基于AD7779的高精度微振动采集系统

1、基于AD7779的高精度微振动采集系统摘 要：针对道路、桥梁监测以及矿洞3爆破等工程中对微振动信号的监测需求，设计了一种以24 b高精 度ADCAD7779进行数字采样,以STM32F405为处理器制成测试节点系统,从而建立了无线通讯的高精 度无线传感网络微振动信号采集系统，利用AD7779的可编程放大器功能及SINC3滤波功能实现对微弱振 动的高精度采集，实现对幅值为#00 g的微振动信号的采集*关键词： 微振动;高精度数据采集;可编程放大$噪声分析Hi gh Preci si on M i cro Vi brati on Acqui si ti onSystem Based on AD77

2、79Abstract: For some project such as road or bridge monitoring and mine explodes which need monitor the micro vibration, design a high precision wireless sensor net micro vibration acquisition system that include 24-bit ADC-AD7779 which is used as external ADC and STM32F405 that used as processor an

3、d WLAN to realie wireless communication, and AD7779)s PGA (Programmable Gain Amplifier) and SINC3 fllter to realie high precision acquire for micro vibration and meeting the need that acquire micro vbraton sgnal that ampltude s #00 g*Key words: micro vibration； high precision data acquire； programma

4、ble amplification； noise analyssJ引言目前，对路面、桥梁的振动监测和对关键区 域、建筑、设备的环境监控以及地震防控等领域 中，需要对微弱的振动信号进行监测.当有人员、 车辆等进入或接近被监控区域、建筑或设备时， 其行动产生的振动是极为微弱的，而地震前首先 到达地表的纵波的振动也是极其微弱的，因此需 要对微弱的振动信号进行采集、分析并监控，但 国内外在此方面的研究较少，利用振动波探物往 往是石油或矿物的探测工程，这些工程所使用的 是具有高功率振动台的车辆，而振动波遇到矿物 或油层时会反射，通过对反射波的接收实现探物. 此类工程的震源以及采集端接收到的振动信号幅 值

5、大，与本文设计内容的关键区别也在于此，但 其通过振动信号对盲空间的探测方法为环境监测、 地震防控等工程提供了思路.由于环境监测、地 震防控中幅值变化大，因此需要大量程、高精度 的采集系统.选择高精度振动传感器（能检测识别 幅值为30 g的振动信号），其量程较大，传感器 在感应到微振动信号时输出的电压也非常微弱（微 伏特级）%#&.由于要实现对微振动信号进行数据处 理、存储、传输等，采集系统需将这些微弱的电压 信号转换为数字量.而在采集转换的过程中，因 为传统ADC不具备自增益的功能，对微弱信号的 采集信噪比低，导致部分有效信号丢失或者外 部噪声进入采集通道进而使得采集结果中掺杂大 量噪声以至于

6、微弱信号被淹没在噪声中，这些噪 声影响到了系统采集精度进而导致无法实现对微 振动信号的监测%3.在地震、爆炸等工程防控以及环境监测时，一 般车辆运动以及爆破工程的小型爆炸这类震源在其 附近的介质中能产生的振动幅值可达10 g,但在较 远区域的振动幅值仅为百微重力加速度级，频带分 布在0200 Hz,振动信号幅值变化范围大，振动 频率低.针对这些信号特点，需要一种对微弱信号 采集信噪比高同时采集量程大的采集系统.为了提高监控系统数据采集精度，实现对微 弱模拟信号的采集，本文设计了一套以24 b高精 度ADCAD7779为数字采集器件的高精度数 据采集系统，并通过AD7779特有的片内可编程 放大

