中北大学信息商务学院2012届毕业论文
振动测试平台设计
摘 要
随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向，采用虚拟仪器实现振动测试与分析也成为振动测试的发展趋势。
为了解决工程振动问题,机械振动测试系统随着振动测试技术理论的发展和生产对测试的需求与日俱增,并有着广泛的应用领域。在工程现场的振动测试中,迫切需要低成本、高精度、高效率,同时方便灵活的测量仪器。
振动测试试验系统是根据某些零部件振动测试的要求设计的 ,通过对被测系统施加各种波形的激励,使其产生振动,由传感器测量其振动的响应,将此信号进行调理放大,再由频谱分析仪获得系统的响应特性。
为此，本课题研究开发了以PC为硬件平台、以美国国家仪器(NI)公司开发的LabVIEW软件为开发平台，配合ADXL150传感器、和AT89C51组成的振动测试分析系统。采用虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW组建的振动测试分析系统，实现了对振动信号的采集、处理和分析的目的。
关键词：虚拟仪器，振动测试，LabVIEW，ADXL150传感器，AT89C51
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Design of vibration testing platform
Abstract
With the development of calculator and the software technology, the virtual instrument is becoming the development direction in text domains, and using virtual instrument has been a development trend to realize the text and analysis of vibration.
As the development and production of technology theory in vibration text, in order to solve the problem of vibration, the need of text in vibration text system increase with each passing day, and has extensive field of application. The vibration text in project spot, it is urgent to need measuring instruments that are low cost, high degree of accuracy, high efficiency, and at the same time convenient.
The vibration text system is desighed based on demand of some parts, to make it vibrate, all kinds of waveform stimulations are exerted to texted system.,then conditioning and enlarging the signal that transducer measures the responding of vibration in system,thenceforth obtain the responding characteristics by analyzer.
For this, the task has studyed and developed a vibration text system which take PC as hardware terrace, the labview that the United States nation instrument company opend up as software terrace, coordinate with ADXL150 transducer, signal conditioning and data collecter..Adopting the vibration text system which is made up by virtual instrument figured program language labview, realize the objective that collects,analyse and process vibration signal.
Keywords: Virtual instrument, Vibration text, Labview, ADXL150 transducer, AT89C51
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1 绪论
1.1课题研究的背景和意义
振动是自然界最普遍的现象之一。这类现象有的是由其本身固有的原因引起，有的是外界干扰引起。在运转的设备中，振动信号是最重要的信息来源。旋转机械的振动信号中包含着大量可反映设备运行状态的有用信息或称为信号特征。振动信号分析是旋转机械状态监测和故障诊断的重要组成部分，并在设备预测维修中发挥着重要作用。通过振动特征分析可以找出旋转机械设备70％的故障源，而且可以确保机器运转的安全性，避免事故的发生，同时结合较好的维修项目管理还可以显著降低机器的运行成本。
