振動(dòng)采集系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中作用重大。然而，目前國內(nèi)外振動(dòng)采集系統(tǒng)主要分為在線式和便攜式兩大類，在線式采集系統(tǒng)雖然具有采集速度快、處理能力強(qiáng)和存儲容量大的優(yōu)點(diǎn)，但是普遍造價(jià)昂貴，使用維護(hù)成本較高。本文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)采集卡不僅具有在線式采集系統(tǒng)的優(yōu)勢，還具有便攜式采集系統(tǒng)體積小、成本低廉的特點(diǎn)。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

振動(dòng)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括sensor（加速度傳感器）、SMA射頻連接器、PGA（可編程增益放大器）、L P F（低通濾波器）、A/D轉(zhuǎn)換器、NVM（非易失存儲器）以及數(shù)字信號處理部分，其中實(shí)線框中模塊表示振動(dòng)采集卡，振動(dòng)采集卡通過FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）與上位機(jī)進(jìn)行交互。

無論是在采用快速維修的模式和方法上，還是認(rèn)識到保險(xiǎn)公司傾向于與維修連鎖集團(tuán)合作的現(xiàn)實(shí)方面，AMA與CapitalSmart兩家集團(tuán)都對澳大利亞事故車維修市場產(chǎn)生了重大影響。受其影響，市場上僅有2～6個(gè)小型門店的維修連鎖集團(tuán)數(shù)量在逐漸增加。但據(jù)說，AMA集團(tuán)在過去6個(gè)月里已經(jīng)收購了兩家這樣的小型維修連鎖集團(tuán)。

5.動(dòng)態(tài)發(fā)展原則。和諧不是穩(wěn)定不動(dòng)，而是有序、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。和諧的本質(zhì)不僅要求在靜態(tài)上的和諧，而且還要企業(yè)在發(fā)展動(dòng)態(tài)上的和諧。達(dá)到一個(gè)和諧的局面之后，因內(nèi)部變革和外部環(huán)境變化，舊的和諧就會遭受到破壞，這是就需要建立一種新的和諧。這樣循環(huán)往復(fù)，以致無窮。

振動(dòng)采集卡作為振動(dòng)信號的測量工具，其靈敏度、精度和本體噪聲，直接影響著補(bǔ)償算法的精確性，進(jìn)而影響機(jī)床加工精度。因此，本文從硬件電路設(shè)計(jì)和數(shù)字信號處理兩部分來提升靈敏度和精度。

圖1 振動(dòng)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.模擬電路設(shè)計(jì)

模擬電路主要包括振動(dòng)信號的接收、信號放大、低通濾波和模-數(shù)轉(zhuǎn)換部分，其原理如圖2所示。其中，加速度傳感器產(chǎn)生的振動(dòng)信號通過同軸電纜（Coaxial Cable）經(jīng)SMA射頻連接器交流耦合到可編程增益放大器輸入端，再經(jīng)PGA放大幅值后對信號進(jìn)行四階低通濾波，然后送入ADC。下文將具體介紹各個(gè)模塊的硬件實(shí)現(xiàn)。

（1）信號交流耦合模塊。本系統(tǒng)采用的3145A加速度傳感器為IEPE類型，隨著加速度的變化，會有連續(xù)變化的電壓信號疊加在電源線上，因此信號采集端采用交流耦合的形式，濾除電源線上的直流分量，獲得加速度信號。

（2）可編程增益放大模塊。交流輸入信號的Vpp電壓在0～5V，信號微弱時(shí)，如果直接將信號傳輸?shù)紸DC，將極大地?fù)p失采樣精度，因此需要對微弱信號放大，方便后級電路的信號處理和ADC采樣。

FPGA通過控制模擬開關(guān)可以使接入可變增益儀表放大器的增益調(diào)節(jié)電阻切換不同的阻值，從而實(shí)現(xiàn)對增益的調(diào)節(jié)。

