【正文】 成對(duì)機(jī)械振動(dòng)量的信號(hào)測(cè)量、數(shù)據(jù)分析及處理。它完全借助于 計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集、顯示、存取、分析處理等諸多功能。虛擬 振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3．4所示。24西華大學(xué)碩寸：學(xué)位論文振動(dòng)信號(hào)(j ．電量)1 r加速度傳感器模擬量電 數(shù)字化電Fig 3．4 The posing of vibration test system圖3．4振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成需要說(shuō)明的是，虛擬振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)雖然主要部分為軟件但它仍然需要 模擬式的傳感器、信號(hào)適調(diào)器以及激振系統(tǒng)，這些在任何振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)中 是必不可少的，它們構(gòu)成了系統(tǒng)的測(cè)試前端[321。振動(dòng)測(cè)試所需的基本硬件設(shè)備 包括：加速度傳感器、信號(hào)適調(diào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡等。3．3．2加速度傳感器 傳感器是能夠感受物體運(yùn)動(dòng)并將物體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)的一種靈敏的換能元件。傳感器的種類很多，且有不同的分類方法，按參考坐標(biāo)的不同可分為絕對(duì)式與相對(duì)式傳感器；按工作方式的不同可分為接觸式和非接觸式傳感 器；按工作原理的不同可分為慣性式和參數(shù)式傳感器；按測(cè)量參數(shù)的不同又可 分為位移、速度和加速度傳感器等。這里我們僅簡(jiǎn)要討論機(jī)械振動(dòng)測(cè)量中常用 的壓電式加速度傳感器。加速度傳感器主要用于測(cè)量振動(dòng)體的振動(dòng)加速度。壓電式加速度傳感器， 由于其體積小，重量輕，靈敏度高和頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)用最 為普遍【33】。25兩華大學(xué)碩{：學(xué)位論文3．3．3電荷放大器壓電式加速度傳感器輸出的是電荷信號(hào)，而且比較微弱，不能直接被數(shù)據(jù) 采集卡采集，所以需要用信號(hào)放大器來(lái)把較弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化成較強(qiáng)的能被數(shù) 據(jù)采集卡采集的電壓信號(hào)。根據(jù)所用的壓電式加速度傳感器壓電材料連接方法 的不同，與之配套的前置放大器分為電壓放大器或電荷放大器。以本課題中用 的并聯(lián)壓電材料的壓電傳感器為例，適于選用電荷放大器，其電路特點(diǎn)是放大 器輸出電壓只與傳感器產(chǎn)生的電荷輸入量及放大器反饋電容有關(guān)，而與構(gòu)成電 路的電纜所形成的分布電容和信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，這一特性使電荷放大器對(duì)傳輸線 路的分布電容不敏感，傳輸距離可達(dá)數(shù)百米，因此受到普遍使用【33】。對(duì)采用串 聯(lián)壓電材料的壓電傳感器，則需要使用電壓放大器，當(dāng)改變連接傳感器與電壓 放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)，由于分布電容發(fā)生變化會(huì)引起測(cè)量誤差，需通過(guò)重新校 正放大器靈敏度加以消除，給測(cè)試帶來(lái)不便。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器，它的核心是一 個(gè)具有電容負(fù)反饋、且輸入阻抗極高的高增益運(yùn)算放大器。3．4基于STC89C52單片機(jī)的串口數(shù)據(jù)采集卡3．4．1串口(RS一2 32／485)簡(jiǎn)述 串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議，大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于RS232的串口。串口同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議；很多GPIB兼容的設(shè)備也帶有RS—232口。同時(shí)，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。串口通信的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位(bit)發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字 節(jié)(byte)的并行通信慢，但是串13可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一 根線接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。比如IEEE488定義并行通 行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備線總常不得超過(guò)20米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長(zhǎng)度不得超 過(guò)2米；而對(duì)于串口而言，長(zhǎng)度可達(dá)1200米。典型地，串13用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：(1)地線， (2)發(fā)送，(3)接收。由于串口通信是異步的，端13能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù) 同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最兩華大學(xué)碩士學(xué)位論文重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通行的端口， 這些參數(shù)必須匹配：l波特率：這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個(gè)數(shù)。 例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個(gè)bit。當(dāng)我們提到時(shí)鐘周期時(shí)，我們就是指 波特率例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時(shí)鐘是4800Hz。這意味著串口通 信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800Hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常 用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設(shè)備的通信。