在一些情况下，振动是一种公害，它能损伤人体器官、损害健康、降低劳动效率，甚至产生“振动病”或“运动病”，如常见的晕车、晕船现象就是由于小于1Hz的极低频振动引起的。研究人体各器官的振动传递特性，设计能减振隔振的座椅、驾驶舱、手持工具的把手等也必须依赖于振动测试。目前市场上已有用于人体振动测量的传感器和测试仪出售。
振动测试分析仪器则将振动测试与分析技术转化为生产力，它随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增。从最初的机械式测振仪，发展到今天，各种应用物理学原理制成的传感器、FFT分析仪、结构动力学分析软件己在广泛使用。
随着电子技术和计算机技术的快速发展,微型计算机技术,尤其是微控制器(单片机)的发展极为迅速,其应用越来越广。单片机主要应用于控制领域,用以实现各种测试和控制功能。目前,单片机还广泛应用于工业测控、计算机外围设备、工业智能化仪表、生产过程的自动控制、军事和航空航天等领域。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用
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于各种控制领域。
而基于 MEMS微加速度计的振动测试系统具有尺寸小、功耗低 、灵敏度高、使用灵活等优点。因而在振动测、试倾斜测试惯性导航、智能引信等方面被广泛使用。在不远的将来随着计算机技术和软件技术的快速发展振动测试系统会在越来越多的行业得到更广泛的应用。
此外,为提高测试效率，降低测试成本，适应在速度、准确度、数据分析以及现场实用性等方面日益提高的测试要求，我们需要将虚拟仪器技术引入在振动测试领域,开发基于虚拟仪器的振动测试系统。 1.2振动测试技术发展现状和发展趋势
到目前为止，振动数据分析仪器的发展大体可分为四代：模拟类仪器、数字类仪器、智能化仪器和虚拟仪器。第一代模拟类仪器。是最早开发的振动分析系统。主要是由光电矢量瓦特计和测振仪等组成,其基本结构的共同特点是电磁机械式，要借助指针或光点等来显示测试结果；第二代数字类仪器。这类闪频式动平衡仪可以将模拟信号的测量转化为数字信号量，并以数字显示方式输出测量结果；第三代智能化仪器。这类仪器内置MCS51系列单片机,集测试、数据处理、平衡计算和图形显示等功能于一体，具有自动化测量仪器的最初特点。但其功能主要是以硬件(或固化软件)形式存在，不利于二次开发、功能复用和维护。而且数据存贮量小，处理速度慢，功能比较单一，精度有限；第四代虚拟仪器[3]。仪器主要功能可由①数据采集②数据测试和分析③结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析和结果输出完全可由软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成新的测量仪器。
目前的振动测量信号可以通过采用加速度传感器采集加速度变化，经过电路处理成为频谱，最终成为人能够直观的看到振动波形。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，因为振动产生加速度，利用这个特性，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出前一般都采用加速度传感器来测量振动信号。
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此外，虚拟仪器在我国的研究和开发有着十分现实的意义，广泛采用虚拟仪器技术有助于提高我国仪器的整体水平，节省仪器开发的人力和费用。我们有理由相信，随着软件业和测试技术的发展，虚拟仪器技术必将在更多、更广的领域得到应用和普及。随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增，高质量的测试仪器、设备和现代化的测试方法不断出现。20世纪20年代，由于汽轮发电机组等设备的发展，机械式测振仪已不能满足要求，于是磁电式传感器应运而生，实现非电量信号向电信号转换的电测量。二次大战后出现了压电式传感器，由于它具有体积小、重量轻、频率范围、动态量程大等特点，且既可测量振动，又可用于冲击测量，直到今天仍在广泛应用。近些年随着微电子技术的发展，又出现了可在各种恶劣环境下使用的压电传感器和内装阻抗变换器、放大器、滤波器的集成电路式压电传感器，简化了测试系统，大大地拓宽了这种传感器的应用范围，提高了抗干扰能力和测量的精度。而压阻传感器的出现和使用进一步拓宽了低频率的测量范围，与此同时，还陆续发展了各种换能原理的传感器和配套仪器，如变电容传感器、光纤传感器、电涡流传感器等。
PC机性能的提高引发了测试仪器领域的一场革命性变化，即产生了插卡式加软件的所谓虚拟仪器。虚拟仪器是当前计算机的主流技术与应用开发软件和高性能模块化的硬件相结合的产物，可由用户自己设计和定义，用软件在屏幕上生成仪器控制面板，进行信号分析和处理。而国内生产的针对振动测试的设备大多是模拟式和数字式仪表，功能比较单一，与国外设备相比，精度较差，可靠性低。这些仪器基本上属于硬件组成的专用信号分析与处理仪器，一般不能存储记录。这就为国内开发高性能的动态测试分析仪提出了迫切要求，同时随着PC机的广泛应用，虚拟仪器技术用于动态测试领域已成为发展趋势。 1.3课题主要研究内容
本篇论文是以AT8C51单片机为控制核心，设计振动测试系统，在分析了信号分析处理的原理后，使用图形化编程语言LabVIEW进行振动测试与分析。整个系统按照模块化的思想，拟采用菜单的形式搭建如下5个功能模块：
(1)数据采集：以AT89C51为核心控制器，ADXL150作为所选择的传感器，包括信号放大电路、AD采集电路、双向检波电路、电压比较电路、模拟输出电路和存储器电路。
