CN111238632A - 一种高精度振动信号采集及处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度振动信号采集及处理系统，所述模拟电路包括电荷转换器、前端模拟放大器及模数转换器，其中，振动传感器依次经电荷转换器、前端模拟放大器及模数转换器与FPGA相连接，FPGA的输出端与前端模拟放大器的控制端相连接，FPGA检测接收到的数据的大小，并根据检测结果调节前端模拟放大器的增益，同时对模数转换器输出的数字码进行去除共模电平处理，并采用平顶窗对数字码进行加窗处理，以保证FPGA得到的FFT运算后的信号幅值精度；根据FFT运算后的信号对不同频率信号进行频率补偿，使得FPGA输出结果的误差最小，该系统能够完成宽动态范围振动信号的采集及处理，且采集的信号精度较高。

Description

一种高精度振动信号采集及处理系统

技术领域

本发明属于传感器信号采集及处理的电子领域，涉及一种高精度振动信号采集及处理系统。

背景技术

现代工业和自动化生产过程中，振动信号中包含的信息越来越被重视，设备的冲击和振动信号通常采用压电加速度传感器来获取，然后需经电荷放大器对传感器输出的电荷信号进行电荷、电压转换，方可用于后续的放大、处理。但是传统的振动信号采集与处理电路处理范围窄、信号精度较低，严重影响了振动采集与处理电路的广泛使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种高精度振动信号采集及处理系统，该系统能够完成宽动态范围振动信号的采集及处理，且采集的信号精度较高。

为达到上述目的，本发明所述的高精度振动信号采集及处理系统包括振动传感器、模拟电路及FPGA，其中，所述模拟电路包括电荷转换器、前端模拟放大器及模数转换器，其中，振动传感器依次经电荷转换器、前端模拟放大器及模数转换器与FPGA相连接，FPGA的输出端与前端模拟放大器的控制端相连接，FPGA检测接收到的数据的大小，并根据检测结果调节前端模拟放大器的增益，同时对模数转换器输出的数字码进行去除共模电平处理，并采用平顶窗对数字码进行加窗处理，以保证FPGA得到的FFT运算后的信号幅值精度；根据FFT运算后的信号对不同频率信号进行频率补偿，使得FPGA输出结果的误差最小。

所述电荷转换器由LMC6082芯片以及LMC6082芯片的反馈电路组成；所述模数转换器为ADS8684芯片。

模拟电路还包括保护电路、第一滤波电路及第二滤波电路，其中，振动传感器依次经保护电路、电荷转换器、第一滤波电路、前端模拟放大器、第二滤波电路及模数转换器与FPGA相连接。

FPGA检测接收到的数据的大小，并根据检测结果调节前端模拟放大器的增益的具体过程为：FPGA实时检测振动数据的大小，并以模数转换器输入量程的1/3及2/3作为前端模拟放大器输出电压信号的上限值及下限值，并以此调节前端模拟放大器的增益。

前端模拟放大器输出的模拟信号经模数转换器转换为数字信号后传输至FPGA中，其中，模数转换器输出的数字信号可能存在直流分量，设B_k与A_k分别为模数转换器输出的数字码和转化后共模电平为零的数字码，FPGA将模数转换器输出的振动信号数字码进行累加并计数，当累计65536个点时，将累加的结果取平均值，得振动信号直流分量，再将当前每一个数字码减去该振动信号直流分量，以去除直流分量，将共模电平拉至零，以实现隔离直流分量的目的，同时将0-65535的数字码转化为-32768-32767范围，使其符合振动信号的特性，其中，符号代表振动的方向，其绝对值的大小与振动加速度呈线性关系，即

在FPGA中，对振动数据做8192点基-2类型的FFT运算，将振动信号中的频率分量剥离，根据频率大小分别对振动信号进行补偿，以保证所有频率分量的精度；

对振动信号叠加平顶窗后进行FFT运算，使振动信号在频率范围内频谱泄漏所导致的幅值衰减在1％以内，所叠加的平顶窗运算如下列公式所示：

K_{flat_roof}＝1-1.93*cos(2πn/N)+1.29*cos(4πn/N)

-0.388*cos(6πn/N)+0.032*cos(8πn/N)

其中，K_{flat_roof}为平顶窗函数系数，N为8192，n从0-8191。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的高精度振动信号采集及处理系统在具体操作时，采用前置模拟电路及后置数字电路的组合方式，通过FPGA检测接收到的数据的大小，并以此调节前端模拟放大器的增益，同时对模数转换器输出的数字码进行去除共模电平处理，并采用平顶窗对数字码进行加窗处理，以保证FPGA得到的FFT运算后的信号幅值精度；根据FFT运算后的信号对不同频率信号进行频率补偿，使得FPGA输出结果的误差最小，同时能够完成宽动态范围振动信号的采集。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中模拟电路的结构框图；

