基于C8051F的動平衡測試系統(tǒng)

時間：2008-08-22 22:32:00

關鍵字： C8051F 動平衡測試系統(tǒng) BSP MCU

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[導讀]由于制造誤差的影響，任何的旋轉(zhuǎn)件都會產(chǎn)生動不平衡，進而產(chǎn)生振動對設備造成危害。大多數(shù)的動平衡測試系統(tǒng)由于工作環(huán)境中各種干擾同時存在，加之系統(tǒng)設計復雜，芯片抗干擾能力差，測量精度不高。所以本文介紹了一種采用高度集成的高性能處理器芯片C8051F020來簡化系統(tǒng)硬件復雜度，提高系統(tǒng)抗干擾能力，采用精度更高的FFT算法，提高解算精度。經(jīng)過實驗驗證，系統(tǒng)抗干擾能力和精度得到了提高。

0 引言

由于旋轉(zhuǎn)件不平衡量離心力的影響，在轉(zhuǎn)動時，中心慣性主軸與回轉(zhuǎn)軸線不重合，所以慣性力矩或慣性力偶矩的大小與方向會隨著機械運動的循環(huán)而產(chǎn)生周期性變化，從而使得整個機械系統(tǒng)產(chǎn)生振動。由于振動對機械設備的工作精度、壽命等有很大影響，甚至可能損壞設備，所以大部分的旋轉(zhuǎn)件需要做動平衡。

多數(shù)的動平衡測量系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，周圍存在很多其他設備，電磁和機械干擾可能同時存在，所以對測量系統(tǒng)的抗干擾性等要求更高。所以對現(xiàn)有測試系統(tǒng)的改造勢在必行。提高系統(tǒng)集成度，減小系統(tǒng)復雜度，提高系統(tǒng)運算能力將有效解決上述問題。在此基礎上我們采用了基于SOC技術的C8051F單片機作為系統(tǒng)核心。由于速度快，功能豐富，可以實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字采集、操作控制、LCD模塊顯示、輸出數(shù)據(jù)、與上位機通訊和高速運算等功能。

1 測試系統(tǒng)構成

系統(tǒng)一般要采集兩種信號，由光電齒盤產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過脈沖整形，用來測量被測件的轉(zhuǎn)速與相位，并由此決定A/D采樣的時機；由壓電傳感器產(chǎn)生的壓力信號（一般為兩路），用來測量振動幅值。兩個壓電傳感器的信號經(jīng)過壓電變換、放大和硬件濾波后，由A/D進行采集。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由MCU進行計算，解算出振動的幅值和相位，然后通過LCD顯示。系統(tǒng)主要功能模塊如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

MCU采用C8051F020處理器，這是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，它既能接收模擬信號又能接受數(shù)字信號，其采用CIP-51^TM微處理器內(nèi)核，與8051完全兼容，并且在速度上有顯著的提高。完全的工業(yè)級設計，抗干擾能力強。芯片內(nèi)部集成了64KB的FLASH程序存儲器，比較器模塊，SPI和I²C接口等。片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。內(nèi)部集成12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC 中集成了跟蹤保持電路，速度高，轉(zhuǎn)換速度可達100ksps，完全滿足測量精度與速度需要。

2.1 A/D轉(zhuǎn)換電路設計

該A/D轉(zhuǎn)換采用C8051F020內(nèi)部集成的12位A/D轉(zhuǎn)換器，只需配置好參考電壓和時鐘信號源即可。由于有8路外路模擬通道，在接外部模擬信號時，應將外部模擬信號相鄰通道接地，以免電源毛刺、地電平波動以及交互串擾等影響轉(zhuǎn)換結果。

2.2 顯示器與鍵盤設計

由于C8051F020有著豐富的I/O，可用I/O口數(shù)量多達64個，并且中斷資源豐富。所以鍵盤和顯示器的連接不用擴展I/O口。鍵盤采用矩陣式鍵盤，并選擇中斷方式。因為LCD的顯示內(nèi)容不實特別多，速度要求不是特別快，所以為方便起見，LCD的控制采用模擬時序的控制方式，僅需要14個I/O口就可以實現(xiàn)并行方式。

3 系統(tǒng)軟件設計

動平衡測試系統(tǒng)在實際使用中會遇到各種干擾，包括電氣干擾和機械振動干擾。電氣干擾一般有工頻干擾和尖峰脈沖干擾，機械干擾則包含了各種雜散振動干擾，所以傳感器的輸出不僅有不平衡量引起的基頻振動信號，還含有各種頻率成分的干擾信號，所以我們需要采用一定的算法消除干擾信號，提取有用信號。由于C8051F的速度較傳統(tǒng)的8051速度快很多，其運算能力提升了近十倍，所以我們可以在不影響顯示速度的前提下，采用更復雜、精度更高的算法。

3.1 DFT與FFT算法

FFT算法精度比較高，雖然在速度上較相關分析等算法稍微慢一些，但是由于單片機的速度提升了很多，所以不會影響測量與顯示的速度。

由傅立葉分析可知，一個周期信號可以分解為許多不同頻率正弦信號之和，即可以將周期信號看成是各次諧波之和。采集到的信號是離散的數(shù)字信號，所以需要采用離散傅立葉變換（DFT），進行頻譜分析。

設有效采樣點序列為：f(0),f(1),f(2)…f(N-1)，N為一周采樣點數(shù)，離散化后的傅立葉變換為：

只需要提取基頻分量就可以得到被測件的不平衡量。相位依上述公式算出。

即快速傅立葉變換（FFT），實利用DFT變換的特性，優(yōu)化運算方法，大大降低了運算的時間復雜度，點數(shù)越多，速度提升越明顯。所以為了提高運算速度，實際的運算程序采用優(yōu)化的FFT算法。

3.2 實驗

以下為在一種實驗裝置上的實驗結果。實驗中我們設計被測件的轉(zhuǎn)速為5HZ，每周采樣64點，圖2是實驗中某一傳感器上采集到數(shù)據(jù)的波形圖，由圖2可以看出其有用信號完全淹沒在噪聲中。

圖2實際采樣信號時域波形

圖3是采用FFT算法對采集數(shù)據(jù)進行頻域分析的數(shù)據(jù)圖，可以看到，除了5HZ的基頻信號，還存在兩個個幅值較大的較高頻率信號的干擾以及幅值很小的其他頻率干擾，與采集數(shù)據(jù)是吻合的。由于實驗中的不平衡量加的比較小，所以我們看到噪聲干擾的幅值比基頻的幅值更大。