2數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包， 實(shí)際的數(shù)據(jù)不會(huì)是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送 的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0127(7位)。擴(kuò)展的ASCII碼是039。255 (8位)。如果數(shù)據(jù)使用簡(jiǎn)單的文本(標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼)，那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用7 位數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開(kāi)始／停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于 實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語(yǔ)“包”指任何通信的情況。3停止位：用于表示單個(gè)包的最后一位。典型的值為l，1．5和2位。由于 數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中 兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且 提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的 容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。4奇偶校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：偶、 奇、高和低。當(dāng)然沒(méi)有校驗(yàn)位也是可以的。對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè) 置校驗(yàn)位(數(shù)據(jù)位后面的一位)，用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯 高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對(duì)于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位 數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位位1，這樣就有3個(gè)邏輯高位。高位和低 位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能 夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收 數(shù)據(jù)是否不同步。RSl32總線是早期采用的通用單行總線，最初多用于數(shù)據(jù)通信上，但隨著工業(yè)測(cè)控行業(yè)的發(fā)展，許多測(cè)量?jī)x器都帶有RSl32串口總線接口。將帶有兩華大學(xué)碩上學(xué)何論義RS—232總線接口的儀器作為I／O接口設(shè)備通過(guò)RSl32串口總線與PC計(jì)算 機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器的構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較 低的測(cè)試系統(tǒng)【34】，與GPIB總線、VXI總線PXI總線相比，它的接口簡(jiǎn)單，使 用方便。當(dāng)今，PC計(jì)算機(jī)己更多地采用了USB總線和IEEEl394總線。尤其 是IEEEl394總線，它是一種高速串行總線，由它構(gòu)建的虛擬儀器系統(tǒng)，數(shù)據(jù) 傳輸速度己經(jīng)達(dá)到100Mb／s。3．4．2串口數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì) 該數(shù)據(jù)采集卡的硬件電路由STC89C52RC單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路組成。如圖3．5所示。Fig 3．5 Data acquisition card hardware circuit schematic diagram圖3．5數(shù)據(jù)采集卡硬件電路原理圖該數(shù)據(jù)采集卡硬件電路設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89C52RC為控制核心，通過(guò)RS一232與PC機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制以及數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。 單片機(jī)通過(guò)指令來(lái)控制啟動(dòng)8位ADC0832，配置ADC0832的控制字，按位讀取 數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并將讀來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)自身的全雙工串行口發(fā)送出去。由 RS—232串El送給計(jì)算機(jī)處理。ADC0832是8位逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器，選擇串行 ADC0832是因?yàn)榭晒?jié)省大量自身及單片機(jī)的接口，編程也易于實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)用 PC機(jī)，軟件采用LabVIEW，通過(guò)它讀串口的數(shù)據(jù)并分析、顯示。由于單片機(jī)輸兩華大學(xué)碩十學(xué)位論文出的TTL電平與串口發(fā)送的電平不一致。因此，需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，這里選 擇MAX232，完成TTL電平蟄]RS232電平的轉(zhuǎn)換。通過(guò)串口下位機(jī)與計(jì)算機(jī)建立 了通信。3．4．3 A／D轉(zhuǎn)換器ADC0832性能介紹 ADC0832是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A／D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高，芯片引腳少而廣泛使用。1 ADC0832具有以下特點(diǎn)【35】：●8位分辨率●雙通道A／D轉(zhuǎn)換●易于和微處理器接口或獨(dú)立使用●滿比例尺工作或用5V基準(zhǔn)電壓●可單通道或差分輸入選擇●輸入輸出電平與TTL／CMOS相兼容●5V電源供電時(shí)輸入電壓在O5V之間●工作頻率為250KHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為321．ts●一般功耗僅為15mW●誤差士lLSB●8P、14PDIP(雙列直插)、PICC多種封裝●商用級(jí)芯片溫寬為0～+70℃，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為．