图3为FPGA5的内部电路及信号流程图。

其中，1为传感器、2为电荷转换器、3为前端模拟放大器、4为模数转换器、5为FPGA、6为保护电路、7为LMC6082芯片、8为第一滤波电路、9为第二滤波电路、10为反馈电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的高精度振动信号采集及处理系统包括振动传感器1、模拟电路及FPGA5，其中，所述模拟电路包括电荷转换器2、前端模拟放大器3及模数转换器4，其中，振动传感器1依次经电荷转换器2、前端模拟放大器3及模数转换器4与FPGA5相连接，FPGA5的输出端与前端模拟放大器3的控制端相连接，FPGA5检测接收到的数据的大小，并根据检测结果调节前端模拟放大器3的增益，同时对模数转换器4输出的数字码进行去除共模电平处理，并采用平顶窗对数字码进行加窗处理，以保证FPGA5得到的FFT运算后的信号幅值精度；根据FFT运算后的信号对不同频率信号进行频率补偿，使得FPGA5输出结果的误差最小。

参考图2，所述电荷转换器2由LMC6082芯片7以及LMC6082芯片7的反馈电路10组成；所述模数转换器4为ADS8684芯片；模拟电路还包括保护电路6、第一滤波电路8及第二滤波电路9，其中，振动传感器1依次经保护电路6、电荷转换器2、第一滤波电路8、前端模拟放大器3、第二滤波电路9及模数转换器4与FPGA5相连接。

其中，FPGA5检测接收到的数据的大小，并根据检测结果调节前端模拟放大器3的增益的具体过程为：FPGA5实时检测振动数据的大小，并以模数转换器4输入量程的1/3及2/3作为前端模拟放大器3输出电压信号的上限值及下限值，并以此调节前端模拟放大器3的增益。

前端模拟放大器3输出的模拟信号经模数转换器4转换为数字信号后传输至FPGA5中，其中，模数转换器4输出的数字信号可能存在直流分量，设B_k与A_k分别为模数转换器4输出的数字码和转化后共模电平为零的数字码，FPGA5将模数转换器4输出的振动信号数字码进行累加并计数，累计65536个点时，将累加的结果取平均值，得振动信号直流分量，再将当前每一个数字码减去该振动信号直流分量，以去除直流分量，将共模电平拉至零，以实现隔离直流分量的目的，同时将0-65535的数字码转化为-32768-32767范围，使其符合振动信号的特性，其中，符号代表振动的方向，其绝对值的大小与振动加速度呈线性关系，即

在FPGA5中，对振动数据做8192点基-2类型的FFT运算，将振动信号中的频率分量剥离，根据频率大小分别对振动信号进行补偿，以保证所有频率分量的精度；对振动信号叠加平顶窗后进行FFT运算，使振动信号在频率范围内频谱泄漏所导致的幅值衰减在1％以内，所叠加的平顶窗运算如下列公式所示：

K_{flat_roof}＝1-1.93*cos(2πn/N)+1.29*cos(4πn/N)

-0.388*cos(6πn/N)+0.032*cos(8πn/N)

其中，K_{flat_roof}为平顶窗函数系数，N为8192，n从0-8191。

鉴于FPGA5中浮点数运算的复杂程度，事先将窗函数系数扩大4096倍，对其进行取整后按照COE文件格式存储为COE文件并将其放置与工程目录下，在FPGA5内部开辟一段对应大小的地址空间，通过读取COE文件将系数存储至ROM中，在FFT计算前依次读取ROM中数据并与当前振动信号相乘，在做完FFT运算后将输出信号有效值再右移12位即可得到实际信号幅值。

本发明以前置模拟信号放大电路为可编程模拟放大器电路，其增益最低为1，最高可至128，增益改变的大小为2的次幂，在前端反馈电容的配合下，完成对0.1g-500g加速度大小的振动信号进行处理。前端模拟放大器3得到运放增益由FPGA5进行控制，形成一个反馈回路，可以对模拟增益的大小进行实时调节。

参考图3，FPGA5通过SPI接口接收模数转换器4输出的数字信号，数据的传输速率为40K*16bit/s。FPGA5以249.6ms为周期进行数据的存储及处理，每帧数据有10000个采样数据，FPGA5接收到振动信号的同时，将其进行累加，一直累加到65536个连续的数据后，将结果右移16位后得数字，即振动信号的共模部分，取反、加一后叠加在当前信号上，即可去除共模分量。模数转换器4输出的数字码范围为0-65535，经过去共模后信号的取值范围转化为-32768-32767，其中，符号代表着振动的方向，绝对值大小代表着振动加速度的大小。

