基于STM32的便携式振动信号检测仪器的研究

　　1 引言

　　目前对机械设备振动信号进行检测一般采取的方案是“单片机 +A/D+ 工控机”,将传感器信号送入工业控制计算机,此方案对设备的振动信号进行了检测、分析和处理,达到了检测的目的。这种方案组合的缺点是需要一个 AD 芯片,由于存储容量的限制,需要将采集的数据传送到工控机上进行分析和处理,这也就导致了系统携带不方便。鉴于此,本文以煤矿主扇风机为研究对象,介绍了 一种基于 STM32F103Tx 芯片的振动信号检测仪器,对采集的振动信号分析、处理、显示,并将数据通过STM32F103Tx 的SPI 接口保存到SD 卡内,方便对振动故障原因的进行进一步分析[1]。

　　2 硬件设计

　　系统硬件可分为底层信号采集、显示、存储和传输四大部分组成。系统硬件整体结构框图如图 1 所示.

　　STM32F103Tx 使用ARM Cortex-M3 32 位的RISC内核,主频为72MHZ,带有片内RAM,3 个定时器,通信接口有I2C、SPI、USB、CAN 各1 个,2 个USART, 2 个10通道的12 位同步ADC,1 μs 的转换速度,DMA 支持SPI、ADC、I2C 等。工作温度-40°C 至85°C,供电电压2.0至3.6V,在待机模式下最低功耗2 μA,STM32F103Tx 封装为VFQFPN36,体积小,低功耗且价格便宜。

　　底层信号采集部分:此部分由传感器和信号调理电路两部分组成。传感器把待测的振动参数转换成各种电参数,根据需要将电参数经过滤波、积分、微 分、放大等信号转换过程得到不失真的幅度合适的电信号,送入 A/D 进行数据的采集[1]。采用 CD-21T 磁电式速度传感器,最大可测位移:±1mm,频率范围:10~1000Hz,线性度 5%。将 CD-21T 分别安装在风机前轴承位置处的机壳垂直和水平方向,以及轴承位置处的机壳垂直和水平方向[ 2 ]。由于传感器输出的是标准电流信号 4 -20mA,而 STM32F103Tx 内的 ADC 只能对电压信号进行采集,因此磁电式传感器输出的电流信号必须转换成电压信号,这就是信号调理电路的功能。信号调理电路将 4-20mA 的电流信号转换成 0-3.3V 的电压信号,然后送至 STM32F103Tx 的 A/D 输入端。

　　显示部分:当对采集到的信号分析处理后,需将数据显示出来。考虑到此仪器的便携性和低成本性,采用RCU6093W-B(102*65)液晶器件进行显示,该器件3.3V供电,在 STM32F103Tx 芯片的允许供电范围之内,且接口电路简单。

　　存储部分:如果需要对采集到的数据更进一步的分析处理,需要将数据存储起来。STM32F103Tx 提供了SPI 接口,且SD 卡支持SPI 总线模式的访问,传输协议和接口电路都比较简单。因此,存储设备选用 SD 卡。SD卡SPI 总线模式引脚定义如表 1 所示。

　　STM32F103Tx 通过 SD/MMC 卡座与 SD 卡连接,由于 SD 卡是 3.3V 供电,因此可与 STM32F103Tx 芯片直接连接,如图 2 所示.