旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)裝置數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

杜　彬，李　蒙，張進(jìn)明



　�。ū本┗�工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029）



　　摘　要：介紹用CPLD，AD和FIFO實(shí)現(xiàn)一時(shí)序嚴(yán)格的、由硬件自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集的電路，它能夠自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)速信號(hào)的變化，解決了旋轉(zhuǎn)機(jī)械在不同轉(zhuǎn)速下的抗混疊濾波的問(wèn)題。


　　關(guān)鍵詞：整周期采樣；鍵相位信號(hào)；抗混疊濾波




　　Implementation of Rotating Machine Vibration Signals Acquisition System



　　DUBin，LIMeng，ZHANGJin－ming



　�。–ollege ofInformation Science and Technology，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）





　　Abstract：Acircuit which has a stricttime order and can automatically acquire data is realized by using CPLD，ADand FIFO．This circuitsolvesthe problemofanti－aliasing filtering when therotational speed of a machineis notconstant．


　　Key words：signals acquisition in a complete sampling period；key phase signal；anti－aliasing filtering



　　1　整周期采樣控制的實(shí)現(xiàn)


　　1．1　整周期采樣


　　整周期采樣控制是由傅里葉變換對(duì)離散信號(hào)的要求提出的。離散傅里葉變換的譜分辨率為


　　Δf＝1／NT（1）


　　 其中，N為采樣點(diǎn)數(shù)，T為采樣周期。







　　 實(shí)現(xiàn)整周期采樣的關(guān)鍵是如何將一個(gè)完整的周期 信號(hào)均勻地分成N等分進(jìn)行采樣，即實(shí)現(xiàn)倍頻（N為一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)）。如圖1所示，旋轉(zhuǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間為鍵相位信號(hào)周期，將此周期做N等分，即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)采樣N點(diǎn)數(shù)據(jù)。






　　在轉(zhuǎn)速恒定，即信號(hào)頻率不變的情況下，可以用軟件算出采樣的時(shí)間間 隔；但是在轉(zhuǎn)速變化的情況下，尤其在轉(zhuǎn)速變化較快時(shí)用軟件計(jì)算很難預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)及大小，即實(shí)現(xiàn)很困難，為此采用了硬件的分析方法。


　　1．2　硬件實(shí)現(xiàn)


　　硬件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠快速跟蹤信號(hào)頻率變化的倍頻電路。利用鎖相環(huán)的輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)跟蹤輸入信號(hào)頻率的這一特點(diǎn)，將VCO的輸出信號(hào)經(jīng)一分頻器后送入相位比較器，則鎖定時(shí)VCO輸出信號(hào)的頻率將等于K倍的輸入信號(hào)的頻率，即Kfi，適當(dāng)?shù)剡x擇分頻系數(shù)K就可以得到所需要的倍頻信號(hào)的輸出。本文所選的鎖相環(huán)芯片為CD4046，使用中無(wú)需解調(diào)信號(hào)輸出。比較器PC2用于比較兩輸入波形前沿或后沿相位的上跳或下跳（本電路采用上跳邊沿觸發(fā)方式）。


　　如圖2所示，該電路主要由輸入信號(hào)、隔直電容、平移、整形、鎖相環(huán)組成。首先取鍵相位信號(hào)CIR作為測(cè)頻輸入，通過(guò)10μF電容濾去太高的直流電壓，送入MAX903比較放大器調(diào)節(jié)平移，輸出的脈沖由74HCT14進(jìn)一步整形后作為鎖相環(huán)的輸入信號(hào)；由鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)倍頻。為了實(shí)現(xiàn)FFT分析，在一個(gè)周期內(nèi)采集2 n個(gè)數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中n取為6，也即是在一個(gè)周期內(nèi)采集64個(gè)數(shù)據(jù)。分頻器的輸出信號(hào)CLK_64由CPLD產(chǎn)生。鎖相環(huán)的輸出信號(hào)CLK64實(shí)現(xiàn)A／D的采樣控制。本電路可以保證在有鍵相位的情況下，信號(hào)采集的第一起點(diǎn)在以鍵相位為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)360°／64點(diǎn)的位置上（因系統(tǒng)每周期采樣64點(diǎn)）。


　　1．3　軟件實(shí)現(xiàn)


