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振动采集系统在工业生产中作用重大。然而，目前国内外振动采集系统主要分为在线式和便携式两大类，在线式采集系统虽然具有采集速度快、处理能力强和存储容量大的优点，但是普遍造价昂贵，使用维护成本较高。本文所设计的振动采集卡不仅具有在线式采集系统的优势，还具有便携式采集系统体积小、成本低廉的特点。 1.系统总体设计振动采集系统结构框图如图1所示，包括sensor（加速度传感器）、SMA射频连接器、PGA（可编程增益放大器）、L P F（低通滤波器）、A/D转换器、NVM（非易失存储器）以及数字信号处理部分，其中实线框中模块表示振动采集卡，振动采集卡通过FPGA（现场可编程逻辑门阵列）与上位机进行交互。 无论是在采用快速维修的模式和方法上，还是认识到保险公司倾向于与维修连锁集团合作的现实方面，AMA与CapitalSmart两家集团都对澳大利亚事故车维修市场产生了重大影响。受其影响，市场上仅有2～6个小型门店的维修连锁集团数量在逐渐增加。但据说，AMA集团在过去6个月里已经收购了两家这样的小型维修连锁集团。 5.动态发展原则。和谐不是稳定不动，而是有序、协调运动。和谐的本质不仅要求在静态上的和谐，而且还要企业在发展动态上的和谐。达到一个和谐的局面之后，因内部变革和外部环境变化，旧的和谐就会遭受到破坏，这是就需要建立一种新的和谐。这样循环往复，以致无穷。 振动采集卡作为振动信号的测量工具，其灵敏度、精度和本体噪声，直接影响着补偿算法的精确性，进而影响机床加工精度。因此，本文从硬件电路设计和数字信号处理两部分来提升灵敏度和精度。  图1 振动采集系统结构 2.模拟电路设计模拟电路主要包括振动信号的接收、信号放大、低通滤波和模-数转换部分，其原理如图2所示。其中，加速度传感器产生的振动信号通过同轴电缆（Coaxial Cable）经SMA射频连接器交流耦合到可编程增益放大器输入端，再经PGA放大幅值后对信号进行四阶低通滤波，然后送入ADC。下文将具体介绍各个模块的硬件实现。 （1）信号交流耦合模块。本系统采用的3145A加速度传感器为IEPE类型，随着加速度的变化，会有连续变化的电压信号叠加在电源线上，因此信号采集端采用交流耦合的形式，滤除电源线上的直流分量，获得加速度信号。 （2）可编程增益放大模块。交流输入信号的Vpp电压在0～5V，信号微弱时，如果直接将信号传输到ADC，将极大地损失采样精度，因此需要对微弱信号放大，方便后级电路的信号处理和ADC采样。 FPGA通过控制模拟开关可以使接入可变增益仪表放大器的增益调节电阻切换不同的阻值，从而实现对增益的调节。 （3）低通滤波模块。由于本系统工作在工业环境中，电磁干扰较为严重，所以放大之后的信号在送入ADC转换芯片之前，先进行四阶低通滤波，将所需信号频率以上的信号滤除。低通滤波的频率响应如图3所示。 （4）电压抬升模块。因为选用的ADC芯片模拟量电压输入范围为0～2.5V，而输入信号为交流信号，所以需要在输入信号中加入直流分量，进行电压抬升，使输入信号电压在ADC的模拟量电压输入范围内。 （5）电源模块。为保证信号在信号处理过程中不被电源上的噪声所污染，所以必须保证可变增益仪表放大器和有源低通滤波电路所用运算放大器电源的纹波较小。 图2中：H、H0分别为汽包水位及其给定值；w为给水流量;D是蒸汽流量。其中:是给水流量对汽包水位的传递函数；是蒸汽流量对汽包水位的传递函数。  图2 模拟电路原理 在此系统中，我们将使用LDO输出给可变增益仪表放大器和有源低通滤波电路所用运算放大器供电。同时在电源引脚上使用RC滤波电路进一步减少电源噪声对信号处理过程的干扰。 本研究植物类中药品种和性味归经等信息来源于《中国药典（一部）》（2015年版）和《中药学》（第4版）；抗肿瘤机制、肠道微生态环境调节作用等信息来源于PubMed、中国知网、维普等国内外数据库。 康熙十四年十月十三日，幸盘山诸寺，皆赐金。 智朴和尚呈《接驾诗二首》。康熙二十五年十二月一日，康熙再次幸临盘山盘谷寺，赐诗，智朴作《丙寅季冬一日驾幸青沟应制诗》如下： 3.数字信号处理数字信号处理部分是由FPGA完成的，主要分为ADC控制、最大值检测、直流电平值存储以及数据还原与上传四大模块，原理如图4所示。 （1）ADC控制模块。本系统采用AD7682作为模数采样芯片，由于机床振动信号频率范围为20Hz至5kHz，本系统采样时钟频率设置为10kHz，并开启器件自带的抗混滤波器，消除5kHz以上的干扰。  图3 低通滤波频率响应  图4 数字信号处理模块 （2）电平存储模块。