一种振动信号采集电路的制作方法

本实用新型属于航空电子技术，涉及一种振动信号采集电路。

背景技术：

在直升机旋转部件测试中，振动信号分析法是实现故障诊断的有效方法之一，通过对振动信号做频谱分析，得到振动信号的频域特性，进行机械系统的故障诊断和分析，同时依据适当的故障模型判断零部件当前的工作状态，为系统使用和维护提供合理信息。

但振动信号通常是随机非稳态的，所以必须进行振动信号的同步采集和处理。而目前现有的振动测试系统，硬件实现复杂，实时性差，不易实现多路信号同步高速采集和处理。

并且，机载数据记录系统都没有提供高精度时钟同步功能，数据之间时间相关性差，当出现问题时，不能够利用数据之间时间相关性来准确地分析问题。

技术实现要素：

实用新型目的：提供了一种能实现对振动信号多通道高速同步采集的电路。

技术方案：一种振动信号采集电路，其包括若干振动传感器接口电路、信号调理通道、模数转换电路、可编程逻辑器件以及DSP，其中，所述振动信号调理通道对应一组振动信号，所述振动信号调理通道均连接到模数转换电路上，而模数转换电路连接在可编程逻辑器件上，而所述可编程逻辑器件与DSP相连，其中，所述信号调理电路由顺次相连的高通滤波电路、电压跟随电路、可编程放大电路、抗混叠滤波电路和平滑滤波电路组成，所述抗混叠滤波电路参考时钟引脚连接到可编程逻辑器件内的时钟模块。

所述振动传感器接口电路为恒流源驱动电路。所述高通滤波电路为1阶RC滤波电路。

所述可编程放大电路与可编程逻辑器件连接，由可编程逻辑器件设置增益。

所述抗混叠滤波电路采用8阶开关电容滤波器，截止频率通过参考时钟设置。输出平滑滤波采用2阶巴特沃斯滤波器。

所述模数转换电路包含6路相互独立的16位逐次逼近型A/D转换器。

所述可编程逻辑器件包括模数转换控制时序模块、时钟模块、控制寄存器、状态寄存器以及数据缓存模块，其中，模数转换控制时序模块连接模数转换器，并分别与控制寄存器和状态寄存器连接，且控制寄存器和状态寄存器连接DSP，数据缓存模块分别与模数转换器和DSP连接。

所述DSP具有CPCI接口，通过CPCI与数据管理模块交换数据。

有益效果：本实用新型振动信号采集电路中的每个通道具有信号调理电路，使用8阶椭圆开关电容滤波器实现抗混叠滤波，其截止频率可通过可编程逻辑器件设置，有效衰减信号中的干扰信号。本实用新型使用可编程逻辑器件实现模数转换电路逻辑控制，实现多路振动信号并行采集，模数转换模块之间互不影响，可实现32路振动信号采集，单通道采样率最高可达150kbps，依据Shannon采样定理，可以满足多数情况下振动信号采集要求。而且由可编程逻辑器件实现多通道振动信号同步采集，保持多个被采样信号之间的相位信息，同时选用16位模数转换器，可实现振动信号的高精度采集。

由DSP按照IRIG-B格式整理振动数据，保证与机载记录系统采集的其它数据之间的时间相关性，通过CPCI接口与数据管理模块实现高速数据交换，采用时域同步平均算法、加汉宁窗算法和FFT算法，得到振动信号的特征频率和幅值。

附图说明

图1为本实用新型振动信号采集电路示意图；

图2为本实用新型信号调理电路图；

图3为可编程器件逻辑器件结构框图；

其中，1-传感器接口电路、2-信号调理电路、3-模数转换电路、4-可编程逻辑器件、5-DSP、6-驱动器、7-SDRAM、8-高通滤波电路、9-电压跟随电路、10-可编程放大电路、11-抗混叠滤波电路、12-平滑滤波电路、13-模数转换控制时序、14-控制寄存器、15-时钟管理模块、16-状态寄存器、17-数据缓存。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述。

请参阅图1，其是本实用新型振动信号采集电路示意图。所述振动信号采集电路包括若干振动传感器接口电路、信号调理通道、模数转换电路、可编程逻辑器件和DSP电路。所述振动信号调理通道均连接到模数转换电路上，而模数转换电路连接在可编程逻辑器件上。而所述可编程逻辑器件与DSP处理器相连，同时，该可编程逻辑器件具有模数转换电路的控制逻辑通道，以及用于可编程放大电路增益设置的设置通道。由可编程逻辑器件对IRIG-B时钟进行计数，产生通道时标信息。DSP按照IRIG-B数据格式整理数据，存放到CPCI映射空间，数据管理模块通过CPCI接口读取数据。DSP对振动数据进行视频分析，得到振动数据的特征频率和幅值。

所述振动传感器接口电路为恒流源电路，供电电压为16～32V，输出电流为2.2mA，为集成压电式振动传感器提供激励，驱动振动传感器将振动信号转换为电压信号。

振动信号在进行模数转换之前，均需进行信号适调。所述振动信号调理通道请参阅图2，对应一组振动信号，其由顺次相连的高通滤波电路、电压跟随电路、可编程放大电路、抗混叠滤波电路和平滑滤波电路组成。对振动信号进行放大、滤波等调理。