　　圖3是本系統(tǒng)通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)整周期采樣的波形仿真圖。實(shí)驗(yàn)中A／D選用MAX1292，F(xiàn)IF0選用IDT7202。根據(jù)MAX1292的采樣時(shí)序和FIFO的寫(xiě)時(shí)序，在CPLD中采用MOORE有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)序的控制。RE－SET為系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)，CLK64為轉(zhuǎn)速信號(hào)的64倍頻；GLOBAL_CLK為CPLD的時(shí)鐘信號(hào)；FF為FIFO的滿(mǎn)標(biāo)志位；AD_DATA為寫(xiě)入A／D中的控制字節(jié)；AD INT、AD_WR、AD_RD、AD_HBEN、AD_CS為A／D的相關(guān)控制信號(hào)：AD_START為啟動(dòng)A／D采集信號(hào)，由MCU發(fā)出。AD_CHANNEL為A／D的通道選擇控制字，硬件電路上用兩位開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)單通道、雙通道及四通道的采集。圖中為四通道采集。EF、HF、FIFOINT為FIF0單元控制模塊。CLK 64、CLK 1000為分頻器模塊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)整周期采樣和自適應(yīng)抗混疊濾波。






　　實(shí)現(xiàn)A／D整周期采樣的過(guò)程描述如下：首先，CPLD在接收到CLK64信號(hào)的上升沿后，開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。MAX1292按照時(shí)序依次將四個(gè)通道的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。其中，在每個(gè)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，都要判斷AD INT信號(hào)是否為低，若為低則表示轉(zhuǎn)換完成，可以進(jìn)行讀操作。此時(shí)，再去判斷FIFO的FF標(biāo)志，若為1則表明FIFO未滿(mǎn)，可以將數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO中。當(dāng)四個(gè)通道都完成如上操作后，再繼續(xù)判斷CLK64信號(hào)，循環(huán)執(zhí)行，完成在一個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)周期內(nèi)對(duì)各路信號(hào)采集64次。本裝置中，被測(cè)的最大轉(zhuǎn)速信號(hào)為1kHz，GLOBAL_CLK的信號(hào)頻率為7MHz。


　　最后，由FIFO的HF標(biāo)志產(chǎn)生中斷信號(hào)通知DSP將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)讀入RAM中，以便進(jìn)行FFT和數(shù)字濾波。





　　2　抗混疊濾波器的實(shí)現(xiàn)


　　旋轉(zhuǎn)機(jī)械在起停機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速是變化的，為了保證輸入信號(hào)的精確、抗混疊，消除不必要的高、低頻信號(hào)的干擾，只跟蹤變化的有效信號(hào)中心頻率的10倍頻程，將其他多余的信號(hào)濾掉，故設(shè)計(jì)了跟蹤濾波電路。


　　該電路主要由輸入信號(hào)、隔直電容、平移、整形、測(cè)頻電路、倍頻電路、開(kāi)關(guān)電容、濾波組成，其中主要信號(hào)輸入元件是74HC7046鎖相環(huán)和MAX291八階抗混疊濾波器及由CPLD所實(shí)現(xiàn)的分頻電路。其中，74HC7046取代CD4046是因?yàn)榍罢呖梢枣i定更高的頻率。由于設(shè)計(jì)中是采用編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻的，因此大大節(jié)省了硬件分頻所需要的硬件，簡(jiǎn)化了電路。圖4是跟蹤濾波電路的框圖。




　　74HC7046輸出的倍頻信號(hào)1000clk接至MAX291的CLK管腳。因?yàn)镸AX291的截止頻率是隨著輸入時(shí)鐘的變化而變化的，且fclk∶fc＝100∶1，因此它的抗混疊濾波的截止頻率就是10倍的信號(hào)輸入頻率，也即10clk，而且可以隨著輸入頻率的變化而變化，從而起到了跟蹤濾波的功能。



　　3　結(jié)論


　　本文采用鎖相環(huán)技術(shù)和CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整周期采樣控制和跟蹤濾波，實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械起停機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速不定時(shí)保持采樣點(diǎn)數(shù)不變及抗混疊濾波的難題。本設(shè)計(jì)成功應(yīng)用在便攜式振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，工作良好。

　


　　參考文獻(xiàn)




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　　［3］李方澤，劉馥清，王正．工程振動(dòng)測(cè)試與分析［M］．北京：高等教育出版社，1992．





摘自 儀表技術(shù)