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(2)信号预处理：将信号采集的信号接入电脑，数字滤波器在信号输入后，对输入的信号做信号预处理使用。
(3)时域分析：包括能产生几种典型信号的信号发生子模块和对信号进行时域相关分析子模块。
(4)频域分析：包括对仿真信号和实际采集到的信号进行频谱分析，功率谱分析，倒频谱分析，得到信号的频域特征。
(5)时频分析：采用谐波小波实现仿真信号的时频分析及谐波小波滤波功能。
2 虚拟仪器和labview
2.1虚拟仪器 2.1.1虚拟仪器的概述
虚拟仪器概念早在 20 世纪 70 年代就已提出,但真正得以实现则是在 PCI、GP-IBVXI、PXI 等总线准出现之后才变为可能,并随着卡式仪器、VXI 总线仪器、PXI总线仪器等的推出而得到迅速发展。虚仪器技术是仪器技术、通信技术、总线技术、数字化技术、计算机技术等有机结合的产物[3]。这是在准计算机软硬件基础上,加上一组软件和硬件所构成。 虚拟仪器从本质上说是一个开放式结构,用通用算机、DSP 信号处理器或其他 CPU 提供系统管理、信号处理、存储以及显示功能；用数据采集板、GP或 VXI 总线接口板提供信号获取和控制信号输出,从而实现传统仪器功能。 “数据采集—分析处理—输显示”结构模式为其硬件开发平台,同时充分利用计算机强大软件功能及有关测试开发软件所需要试仪器方案。虚拟仪器功能完全由用户自己设计、定义,因而可以通过改变软件适应不同测试需要,很易与互联网、外设以及其他仪器相联接,真正体现软件就是仪器、网络就是仪器的概念。
虚拟仪器的概念是美国NI公司(National Instrument)在20世纪80年代中期提出来的。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算
机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器
的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：对测试量的处理和计算可更复杂且处理速
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度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存储和交换测试数据，价格低，技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了 软件就是仪器的设计思想[1]。
虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，其核心是在最少量的硬件模块支持下， 用软件实现传统仪器数据采集、存储、分析、显示的功能。它用显示在PC机上的虚拟面板代替传统仪器面板，用鼠标、键盘对测量的参数及进程进行控制。用户可以充分发挥自己的才能和想象力来设计满足需求的仪器系统。
虚拟仪器系统主要包括以下三个部分：安装有强大应用软件的计算机平台或者是工作站：硬件部分，数据采集卡、信号调理卡、G P I B接口仪器、V XI 接口仪器等；被测单元，或前端传感器。
虚拟仪器不仅实现了传统的仪器功能，并且有更大的性能拓展，虚拟仪器改变了传统以硬件为中心的仪器架构，而是利用了商用计算机及工作站的计算功能、工作效率、 显示功能和方便的连接方法，形成了以软件为中心的仪器系统。
虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。其中最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench即实验室虚拟仪器工作平台)。它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统，它的目标就是简化程序的开发工作，提高编程效率，让科学家和工程技术人员充分利用计算机的资源和强大功能，快速简捷地完成自己的工作任务，它被称为科学家与工程师的语言。 2.1.2虚拟仪器的发展历史、现状和趋势
仪器的发展大体可分为四代：第一代是20世纪初发展起来的以电磁感应律为基础的指针式仪器,如指针式万用表；第二代是20世纪50年代以电子管或晶体管电子电路为基础的分立元件式模拟仪器，如晶体管电压表，其价格低廉,但测试精度和速度较低；第三代是20世纪60年代兴起的以集成电路芯片为基础的数字化仪器，如数字频率计等，它将测试的精度、分辨力和测量速度提高了几个数量级；第四代是20世纪70年代以微处理器为核心的智能式仪器,这类仪器不仅能自动完成某些测量任务，还能进行一些复杂的数据处理，其缺点是功能模块
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全部以硬件(或固化软件)的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。
现代工业技术的发展，除了要求各种机械具备低振动和低噪声的性能外，需随时对其运行过程进行监测、诊断和对工作环境进行控制，这些技术措施都离不开振动的测量。一般振动测试大致可分为两类：一类是测量设备和结构所存在的振动；另一类则是对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其振动。此类测振的目的是研究设备或结构的力学动态性能。正是由于振动测试在近代工程领域有着极其重要的作用，所以受到普遍重视，