所述的高通滤波电路为一阶RC高通滤波器，振动传感器输出信号经过高通滤波器，滤除信号中的直流分量，避免信号中直流分量影响通道增益设置及频谱分析。

所述的可编程放大器对振动信号适当放大，使其满足模数转换电路输入量程要求。可编程放大器选用AD公司的AD8251，该芯片为差分仪器放大器，具有输入阻抗高、低噪声、增益可编程等特性。放大倍数可选1、2、4、8。根据机载配置由可编程逻辑器件设置每路采集通道增益。

所述抗混叠滤波器用于滤除信号中频率大于1/2采样频率的干扰信号，将通带外的高频信号基本滤除，防止采集信号的频谱产生混迭。抗混叠滤波器选用MAXIM公司的MAX293，该芯片为8阶椭圆型开关电容低通滤波器，工作电压为±5V。可通过参考时钟设置滤波器的截止频率，参考时钟与截止频率之间的关系是50:1，抗混叠滤波器的截止频率为4kHz，参考时钟为200kHz。不需要更改硬件，改变可编程逻辑器件输出的参考时钟频率，即可改变每个通道滤波器的截止频率。

输出平滑滤波器采用2阶巴特沃斯低通滤波器，巴特沃斯低通滤波器的截止频率为10kHz，滤除开关电容滤波器产生的调制干扰信号。

所述模数转换电路包含6通道、16位、高速、低功耗、逐次逼近型A/D转换器，采样率可达250kbps，供电电压±5V～±15V。可以以并行和串行的方式与外接电路接口，输出信号兼容3.3V或5V电平。

所述可编程逻辑器件(FPGA)采用XC4VLX25芯片，通过可编程逻辑器件设置可编程放大器的放大倍数，输出开关电容滤波器参考时钟。可编程逻辑器件主时钟为24.576MHz。可编程逻辑器件根据DSP设置的采样控制寄存器，包括采样长度、采样频率等，输出A/D转换控制时序，并通过SPI接口读取转换结果存放在内部数据缓冲区中。

请参阅图3，多通道振动信号进行同步采集，首先，FPGA向A/D转换芯片相应通道发出启动转换/CONVST信号，A/D转换芯片开始转换，BUSY引脚输出高电平，当FPGA检测到BUSY引脚为低电平时，本次A/D转换完成。FPGA输出读数据时序，将转换结果通过SPI接口读取到FPGA数据缓冲区中。

数据缓冲区由FPGA内部BlocKRAM例化生成，每个通道的振动数据缓存空间为2kB，通过双端口访问，分为2个区，采用乒乓操作。避免前端采集接口和DSP访问冲突。采集128点后，FPGA在状态寄存器置本包数据采集完成标志，DSP根据状态寄存器读取数据并进行整理。

IRIG-B时标信息由FPGA对输入的同步时钟进行累加生成。当时标复位信号为高电平时，FPGA对同步时钟信号进行累加计数，当时钟复位信号为高电平时，将计数值清零。DSP从可编程逻辑器件读取振动数据时，获取当前的时标信息，按照IRIG-B格式整理数据包。因与机载记录系统采集其它开关、模拟信号所使用的同步时钟为同一个源，因此可以保证多种数据之间的相关性。

所述DSP为高性能定点DSP，具有CPCI接口，完成任务调度、数据采集和处理工作。在上电时，DSP根据机载配置对振动信号采集接口进行初始化，正常工作时，周期查询可编程逻辑器件中状态寄存器，当可编程逻辑器件完成一个振动信号采样周期时，DSP从可编程逻辑器件读取采样数据，按照IRIG-B格式整理数据包，并将数据按照循环存储的方式，写入CPCI映射空间，同时更新写指针地址，数据管理模块判断到有新数据更新时，通过CPCI接口读取数据。由数据管理模块发送数据记录设备进行记录。

所述CPCI接口，符合PCI 2.2总线规范，上电时，由数据管理模块初始CPCI接口，DSP通过EMIF接口将PCI空间映射到内存空间。正常工作时，DSP按照1ms周期查询CPCI中断标志，获取数据管理模块命令，包括自检、数据采集、程序加载等。DSP周期将振动数据写入CPCI空间，并更新数据刷新标志，数据管理模块通过CPCI接口获取振动数据。

DSP按照IRIG-B格式整理振动数据，IRIG-B为数据下载和管理定义了标准的接口文件，支持时间包、高精度绝对时间和相对时间，可通过时间包检索数据的时间相关性。采用IRIG-B格式整理振动数据，保证了各系统参数的时间相关性，在分析数据时，能确定各系统事件发生的顺序和各系统参数随时间的变化情况。振动数据的时标精度可以达到1ms，满足绝大部分的数据分析要求。

当每个通道采集到1024点时，DSP对该通道数据进行分析，计算得到振动信号的特征频率和幅值。所述的数据处理方法包括：时域同步平均算法、加窗算法、频谱分析。

时域同步平均法是从混有噪声干扰的信号中提取周期性信号的过程。是以一定周期为间隔截取信号，然后将所截得的信号段叠加平均，消除信号中的非周期分量和随机干扰，保留确定的周期分量。

所述的加窗算法，是在对振动数据频谱分析前，使用汉宁窗对数据进行卷积处理，避免由矩形窗产生的频率泄露。所述的频谱分析，是使用FFT算法将振动信号从时域转换到频域，获取振动信号的特征频率及对应幅值。并依据适当的故障诊断模型判断零部件当前的工作状态。