去除共模电平后，对前端模拟放大器3进行增益控制，每249.6ms采样得到的振动数据为一帧，每帧数据包含10000个点，统计其中绝对值大于21845(16bit ADC的输入幅值的2/3)与大于10922(16bit ADC的输入幅值的1/3)的数据个数，鉴于信号频率为100Hz-9kHz，以100Hz信号为例，一帧数据中共包含约25个振动信号周期，其中，每个周期中采样点数约为400个，可以近似认为400个点中采到的最大值，即为振动信号的峰值，当其中大于10922的数据数小于25个，即认为前端模拟放大器3的增益过小，FPGA5通过SPI口将其增益增大两倍，同理，若其中大于21845的数据数大于25个，即可认为前端模拟放大器3的增益过大，FPGA5通过SPI口将其增益减小两倍，即可得到大小合适的模数转换器4输出数字码。

本发明基于前端模拟电路与后端的FPGA5，在面临加速度范围大，频率范围广的振动信号时，通过电路的自动调节，支持从0.1-500g加速度大小的振动信号的测量，可以做到240-3KHz范围内振动信号最终处理结果误差3％以内，100-9KHz范围以内其他频率振动信号最终处理结果误差在5％以内。

Claims (6)

1.一种高精度振动信号采集及处理系统，其特征在于，包括振动传感器(1)、模拟电路及FPGA(5)，其中，所述模拟电路包括电荷转换器(2)、前端模拟放大器(3)及模数转换器(4)，其中，振动传感器(1)依次经电荷转换器(2)、前端模拟放大器(3)及模数转换器(4)与FPGA(5)相连接，FPGA(5)的输出端与前端模拟放大器(3)的控制端相连接，FPGA(5)检测接收到的数据的大小，并根据检测结果调节前端模拟放大器(3)的增益，同时对模数转换器(4)输出的数字码进行去除共模电平处理，并采用平顶窗对数字码进行加窗处理，以保证FPGA(5)得到的FFT运算后的信号幅值精度；根据FFT运算后的信号对不同频率信号进行频率补偿，使得FPGA(5)输出结果的误差最小。

2.根据权利要求1所述的高精度振动信号采集及处理系统，其特征在于，所述电荷转换器(2)由LMC6082芯片(7)以及LMC6082芯片(7)的反馈电路(10)组成；所述模数转换器(4)为ADS8684芯片。

3.根据权利要求1所述的高精度振动信号采集及处理系统，其特征在于，模拟电路还包括保护电路(6)、第一滤波电路(8)及第二滤波电路(9)，其中，振动传感器(1)依次经保护电路(6)、电荷转换器(2)、第一滤波电路(8)、前端模拟放大器(3)、第二滤波电路(9)及模数转换器(4)与FPGA(5)相连接。

4.根据权利要求1所述的高精度振动信号采集及处理系统，其特征在于，FPGA(5)检测接收到的数据的大小，并根据检测结果调节前端模拟放大器(3)的增益的具体过程为：FPGA(5)实时检测振动数据的大小，并以模数转换器(4)输入量程的1/3及2/3作为前端模拟放大器(3)输出电压信号的上限值及下限值，并以此调节前端模拟放大器(3)的增益。

5.根据权利要求1所述的高精度振动信号采集及处理系统，其特征在于，前端模拟放大器(3)输出的模拟信号经模数转换器(4)转换为数字信号后传输至FPGA(5)中，其中，模数转换器(4)输出的数字信号可能存在直流分量，设B_k与A_k分别为模数转换器(4)输出的数字码和转化后共模电平为零的数字码，FPGA(5)将模数转换器(4)输出的振动信号数字码进行累加并计数，当累计65536个点时，将累加的结果取平均值，得振动信号直流分量，再将当前每一个数字码减去该振动信号直流分量，以去除直流分量，将共模电平拉至零，以实现隔离直流分量的目的，同时将0-65535的数字码转化为-32768-32767范围，使其符合振动信号的特性，其中，符号代表振动的方向，其绝对值的大小与振动加速度呈线性关系，即

k>65536。

6.根据权利要求1所述的高精度振动信号采集及处理系统，其特征在于，在FPGA(5)中，对振动数据做8192点基-2类型的FFT运算，将振动信号中的频率分量剥离，根据频率大小分别对振动信号进行补偿，以保证所有频率分量的精度；

对振动信号叠加平顶窗后进行FFT运算，使振动信号在频率范围内频谱泄漏所导致的幅值衰减在1％以内，所叠加的平顶窗运算如下列公式所示：

K_{flat_roof}＝1-1.93*cos(2πn/N)+1.29*cos(4πn/N)-0.388*cos(6πn/N)+0.032*cos(8πn/N)

其中，K_{flat_roof}为平顶窗函数系数，N为8192，n从0-8191。

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