随着计算机技术的发展和普及，尤其是便携式计算机的普及，虚拟仪器设计已成为当前和今后的发展趋势。强大的系统资源和良好的操作界m，以及巨大的存储容量和各种各样的应用软什等，提供了极好的设计甲台和环境。因此，奉课题基r虚拟仪器的思恕，采用便携式系统集成方案，用LabVIEW软什和专用的数据采集设备进行制动器振动信号和噪声信号的检测和分析，利用计算机丰富的软硬件资源来完成传统仪器的测试功能。这样，不仅可以大大减少检测的工作量，降低测试系统成本，还可以提高测试效率，适应在速度、准确度、数据分析以及现场实用性等日益提高的测试要求，同H、J使检测设备投资少，丌发周期短，通用性强，易维护。 2.1.3虚拟仪器的特点
现代化生产要求电子仪器品种多、功能全、精度和自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正可以实现这些要求。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：
（1）传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致识别与操作误差。虚拟仪器则可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。
（2）硬件功能软件化，虚拟仪器使仪器的部分硬件功能软件化，并封装形成模块；
（3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。
（4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。
（5）研制周期较传统仪器大为缩短，且成本低、维护方便，易于应用新理论、
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新算法和新技术来实现仪器的换代升级。
（6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，也可与网络及其他周边设备互联。
2.1.4虚拟仪器的分类
虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型： 第一类：并行口式
最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。
第二类：PXI总线方式
PXI 总线方式是 PCI 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，以使用与相邻模块高速通讯的局部总线。PXI有高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3-4个扩展槽，通过使用PCI—PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式 PC 的性能价格比和 PCI 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。
第三类：GPIB 总线方式
GPIB技术的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由PC机、GPIB接口卡和若干台 GPIB 形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达 14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB 测量系统的结构和命令简单。
第四类：PC总线——插卡型
这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如 LabVIEW 相结合。LabVIEW/CVI 是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言 Visual C++,Visual Basic, Labviews/cvi 构成测试系统。它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，但是受 PC 机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机
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箱内无屏蔽等缺点。
第五类：VXI总线方式
VXI总线是一种高速计算机总线 VME 总线在VI领域的扩展，它具有强有力的冷却能力和严格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，VXI 系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势[2]。 2.2 Labview 2.2.1 Labview概述
虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。其中最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench即实验室虚拟仪器工作平台)。它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统，它的目标就是简化程序的开发工作，提高编程效率，让科学家和工程技术人员充分利用计算机的资源和强大功能，快速简捷地完成自己的工作任务，它被称为科学家与工程师的语言。
Labview使用了所见即所得的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。Labview提供了多种强有力的工具箱和函数库，并集成了很多仪器硬件库。Labview支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的Labview应用程序可直接移植到其它平台上。
LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。 LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步等。LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。而且LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点：其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言--G语言。
LabVIEW满足了实现虚拟测试仪器的条件。它充分考虑了振动测试的特点 ,与众多的编程软件相比，采用LabVIEW具有更强的相通性、开放性、专用性。
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尤其对实验室教学领域 ,开发周期短、成本低、质量高。下面结合一台虚拟振动测试仪具体介绍虚拟仪器的组成和基于LabVIEW的虚拟仪器使用功能编程方法与实现技术。
2.2.2 LabVIEW的应用
LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计，为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。对于更复杂更专业的工业自动化领域，在LabVIEW基础上发展起来的BridgeVIEW是更好的选择。
LabVIEW为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线形代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算和分析需要。即使在联合时频分析、小波分析和数字滤波器设计等高级或特殊分析场合，LabVIEW也为此提供了专门的附加软件包。
LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB、VXI、PLC、串行设备和插卡式数据采集板可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet、Active、DDE和SQL等交互方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。 2.2.3 labview的特点
LabVIEW软件的特点如下：
（1）具有图形化的编程方式，设计者无需编写任何文本格式的代码，是真正的工程师语言。
（2）提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数。
（3）提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。
（4）32位的编译器生成32位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。
（5）囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS一232／485、USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。
（6）提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如DLL(动态链接库)、 DDE(共享库)、ActiveX等。
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（7）具有强大的Internet功能，支持常用的网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发[3]。
所有的 LabVIEW 程序分为两部分：前面板（Front Panel）和程序流程图（Block Diagram）。前面板是 VI 的图形用户接口， 它集成了用户输入和输出功能，为更逼真地模拟传统仪器的工作方式， LabVIEW提供了各种各样的控件，如各种旋钮、开关、按钮、波形图、波形图表等控制与显示模块，并可根据用户实际需要定制控件，用户可以根据自己的需要在前面板上放置按钮等控制模块和显示模块。而程序流程图包含了虚拟仪器的图形化源代码，在程序流程图中对虚拟仪器进行编程，以控制和操纵定义在前面板上输入和输出功能。流程图包括内置于 LabVIEW 库中的函数（Function）和结构（Structures），还包括仪器面板上的控制对象、显示对相对应的连线端子（Terminals） ，LabVIEW构成的虚拟仪器是数据流驱动的，流程图中的诸元素如结构、功能模块等构成节点，这些节点由数据线相连接，这些线定义了程序中数据的流向，这些线在程序中按照数据类型的不同显示出不同的颜色和类型，使得用户能对程序中传送的数据种类一目了然。一旦某个节点的所有输入均为有效，该节点即可运行，运行结束后，将结果送入数据流路径的下一个节点。
3 总体方案设计
3.1总体设计
本设计要求以AT89C51单片机为控制核心，设计振动采集系统，将ADXL150
作为所选择的传感器，包括信号放大电路、AD采集电路、双向检波电路、电压比较电路、模拟输出电路和存储器电路。基于MEMS加速度传感器的振动测试系统结构图如图3.1所示。
振动信号由ADXL150加速度传感器转换为电信号,先经过放大电路将微弱的振动信号放大至符合后级电路需求，一路通过检波、电压比较产生中断触发信号， 另一路经过12位高速AD完成模数转换。通过AT89C51单片机机实现数据采集、存储、处理、传输，采用Keil C51完成控制软件的设计，数据输出部分采用串行通信方式上传到PC机进行数据分析，由此构成了一个完整的振动测试系统。