（3）低通濾波模塊。由于本系統(tǒng)工作在工業(yè)環(huán)境中，電磁干擾較為嚴(yán)重，所以放大之后的信號在送入ADC轉(zhuǎn)換芯片之前，先進(jìn)行四階低通濾波，將所需信號頻率以上的信號濾除。低通濾波的頻率響應(yīng)如圖3所示。

（4）電壓抬升模塊。因?yàn)檫x用的ADC芯片模擬量電壓輸入范圍為0～2.5V，而輸入信號為交流信號，所以需要在輸入信號中加入直流分量，進(jìn)行電壓抬升，使輸入信號電壓在ADC的模擬量電壓輸入范圍內(nèi)。

（5）電源模塊。為保證信號在信號處理過程中不被電源上的噪聲所污染，所以必須保證可變增益儀表放大器和有源低通濾波電路所用運(yùn)算放大器電源的紋波較小。

圖2中：H、H0分別為汽包水位及其給定值；w為給水流量;D是蒸汽流量。其中:是給水流量對汽包水位的傳遞函數(shù)；是蒸汽流量對汽包水位的傳遞函數(shù)。

圖2 模擬電路原理

在此系統(tǒng)中，我們將使用LDO輸出給可變增益儀表放大器和有源低通濾波電路所用運(yùn)算放大器供電。同時(shí)在電源引腳上使用RC濾波電路進(jìn)一步減少電源噪聲對信號處理過程的干擾。

本研究植物類中藥品種和性味歸經(jīng)等信息來源于《中國藥典（一部）》（2015年版）和《中藥學(xué)》（第4版）；抗腫瘤機(jī)制、腸道微生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)作用等信息來源于PubMed、中國知網(wǎng)、維普等國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫。

康熙十四年十月十三日，幸盤山諸寺，皆賜金。 智樸和尚呈《接駕詩二首》?？滴醵迥晔乱蝗?，康熙再次幸臨盤山盤谷寺，賜詩，智樸作《丙寅季冬一日駕幸青溝應(yīng)制詩》如下：

3.數(shù)字信號處理

數(shù)字信號處理部分是由FPGA完成的，主要分為ADC控制、最大值檢測、直流電平值存儲以及數(shù)據(jù)還原與上傳四大模塊，原理如圖4所示。

（1）ADC控制模塊。本系統(tǒng)采用AD7682作為模數(shù)采樣芯片，由于機(jī)床振動(dòng)信號頻率范圍為20Hz至5kHz，本系統(tǒng)采樣時(shí)鐘頻率設(shè)置為10kHz，并開啟器件自帶的抗混濾波器，消除5kHz以上的干擾。

圖3 低通濾波頻率響應(yīng)

圖4 數(shù)字信號處理模塊

（2）電平存儲模塊。由于電阻電容等電子器件的個(gè)體差異性，不同的電路板存在不同的直流電平分量。如果不消除直流分量的疊加影響，會導(dǎo)致還原出的振動(dòng)信號錯(cuò)誤。將板卡的跳線調(diào)整至校準(zhǔn)模式，SMA接口接地，此時(shí)AD7682采集的量化值代表板卡的直流電平分量。

由于在不同的增益下對應(yīng)直流分量不同，本系統(tǒng)在FPGA固件設(shè)計(jì)中設(shè)置為在測試模式下通電后的2～3s輸出1倍增益控制字，3～4s輸出4倍增益控制字，5～6s輸出16倍增益控制字?？紤]到相鄰兩種增益切換會有微秒級尚不穩(wěn)定工作時(shí)段，因此每當(dāng)增益切換300ms后才開始存儲AD量化值，將采集到的多個(gè)值取平均值后作為該增益倍數(shù)對應(yīng)的直流分量寫入Flash中存儲，待工作模式下校準(zhǔn)取用。其流程如圖5所示。

（3）計(jì)算還原模塊。當(dāng)跳線使板卡處于工作模式時(shí)，計(jì)算還原模塊如圖4虛線框所示，包含最大值檢測、倍數(shù)、電平校準(zhǔn)計(jì)算和數(shù)據(jù)還原模塊。最大值模塊利用“二值法”進(jìn)行比較，使最終存儲在最大值寄存器中的值為最大值。當(dāng)最大值為0～20mV時(shí)，增益為16倍；當(dāng)最大值為20～262mV時(shí)，增益為4倍；當(dāng)最大值為262mV～2.4V時(shí)，增益為1倍。

