ｓ ｓｇ ｆｖ ｂ ａ ｉ ｎ ｍ ｎ ｔ ｒ ｓ ｓｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ＴＭ ３ Ｆ１ ３ ２ ０
ＬＵ Ｚ ｉｄ ｎ Ｚ ｈ ｎ — ｉｇ， ＨＯ ｏ， Ｈ ｉ－ ｅ Ｉ ａ ｏ ｇ， ＨＵ Ｚ ｏ ｇ ｍ ｎ Ｚ Ｕ Ｂ Ｓ Ｉ ｎ ｗ ｎ － Ｑ （ ｏ ｅ ｅｏ ｆｒ ａｉ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏｙ Ｃ ｅ ｇ ｕＵ ｉ ｒ ｔ ｏ ｅ ｈ ｏｏｙ Ｃ ｅ ｇ ｕ６ ５ ， ｈｎ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｎｏｍ ｔ ｎＳ ｉｎ ｅＡ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ， ｈ ｎ ｄ ｎｖ ｓ ｙ ｆ ｃ ｎ ｌ ， ｈ ｎ ｄ ０ ９ Ｃ ｉａ） ｌ Ｉ ｏ ｅ ｉ Ｔ ｇ １ ０
位微 控制 器 Ｓ Ｍ３ Ｆ ０ 以其 运行 速 度快 、 本 低 Ｔ ２ １３正 成 廉 的优势 在本 领域 得 到逐渐 广 泛 的应处理是运 行状态监测技术研究 的重要内容。本系统主要用于
监测各种低频结构的振动 ，提供实时的振动状态参
数 ，从而为避免监测对象遭受严重损坏提供非常有
价值的数据参考。 该监测仪可在高温、 低温 、 结雾 、 盐
雾等极端恶劣的环境中正常运行 。作为对检测对象
ｈ 什ｎ ． ｌｏ ｏ ｉ Ｉｔ ￣ ｔｕ ｍ 盘 ｎ ｎｍ
的振 动监 测保 护 ， 立运 行 ， 独 无需 操作 系统 。 同时还 提供 系 统失 效监 测 的 自我监 测 功能 ，以保 证在 系 统
ｃ ｍｍｕ ｃ ｔ ｎ ｃ ｒ ｕ ｔａ ｄ ｐｒ ｃ ｓ ｅ ｉ ｒ ｔｏ ｉ ｎ ｌｂｙ ＩＲ ｒｔ ｍｅｉ ． Ｔｈｅｔ ｓｉ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗｓｔ ａ ｈ ｉ ｒ ｔｏ ｏ ｎｉａｉ ｉｃ ｉ ｎ ｏ ｅ ｓ ｓｖｂ ａｉｎ ｓｇ ａ Ｉ ａ ｉｈ ｔｃ ｏ ｅ ｔ ｎｇ ｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ｖ ｂ ａ ｉｎ
计以及通信输出电路设计， 并且通过 ＩＲ Ｉ 算法实现对振动信号的处理。测试结果表明， 此振动监测 系统
达到 了预 期 的设 计要 求 。
关键词 ： 振动监测；Ｔ ３Ｆ ０；Ｄ １ ７； 算法 ＳＭ ２ １ ３ＡＳ １４ ¨Ｒ
中图分 类号 ：Ｐ ７ Ｔ ２７ 文 献标 识码 ： Ｂ