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加速度传感器 放大电路 双向检波电路 A/D采集电路 电压比较电路 单片机电路 串行接口电路 存储器电路 D/A转换电路 电脑 模拟输出电路
图3.1 系统结构图
3.2 总体硬件设计
振动测试系统的整体硬件电路如图3.2所示：系统以AT89C51为核心控制器，包括信号放大电路、AD采集电路、双向检波电路、电压比较电路、模拟输出电路和存储器电路，下面就每个模块详细介绍：
ADXL150加速度传感器 P0.0~P0.3 P1.0~P1.7 P2.0~P2.7 AT89C51 TXD RXD INTO P3.6 P3.7 键盘输入 ADS774 LM358 放大电路 AD7542 模拟输出 RS-232C 串行接口 24CXX 存储器电路 LM358 检波电路 LM393 电压比较
图3.2 系统的硬件连接图
3.2.1 ADXL150加速度传感器 3.2.1.1 ADXL150简述
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ADXL150是美国模拟器件公司（ANALOG DEVICE）生产的低噪声、低功耗、单轴微MEMS加速度传感器。该器件内部有时钟源、增益放大器、同步解调系统、输出缓冲运放、二阶滤波器和自检系统。可编程控制量程为±25g或±50g，80分贝的动态范围，测量分辨率小于10mg，通过设置Vout和OFFSET NULL端口跳线可以将输出比例系数从38mV/g调节到76mV/g。在工业级温度范围内0g温漂小于0.4g。在使用时外部仅需要一个旁路电容[6]。 3.2.1.2 ADXL150的封装形式
ADXL150的管脚排列如图3.3所示，COMMON为公共接地端；ZERO g ADJ为0g调节端；SELF-TEXT为自检端，当其输入为高电平时芯片进入自检模式；Vout为信号输出端，此端可直接连接ADC进行模数转换；Vs为电源输入端。
图3.23ADXL150的封装形式
3.2.1.3 ADXL150内部结构
ADXL150内部结构图3.4所示，主要由5部分组成：敏感元件、增益放大、时钟源、同步解调、缓冲放大器。
图3.4 ADXL150的内部结构图
（1）敏感元件
敏感元件时通过在氧化层上沉积多晶硅，然后经过蚀刻形成的。
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图3.5 敏感元件结构图
图3.5是一个简化的敏感元件结构图。实际传感器由42个这样的晶胞检测加速度。中间横梁由于加速度上下而移动，引起板间电容改变，最后转换为电压输出。
（2）ADXL150中的增益放大运放是将敏感元件输出的信号进行放大以便测量。 （3）ADXL150加速度传感器的时钟源主要为敏感元件和同步解调电路提供100kHz的时钟信号。
（4）同步解调系统能够抑制除敏感元件信号外的所有信号，能够使传感器不受电磁干扰和无线电频率干扰。
（5）缓冲放大器可以调节传感器的输出比例系数，正常情况下为38mV/g。 3.2.1.4 ADXL150基本电路
可以采用外接电源与地之间接0.1uF去耦电容供电。通过调节R1b可以增加输出精度，调节RT可改变直流偏置，通常将0g时的输出调节到2.5v。
图3.6基本电路
3.2.2 放大电路
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ADXL150虽然内部已经有放大电路、滤波电路和缓冲输出电路，但其输出的信号的幅值仍然很小，不利于后级电路处理和A/D转换。所以在ADXL150输出端连接了放大电路。放大电路中使用一片LM358AN。具体电路如图3.7所示。
图中V1为ADXL150的Ｖ1信号输出端口。LM358AN为反相放大器，电路中R1=91K、R4=4.7K所以此电路为经典反相放大电路，其增益系数为R1/R4=19.4。LM358AN构成了一个放大倍数为19.4倍的反相放大电路，将ADXL150的输出端口的信号放大并反相，使波形与ADXL150原始输出方向相同。
图3.7 放大电路
3.2.3 双向检波电路
加速度传感器输出振动信号经放大电路放大后输出为无规则信号，无法为单片机提供中断触发信号。所以要将放大电路输出信号经过双向检波电路和电压比较电路才能够为单片机提供中断触发信号和A/D采集控制电平[8]。所以要将放大电路输出再经过双向检波电路使波形变的更加平滑，如图3.8所示。
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图3.8 双向检波电路
V2接图3.6中的输出信号V2，此电路中二极管D1、D2起到检波作用。当输入信号V2为正极性时，D1导通，D2截止，当输入信号V2为负极性时，D1导通，D2截止，再经过LM358构成的差动放大器输出信号将更加平滑，差动放大器的输入信号为两个检波信号的差，经LM358放大器后输出信号与输入信号的关系为：
U0?R2?UD1?UD2? （式3.1） R63.2.4 电压比较电路
经双向检波电路输出的波形还不能直接输入AT89C51单片机，为单片机提供中断触发控制信号。必须要经过一个电压比较电路，如图3.9所示。
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图3.9 电压比较电路
本电路中使用LM393构成电压比较电路，双向检波输出信号由LM393的2端输入，电位器R12调节触发电压输入3端。由1端经过一个10kΩ的上拉电阻为AT89C51单片机提供中断触发信号和采集控制电平。AT89C51单片机进入中断后启动A/D采集，采集多长时间由单片机根据振动平台的振动频率决定[9]。 3.2.5 A/D转换电路
