摘要：针对工厂重要设备运输途中可能损坏的情况，本文设计了一套采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３＋ＦＰＧＡ框架的无线传输的振动信号采集存储系统，可以用于重要设备运输过程中异常振动的实时监测。首先将系统刚性连接在被运输设备上，通过三轴振动传感器获得振动数据，ＦＰＧＡ对数据进行采集、存储，ＳＴＭ３２通过无线模块将数据发送至相应的上位机中、进行相应的振动参数判断，以确定设备的运输状态。振动台实验与实际碰撞实验结果证明，该无线三轴振动信号采集存储系统能够应用于运输设备的异常振动监测，且具有易安装、测量快速准确等特点。

０引言

振动是一种普遍存在的现象。虽然利用振动特性生

产的振动筛［１］、压路机等设备给日常生活带来了许多便利，

但是更多的振动往往会破坏机械设备［２］，比如在运输过程

中产生的异常振动往往会危害到运输设备的安全，为了确

保工厂某些重要设备运输的安全性，本文利用ＳＴＭ３２和

ＦＰＧＡ设计了一套无线三轴振动采集存储系统［３］。

目前，大多数振动监测设备都是通过有线的振动传感

器［４］采集数据，但是运输过程中线缆不方便布置，数据不

能实时传输到上位机，对运输设备的异常振动情况不能做

到实时监测。

本文设计的无线三轴振动采集存储系统，以ＳＴＭ３２Ｆ１０３

单片机为主要控制单元，采用三轴加速度传感器，ＦＰＧＡ将

采集到的数据写入ＦＬＡＳＨ，并且通过ＳＰＩ协议将数据发

送给ＳＴＭ３２Ｆ１０３，ＳＴＭ３２Ｆ１０３将采集到的数据通过无线

模块ｎＲＦ２４Ｌ０１发送到上位机，上位机将数据进行分析显

示。本文以测试振动台［５］为试验对象，将采集到的振动加

速度信号［６］存入ＦＬＡＳＨ，并且通过无线模块将数据发送

至上位机软件。系统预留了有线以太网口，确保数据能够

安全可靠地传输至上位机。

１设计方案

本系统主要分为采集存储模块和上位机软件部分。

系统整体结构框图如图１所示。

１．１硬件设计

采集存储模块主要包括主控单元，以及信号采集、调

理、存储，数据发送，ＥＥＰＲＯＭ模块和供电模块。

① 主控单元。主控单元采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６，ＦＰＧＡ

采用Ｓｐａｒｔａｎ６系列的ＸＣ６ＳＬＸ１６

ＣＳＧ２２５，具有１６０个通用Ｉ／Ｏ。ＦＰＧＡ与

ＳＴＭ３２使用标准ＳＰＩ协议进行通信，

ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６通过无线模块接收上位

机软件的指令，然后通过ＳＰＩ通知ＦＰＧＡ

做出相应的操作。

② 信号采集。主要是三轴加速度

传感器与Ａ／Ｄ转换模块，采集到的信号

为振动加速度信号。加速度传感器的选

型主要考虑传感器的量程、灵敏度以及价格等因素，选择了

国产的压电式ＩＥＰＥ三轴加速度传感器，其产品型号为

Ａ２７Ｆ０１Ｚ。此款传感器的测量范围为±２０００Ｇ，频率范围为

２～５０００Ｈｚ，供电电压为５Ｖ，工作电流为２～１０ｍＡ，正常

工作偏置电压为２．５Ｖ。

Ａ／Ｄ转换模块采用的是ＡＤＳ８６８１，传感器信号经过

模拟板信号调理电路之后，进入Ａ／Ｄ芯片转换成数字信

号之后存入ＦＬＡＳＨ。三轴振动数据的采集采用３个１６

位的ＡＤＳ８６８１，最大采样率为１Ｍｓｐｓ，供电电压为３．３Ｖ

（数字供电）和５Ｖ（模拟供电），参考电压采用自身内部

４．０９６Ｖ的参考电压，其电路原理图如图２所示。

的主要器件为ＡＤ８０３０运放。

④ 信号存储。存储模块主要

实现实时存储传感器采集到的数

据，避免突然掉电等不可抗因素导

致的数据丢失。ＦＬＡＳＨ采用镁光