由于电阻电容等电子器件的个体差异性，不同的电路板存在不同的直流电平分量。如果不消除直流分量的叠加影响，会导致还原出的振动信号错误。将板卡的跳线调整至校准模式，SMA接口接地，此时AD7682采集的量化值代表板卡的直流电平分量。 由于在不同的增益下对应直流分量不同，本系统在FPGA固件设计中设置为在测试模式下通电后的2～3s输出1倍增益控制字，3～4s输出4倍增益控制字，5～6s输出16倍增益控制字。考虑到相邻两种增益切换会有微秒级尚不稳定工作时段，因此每当增益切换300ms后才开始存储AD量化值，将采集到的多个值取平均值后作为该增益倍数对应的直流分量写入Flash中存储，待工作模式下校准取用。其流程如图5所示。 （3）计算还原模块。当跳线使板卡处于工作模式时，计算还原模块如图4虚线框所示，包含最大值检测、倍数、电平校准计算和数据还原模块。最大值模块利用“二值法”进行比较，使最终存储在最大值寄存器中的值为最大值。当最大值为0～20mV时，增益为16倍；当最大值为20～262mV时，增益为4倍；当最大值为262mV～2.4V时，增益为1倍。 欣竹一听，高兴地说：“您有什么需要，尽管吩咐，只要我能做到的，我有的东西，都愿意给您。”欣竹说着，含情脉脉地看着杜经理。 电平校准模块将AD7682采集的值减去从存储Flash读取的电平值，这样便消除了直流分量的影响，然后经过数据还原模块，结合最大值模块决定的增益倍数，进行触发，得到振动信号真实值。  图5 数字信号处理流程 4.系统测试与验证（1）振动信号放大前后对比。按照本文图1所示的振动系统结构框图组成实际电路，使用跳线帽将系统选择为工作模式，并将加速度传感器贴在正在进行工件加工的数控机床工作台上，测试结果如图6、图7所示。 图6为使用示波器观察加速度传感器转化的振动电信号（即图2中AC Coupling与PGA之间测得的信号），示波器每格代表50mV，故增益放大前的原始振动信号峰值约为60mV，频率为31Hz。 图7上通道的波形代表放大后的振动信号（即图2中PGA与LPF之间测得的信号），下通道代表放大前的振动信号，两者均在100mV/格的条件下测试，由图可知上通道信号的峰值是下通道的4倍，两者频率一致。说明系统检测到原始振动信号最大值处于20～262mV区间内，FPGA输出4倍增益控制字控制PGA的增益倍数，验证了系统增益调节、最大值检测控制的正确性。  图6 增益放大前的振动信号  图7 增益放大后和增益放大前的振动信号 （2）低通滤波后的信号。放大后的振动信号，进入低通滤波器，再经过电压抬升电路，转化的波形如图8所示，即图2中LPF与ADC之间测得的信号。 由图8可知，经低通滤波器滤波后，高频成分已被滤掉，得到纯净的振动信号，其峰值已变为图7中放大信号峰值的1/8，约为30mV，频率保持31Hz不变。 （3）上位机还原振动信号。图9为上位机收到还原数据后绘制的波形，纵轴单位为mg，每10mg对应1mV，因此该信号峰峰值约为60mV；横坐标每格代表50ms，可换算得该信号频率约为31Hz。故该波形与图6相比峰值、频率保持不变，并且信噪比明显提升，说明AD7682抗混叠和采集功能良好，FPGA中电平校准、转化和传输功能正确。 （4）本体噪声采集。图10为SMA空载状态下，上位机采集到的本体噪声波形，其峰值为1mV。 5.结语 图8 低通滤波后的振动信号  图9 上位机绘制波形  图10 本体噪声波形 本文给出了低成本、低功耗和高精度的振动信号采集系统设计方法。通过采集正在加工工件的数控机床的振动信号，并对比测试原始振动加速度信号、增益放大信号和低通滤波信号，上位机绘制还原波形图和本体噪声波形图，验证了系统设计的正确性、稳定性，并显示出该系统优良的信噪比。 几间小房子，不到100平方米。一个人根本忙不过来，李建明把家里人和亲戚动员起来布展。“那时不会分类，只是简单地将毛主席像章，按照天安门、向日葵、军舰等内容，这儿一堆，那儿一堆地挑拣。”为了赶上国庆节展览，头天晚上是中秋节，加班加点，回去时已经10点多了，月亮在天上老大老圆。虽然很累，心里别提有多么高兴。市民们去，领导们去，孩子们也被学校组织起来参观。大同日报还以《收藏红太阳的人》为题，在头版进行了报道。李建明的红色收藏第一次面向观众，取得了意想不到的效果，他深受鼓舞，从此收藏劲头更大了。 参考文献： [1] 张龙，曾国英，赵登峰，等.机床振动信号数据采集系统设计[J]. 机床与液压，2012，40（15）：71-73，110. |
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