40～+85℃2 ADC0832的功能：ADC0832使用采樣一數(shù)據(jù)一比較器的結(jié)構(gòu)，采用逐次逼近方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，引腳配置如圖3．6所示。Fig 3．6 The pin configuration of ADC0832圖3．6 ADC0832弓I腳配置西華大學(xué)碩十學(xué)位論文根據(jù)多路器的軟件配置，單端輸入方式下，要轉(zhuǎn)換的輸入電壓連到一個(gè)輸 入端和地端；差分輸入方式下，要轉(zhuǎn)換的輸入電壓連到一個(gè)輸入端和另一輸入 端。ADC0832的兩輸入端可以分配為正極(+)或負(fù)極(．)，可以由多路器進(jìn) 行軟件配置。通過(guò)和控制處理器相連的串行數(shù)據(jù)鏈路傳送控制命令，用軟件對(duì) 通道選擇和輸入端的配置。串行通信格式在不增加封裝大小的情況下，可以在 轉(zhuǎn)換器中包含更多的功能。另外，可把轉(zhuǎn)換器和模擬傳感器放在一起，和遠(yuǎn)端 的控制處理器串行通信，而不用進(jìn)行低電平的模擬信號(hào)的遠(yuǎn)程傳送。這樣的處 理使返回到處理器的是無(wú)噪聲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，避免了模擬信號(hào)遠(yuǎn)傳中的干擾。3 ADC0832的轉(zhuǎn)換過(guò)程[36】[37】： 在單片機(jī)的作用下，ADC0832的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)換可以由軟件自由控制，其工作的時(shí)序圖如圖3．7所示。Ca．KDl∞Fig 3．7 The timing diagram ofADC0832圖3．7 ADC0832時(shí)序圖轉(zhuǎn)換過(guò)程是：置CS為低方能啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，使所有邏輯電路使能。此時(shí)，DO 端為高阻，DI端等待指令。CS在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中必須置為低。緊接著使DI端 輸出第一個(gè)邏輯高，表示啟始位。ADC0832的輸入配置在多路器尋址時(shí)序中進(jìn) 行。多路器地址通過(guò)DI端移入轉(zhuǎn)換器，選擇模擬輸入通道，DI端的數(shù)據(jù)移入多 路器地址移位寄存器是在每個(gè)時(shí)鐘的上升跳變時(shí)發(fā)生的，因此每次向DI端置入 一位數(shù)據(jù)時(shí)，在CLK端輸出一個(gè)從0到1的跳變。所以在向DI端置入起始位時(shí)，30西華大學(xué)碩十學(xué)位論文由單片機(jī)向CLK端輸出ADC0832個(gè)轉(zhuǎn)換周期的第一個(gè)脈沖。緊接的兩位是 ADC0832的配置位。在連續(xù)的兩個(gè)時(shí)鐘的上升跳變沿，兩位配置位移入移位寄 存器，即由單片機(jī)向CLK端輸出ADC0832個(gè)轉(zhuǎn)換周期的第二、第三個(gè)脈沖。 當(dāng)啟始位、兩位配置位移入地址移位寄存器后，轉(zhuǎn)換便開(kāi)始。轉(zhuǎn)換開(kāi)始后，經(jīng) 過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期延遲，以使選定的通道穩(wěn)定。第三個(gè)脈沖之后，接著由單片機(jī) 向CLK端輸出第四個(gè)脈沖，在第四個(gè)脈沖的下降沿，處理器即可讀取據(jù)。然后 以此類推，分別讀取以下幾位，即第4至第11個(gè)脈沖，共讀取8位數(shù)據(jù)(d7．d0)。 ADC0832在輸出端以最高位(MSB)開(kāi)頭的數(shù)據(jù)流后，又以最低位(LSB)開(kāi) 頭重輸出一遍數(shù)據(jù)流(d0d7)，兩次發(fā)送的最低位共用。當(dāng)CS為高電平時(shí)， 內(nèi)部所有寄存器都為零，輸出變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。如果要再進(jìn)行一次AID轉(zhuǎn)換，片 選CS必須要再次從高電位向低電位跳變，后面再輸入啟動(dòng)位和配置位。由于DI端只有在多路尋址時(shí)被檢測(cè)，即在CS變低后的前三個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)， DO端仍為高阻狀態(tài)；轉(zhuǎn)換開(kāi)始后，DI線禁止，直到下一次轉(zhuǎn)換開(kāi)始，因此，DI 和DO端可以連在一起，通過(guò)一根線連到處理器的一個(gè)雙向I／O口進(jìn)行控制。3．4．4單片機(jī)STC89C52RC性能介紹 STC89C52是深圳宏晶公司出品的STC89系列單片機(jī)。具有8KB flash，512字節(jié)內(nèi)部RAM，具有內(nèi)部看門(mén)狗電路(可以省去外接看門(mén)狗芯片，節(jié)省硬件開(kāi)銷且操作簡(jiǎn)單)。STC89系列單片機(jī)是MCS．51系列單片機(jī)的派生產(chǎn)品。它 們?cè)谥噶钕到y(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)的8052單片機(jī)完全兼容，DIP40 封閉系列與8051為pin．topin兼容。STC89系列單片機(jī)高速(最高時(shí)鐘為90MHZ)，低功耗，在系統(tǒng)／在應(yīng)用可編程(ISP,IAP)，不占用用戶資源。該系 列單片機(jī)優(yōu)勢(shì)如下【38】：超強(qiáng)抗干擾：I／O口經(jīng)過(guò)特殊處理，很多干擾是從I／O進(jìn)去的，STC系列單片機(jī)每個(gè) I／O均有對(duì)VCC／對(duì)GND二極管箝位保護(hù)。單片機(jī)內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)特殊處理單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路經(jīng)過(guò)特殊處理單片機(jī)內(nèi)部的復(fù)位電路經(jīng)過(guò)特殊處理寬電壓，不怕電源抖動(dòng)，5V：6V一3．4V 3V：4V—1．9V兩華大學(xué)碩上學(xué)位論文寬溫度范圍：_40～85℃高抗靜電(ESD保護(hù))，輕松過(guò)2000V快速脈沖干擾(嚴(yán)格的日本及歐洲標(biāo)準(zhǔn))單片機(jī)內(nèi)部的看門(mén)狗電路經(jīng)過(guò)特殊處理，打開(kāi)后無(wú)法關(guān)閉，可放心省去 外部看門(mén)狗電路。三大降低單片機(jī)時(shí)鐘對(duì)外部電磁輻射的措施禁止ALE輸出6T模式，外部時(shí)鐘頻率可降一半，傳統(tǒng)的8051為每個(gè)機(jī)器周期12時(shí) 鐘，如將STC增強(qiáng)型805 1單片機(jī)在ISP燒錄程序時(shí)設(shè)為雙倍速(90 6T模式， 每個(gè)機(jī)器周期6時(shí)鐘)，則可將單片機(jī)外部時(shí)鐘頻率降低一半，有效的降低單片 機(jī)時(shí)鐘對(duì)外界的輻射。單片機(jī)時(shí)鐘震蕩器高頻增益