手持式低频振动信号采集系统与技术的研究

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机械故障诊断在现代工业生产中的作用十分重要,而对振动信号的采集和分析又是机械故障诊断的主要方法,因此,研究与开发手持式低频振动信号采集系统具有十分重要的意义。嵌入式技术推动电子产品朝着经济、小巧、可靠、高效的方向发展,已成为一个应用热点,也为手持式低频振动信号采集系统提供了技术支撑。本文以数据采集理论、嵌入式技术和低功耗技术为基础,基于ATmega64L单片机,研制了手持式四通道低频振动信号采集系统。本文首先简要分析了低频振动信号采集系统研究的背景、现状、意义与内容,介绍了数据采集理论、嵌入式技术和单片机软硬件开发环境。然后重点阐述了以高性能低成本的ATmega64L单片机为平台的系统硬件模块和软件程序设计。在硬件设计方面,按照“模块化”的原则,设计了四通道传感器信号调理、A/D转换、铁电存储、串口通信、SD卡接口、键盘控制、液晶显示、电源供电等硬件电路；在软件方面,根据“自顶向下”的原则,综合考虑各方面的情况,编写了数据采集、FFT分析、串口数据传输、铁电—SD卡数据传输、液晶显示、键盘控制等子程序和基于LabVIEW平台的数据采集测试程序,并给出了子程序流程图。最后完成了软硬件联合调试,以确保系统实现预定功能。整个设计过程中重点突出了：128点采样数据实时FFT、铁电—SD卡数据传输、低功耗与抗干扰三项核心技术的设计与研究。为了验证手持式低频振动信号采集系统的可靠性和精确度,本文进行了有针对性的实验。实验结果证明,系统采集数据及时准确、铁电存储安全高效、数据传输稳定可靠、FFT结果准确无误、人机交互简单方便,整个系统的各项功能完全满足设计要求。本系统设计灵活、操作简单,软件和硬件有机融为一体,具有便携带、低功耗、高可靠性和高性价比等优点,充分发挥了嵌入式技术的优势,适于大规模推广,具有广阔的市场前景。

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第1章绪论

1.1 本文研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要内容

1.4 本文研究的关键技术

第2章基本理论技术与软硬件开发环境

2.1 引言

2.2 数据采集理论

2.2.1 采样定理

2.2.2 采样定理的两个条件

2.2.3 频混的产生和消除

2.2.4 量化与编码

2.3 嵌入式系统

2.3.1 嵌入式系统概述

2.3.2 嵌入式系统硬件组成

2.3.3 嵌入式系统软件组成

2.3.4 嵌入式系统的特点

2.4 软硬件开发环境

2.4.1 ATmega64L单片机硬件开发工具

2.4.2 ATmega64L单片机软件开发环境

2.4.3 电路板设计软件Protel DXP2004

2.5 小结

第3章低频振动信号采集系统总体设计

3.1 引言

3.2 采集系统硬件设计

3.2.1 系统硬件结构框图

3.2.2 主控制器

3.2.3 低频振动信号输入设计

3.2.4 信号A/D转换

3.2.5 数据存储和传输

3.2.6 液晶显示和键盘控制电路

3.2.7 电源供电模块

3.2.8 PCB和采集器壳体设计

3.3 采集系统软件设计

3.3.1 软件程序总体流程图

3.3.2 数据采集子程序

3.3.3 串口数据传输子程序

3.3.4 铁电—SD卡数据传输子程序

3.3.5 采样数据FFT分析子程序

3.3.6 液晶显示及键盘控制子程序

3.3.7 基于LabVIEW的采集器测试软件

3.4 系统调试

3.5 小结

第4章低频振动信号采集系统的关键技术

4.1 引言

4.2 128点采样数据FFT运算

4.2.1 按时间抽取基2FFT算法

4.2.2 在ATmega64L上实现FFT

4.3 铁电—SD卡数据传输

4.3.1 FAT32文件系统

4.3.2 ATmega64L对铁电和SD卡的底层读写

4.3.3 铁电—SD卡数据传输

4.4 采集系统低功耗和可靠性设计

4.4.1 采集系统低功耗设计

4.4.2 采集系统可靠性设计

4.5 小结

第5章实验验证与研究

5.1 引言

5.2 实验环境介绍

5.2.1 连接FG1617的采集环境

5.2.2 转子试验台振动信号采集环境

5.3 实验步骤

5.3.1 FG1617信号采集分析实验步骤

5.3.2 转子实验台振动信号采集分析实验步骤

5.4 实验结果与分析

5.4.1 信号采样结果与分析

5.4.2 FFT结果与分析

5.4.3 串口数据传输结果与分析

5.4.4 铁电—SD卡数据传输结果与分析

5.4.5 系统功耗分析

5.5 小结

第6章结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间学术活动情况

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