在系统控制和数据采集中，经常遇到数值随时间连续变化的物理量，这种连续变化的物理量，称为模拟量，与此相对应的电信号是模拟电信号。显然，模拟量要输入到计算机系统中，必须要经过模拟量到数字量的转换(A/D转换)，计算机才能接受。
A/D转换过程主要包括采样、量化与编码。采样是使模拟信号在时间上离散 化，量化与编码则是把采样后所得到的离散幅值经过舍入的方法变换为与输入量 成比例的二进制数。A/D转换电路种类很多，根据转换原理可以分为逐次逼近式、双积分式、并行式、跟踪比较式、串行式、电荷平衡式等。目前使用较多的是前三种。
由于传感器输出的是变化的电压信号，而AT89C51单片机没有内置A/D转
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换器，所以是无法直接识别电压信号，因此这里需要外接A/D转换芯片进行模数转换。振动信号频率在1kHz左右，为了保证波形的完整性，必须要采用高速AD进行数据转换，所以本系统采用12位精度，转换时间为8.5us即转换速率为118kHz的高速AD—ADS774。
ADS774为12位高速并行输出AD,基本电路如图3.10，电路连接简单，输入有多种模式，包括±10V, ±20V和2.5V三种模式，单电源供电可输入正负电压。其输出方式可以设置为8位输出和12位输出。12位输出状态还可以设置为12同时输出或先输出高八位再输出低四位。鉴于本系统中使用的单片机AT89C51为8位机和节省端口的考虑，本设计中就选择先输出高八位再输出低四位的工作方式，和单片机接口电路如图3.11所示。仅使用单片机的一个8位端口和两个控制端口就能完成12位数据的读取。
图3.10 ADS774双极性工作电路
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图3.11 12位输出连接方式
3.2.6 AT89C51简介 3.2.6.1 AT89C51内部结构
AT89C51内部结构主要包括累加器ACC(有时也简称为A)、程序状态字PSW、地址指示器DPTR、只读存储器RMO、随机存取存储器ARM、寄存器、并行I/O接口PO～P3、定时器/计数器、串行I/O接口以及定时控制逻辑电路等。这些部件通过内部总线联接起来，构成一个完整的微型计算机。AT89C51内部结构图如图3.12所示。
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这里介绍短时傅立叶变换，短时傅里叶变换谱图能够反映信号能量的频谱随时间的变化情况，即信号的能量在时频平面中的分布。
短时傅立叶变换(Short-time Fourier Transform——STFT)实际上是对传统傅氏变换的扩展。虽然傅立叶变换(谱)不能明显表示频率分量的时间局域化，但是这样一种局域化可以通过对信号适当预加窗得到。短时傅立叶变换的定义为如下公式
STFTx(t,f)??x(t)w(t?b)?e????j2?ftdt （4.12）
信号x(t)在时间b的短时傅立叶变换就是信号x(t)围绕时间b加窗函数w(t)的傅氏变换。当窗函数w(t)在整个信号上沿时间平移并且完成续重叠变换时，就可以得到与时间有关的信号频谱的描述。正是窗函数w(t)的时移和频移使短时傅立叶变换具有了局部特性，．它既是时间的函数，又是频率的函数[18]。
如果用?t和?f分别表示STFT的时间分辨率和频率分辨率，则它们的乘积
1?t??f?4?，这就意味着时域精度的提高将以具有一个所谓不确定性原理
损失频域精度为代价，而提高频域精度将以损失时域精度为代价，二者不可兼得。
5 总结
本振测试系统采用的ADXL150加速度传感器，通过外部放大电路，同时输入到A/D采集电路和双向检波、电压比较电路，借助于AT89C51单片机控制高速A/D-ADS774进行数据采集，将振动数据输入电脑，利用labview对波形还原或进行更为细致的分析。
在实际调试的过程中，为确保读数的正确性和稳定性，可利用示波器观察LM358双向检波电路的输出波形是否符合要求，如果检波输出波形不符合要求则可以通过调节LM358周围的电容电阻使其输出达到要求，并可通过调节检波放大电路输出电位器R2调节输出波形的幅值和直流偏置以输出合适的幅值提供给LM393电压比较电路。通过示波器观察LM393电压比较电路，调节基准电位器R12使电压比较电路能够在检波输出达到或超过一定幅值时为单片机提供一个准的触发信号以启动数据采集系统。
AT89C51单片机通过串行通信方式向电脑发送数据。电脑接收到这些数据
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后首先将数据进行预处理，产生几种典型信号的信号发生子模块和对信号进行时域相关分析子模块，对仿真信号和实际采集到的信号进行频谱分析，功率谱分析，倒频谱分析，得到信号的频域特征，采用谐波小波实现仿真信号的时频分析及谐波小波滤波功能。
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致 谢
本文是在导师杨录老师精心指导下完成的，杨老师渊博精深的知识、严谨的治学态度、敏锐的学术思想及忘我的工作精神，时时刻刻鞭策和鼓励着我，将使我终身受益。至此论文完成之际，向杨老师表示衷心的感谢和崇高的敬意！
大学四年时间即将过去了，在这段求学的道路上，我得到了许多老师、同学和朋友给予的帮助和支持，在此表示诚挚的感谢！
最后向所有关心和帮助过我的人致以衷心的谢意！
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