欣竹一聽，高興地說：“您有什么需要，盡管吩咐，只要我能做到的，我有的東西，都愿意給您。”欣竹說著，含情脈脈地看著杜經(jīng)理。

電平校準(zhǔn)模塊將AD7682采集的值減去從存儲Flash讀取的電平值，這樣便消除了直流分量的影響，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)還原模塊，結(jié)合最大值模塊決定的增益倍數(shù)，進(jìn)行觸發(fā)，得到振動(dòng)信號真實(shí)值。

圖5 數(shù)字信號處理流程

4.系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

（1）振動(dòng)信號放大前后對比。按照本文圖1所示的振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖組成實(shí)際電路，使用跳線帽將系統(tǒng)選擇為工作模式，并將加速度傳感器貼在正在進(jìn)行工件加工的數(shù)控機(jī)床工作臺上，測試結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6為使用示波器觀察加速度傳感器轉(zhuǎn)化的振動(dòng)電信號（即圖2中AC Coupling與PGA之間測得的信號），示波器每格代表50mV，故增益放大前的原始振動(dòng)信號峰值約為60mV，頻率為31Hz。

圖7上通道的波形代表放大后的振動(dòng)信號（即圖2中PGA與LPF之間測得的信號），下通道代表放大前的振動(dòng)信號，兩者均在100mV/格的條件下測試，由圖可知上通道信號的峰值是下通道的4倍，兩者頻率一致。說明系統(tǒng)檢測到原始振動(dòng)信號最大值處于20～262mV區(qū)間內(nèi)，F(xiàn)PGA輸出4倍增益控制字控制PGA的增益倍數(shù)，驗(yàn)證了系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)、最大值檢測控制的正確性。

圖6 增益放大前的振動(dòng)信號

圖7 增益放大后和增益放大前的振動(dòng)信號

（2）低通濾波后的信號。放大后的振動(dòng)信號，進(jìn)入低通濾波器，再經(jīng)過電壓抬升電路，轉(zhuǎn)化的波形如圖8所示，即圖2中LPF與ADC之間測得的信號。

由圖8可知，經(jīng)低通濾波器濾波后，高頻成分已被濾掉，得到純凈的振動(dòng)信號，其峰值已變?yōu)閳D7中放大信號峰值的1/8，約為30mV，頻率保持31Hz不變。

（3）上位機(jī)還原振動(dòng)信號。圖9為上位機(jī)收到還原數(shù)據(jù)后繪制的波形，縱軸單位為mg，每10mg對應(yīng)1mV，因此該信號峰峰值約為60mV；橫坐標(biāo)每格代表50ms，可換算得該信號頻率約為31Hz。故該波形與圖6相比峰值、頻率保持不變，并且信噪比明顯提升，說明AD7682抗混疊和采集功能良好，F(xiàn)PGA中電平校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)化和傳輸功能正確。

（4）本體噪聲采集。圖10為SMA空載狀態(tài)下，上位機(jī)采集到的本體噪聲波形，其峰值為1mV。

5.結(jié)語

圖8 低通濾波后的振動(dòng)信號

圖9 上位機(jī)繪制波形

圖10 本體噪聲波形

本文給出了低成本、低功耗和高精度的振動(dòng)信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過采集正在加工工件的數(shù)控機(jī)床的振動(dòng)信號，并對比測試原始振動(dòng)加速度信號、增益放大信號和低通濾波信號，上位機(jī)繪制還原波形圖和本體噪聲波形圖，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、穩(wěn)定性，并顯示出該系統(tǒng)優(yōu)良的信噪比。

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參考文獻(xiàn)：

[1] 張龍，曾國英，趙登峰，等.機(jī)床振動(dòng)信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓，2012，40（15）：71-73，110.