公司的非易失性ＮＡＮＤ型

ＭＴ２９Ｆ４Ｇ０８ＡＢＡＤＡ闪存存储器

对Ａ／Ｄ转换的数据进行实时存储，

如图４所示。ＭＴ２９Ｆ４Ｇ０８ＡＢＡＤＡ的存储容量是４ＧＢ，内

部分成４０９６个块，每个块有６４页，页编程时间为２００μｓ，

数据写入速度约为８Ｍｂｐｓ，块擦除时间为２ｍｓ。

⑤ 数据发送。通过无线模块ｎＲＦ２４Ｌ０１发送数据，

当前端Ａ／Ｄ采集到的数据大于设置阈值时，ＦＰＧＡ将数

据写入ＦＬＡＳＨ，并通过ＳＰＩ将数据传输给ＳＴＭ３２，

ＳＴＭ３２将数据通过无线模块ｎＲＦ２４Ｌ０１发送给上位机。

⑥ ＥＥＰＲＯＭ模块。ＥＥＰＲＯＭ主要是用于存储配置

参数（阈值、延时以及采集时长），系统上电后，ＦＰＧＡ从

ＥＥＰＲＯＭ中读取配置参数，将其设置成相对应的参数。

⑦ 电源模块。采用单独一块电源转换电路板给系统

供电，如图５所示。外部电源采用３．７Ｖ可充电

锂电池供电。

在完成以上电路设计之后，制作了集成化

印制电路板，如图６和图７所示。

１．２硬件程序设计

程序设计核心部分是通过主控ＦＰＧＡ实时

监测Ａ／Ｄ数据输出，一旦Ａ／Ｄ输出数据大于预

先设置的阈值，ＦＰＧＡ就将Ａ／Ｄ输出数据写入

ＦＬＡＳＨ，采集时长为预先设定值。同时，ＦＰＧＡ

通过ＳＰＩ协议将数据传输给ＳＴＭ３２，ＳＴＭ３２通

过无线模块将数据传输至上位机，系统程序流

程图如图８所示。

１．３上位机软件设计

上位机软件主要通过无线接收终端对系统进行配置、

查询以及数据接收处理。

① 配置。上位机通过无线接收终端向下位机发送配

置指令，配置信息包括采集时长以及Ａ／Ｄ阈值。

② 查询。上位机通过无线接收终端向下位机发送查

询指令，下位机接收到之后通过串口返回配置信息（若未

配置，则返回值全１）。

③ 数据接收处理。上位机通过无线接收终端将接收

到的数据进行实时显示。

２实际碰撞试验与振动台测试及结果分析

２．１实际碰撞试验

为了模拟设备在实际运输过程中因为碰撞产生的振

动，将系统与地面以一定加速度使其发生碰撞，此时系统

设置的Ａ／Ｄ阈值为５ｇ，上位机接收到系统因碰撞而产生

的振动信号如图９所示。

由图９可知，本系统对碰撞产生的振动信号比较灵

敏，能够较好地将信号采集并转发至上位机。图中，横坐

标为采样时长，纵坐标为Ａ／Ｄ量化值。

２．２振动台测试结果

本系统使用振动台来验证系统的可用性，选择苏州苏

实试验仪器有限公司生产的型号为ＴＢＲ３００Ｂ、台体型

号为ＤＣ１０００１５的振动台，如图１０所示。

首先，利用上位机软件配置好阈值和采样时长，将系

统安装固定在振动台上之后，将振动台设置成不同大小加

速度环境下验证系统的可用性。

当振动台振动大于系统设置的Ａ／Ｄ阈值时，系统通

过无线模块将数据上传至上位机软件，上位机软件将数据

显示出来，以达到实时监测的目的。

图１１１０ｇ加速度曲线

图１１、图１２所示分别是系统在阈值为６ｇ、振动台加

速度为１０ｇ，以及阈值２ｇ、振动台加速度为５ｇ的振动数据

曲线。图１３、图１４分别是系统另外两个轴的振动曲线。

图１５是系统在阈值为９ｇ、振动台加速度为１４．５ｇ环境下

的振动数据曲线。图１６是系统在阈值为３ｇ、振动台加速

度为７．５ｇ环境下的振动数据曲线。

４结语

本文通过研究ＬＤＰＣ编码原理，设计电路实现其在

ＦＰＧＡ硬件的板级验证，并在此基础上通过ＥＤＡ工具完

成后端的自动布局布线流程。通过分析验证，完成工程的

芯片化制作，并通过板级验证得到完整的８１７６位的编码，

解决了ＬＤＰＣ编码在硬件实现上的问题，提出一种新型编

码方案，利用ＩＣ设计实现从宏观到微观的操作流程，为探

索芯片国产化进程添砖加瓦。