7、器及SINC3滤波器等功能实现自适应放大以 及低通信号滤波等方法提高采集精度%4，实现百 微重力加速度级微振动信号的高精度采集.1微振动采集系统设计1.1微振动采集系统总体设计对高精度微振动采集系统的总体结构进行设 计，高精度微振动采集系统由多个微振动采集节 点和数据处理控制中心组成，其中节点与地面固 连，采集微振动信号并存储，同时与数据处理控 制中心无线通讯，受控制中心统一控制，在需要 查看数据时，各节点将自身存储的振动数据通过 无线网桥上传至数据控制中心，实现对振动信号 的提取与检测，通过不同位置的节点采集振动信 号的特点，实现对区域的监测，采集系统如图1 所示.通过系统的总体构成可以看到

8、，负责采集微 振动信号的部分为传感节点*无线通讯I传感节点，监控区域数据处理控制中心无线通讯I传感节点，监控区域数据处理控制中心图1微振动采集系统总体图Fig.1 Total map (U micro-vibration collect system1.2传感节点设计传感节点的结构如图2所示.传感网络节点 负责采集监控区域的振动波，将其转换为模拟电 压进而通过外部ADC转换为数字量进行存储以 及上传，根据其功能将传感网络节点分为3部分:采集部分、数模转换部分以及无线通讯部分.供电电源时钟 晶振MCU 供电电0SPI 通信24 b高精度AD运放_采集部分、数模转换部分以及无线通讯部分.供电电源时

9、钟 晶振MCU 供电电0SPI 通信24 b高精度AD运放_I供电电源高精度I 一 基准潴I放大、隔离 及滤波高精度 加速度 振动得感器MCU传感器 供电电源无线 通讯 设备存储I 设备图2传感节点结构框图Fig.2 Sensor anchor structure diagram要实现对振动波进行高精度的采集并进行合 理分析需要从前两个部分即采集精度及转换精度着手对于硬件而言就是选取高精度的振动传 感器及高精度的ADC.为了完整地采集振动信号，根据信号的幅值 及频率特点需要满足量程和工作频带要求且灵敏 度为百微重力加速度级的高精度加速度传感器. 因此对市场上主流的加速度传感器进行调研，发 现三

10、轴数字加速度传感器敏感精度达不到百微重 力加速度级精度要求，而由3个单轴数字加速度 计组成的敏感头会出现3个轴向的加速度信息输 出时间不同步的问题，因此需选择高精度的模拟 加速度传感器，但是常见的模拟加速度计如 ADXL356, ADXL1001的零偏稳定性分别为士 125 mg（10 g量程）和5 g（100 g量程）,达不到百 微重力加速度级的精度要求，最后选择四川知微 公司的AS1010这一量程为10 g、工作频带为0 200 Hz并且具有150 g的高精度加速度计组成 敏感头，而传感器灵敏度为0. 36 V/g,根据式（1） 可计算得到传感器输出最高精度可分辨电压为54 V.Volt

11、= G$K.（1）根据所得到的传感器所能输出的最高分辨率 电压进行模拟电压转数字数据部分设计，首先进 行ADC的选择，ADC的位数与ADC转换分辨率 的关系如式（2）所示!6Vlsb = Vref/2n ,（2）式中：Vref为ADC的基准电压即为ADC转换的 满量程电压，N为ADC的位数，其中AD采集的 基准电压需要根据传感器输出电压的范围选取, 因此根据AS1002的输出电压范围选择为3. 3 V, 进而要求转换精度在54 V以上才能对AS1002 的输出进行合理的转换，因此ADC的位数必须在 16 b以上，为了保证高保真的采集AS1002输出 的电压波形，选择24 b高精度AD7779作

12、为 ADC,其转换精度可达0. 39 V!7，满足传感器输 出精度的要求*AD7779可通过SPI进行工作状态的配置及传 输转换结果，同时节点要实现无线通讯以及对转换 数据的高速存储都需要MCU.选择STM32F405RG 作为控制单元，其包含3个SPI以及高速存储接口 SDIO及16个DMA流，同时STM32F405RG的主 时钟最高可达16 MHz，运算速度快，从而实现与 ADC、无线通讯模块及存储模块的高速通讯，并实 现在数据传输同时根据转换得到的数据对AD7779 工作状态进行调整的功能.无线通讯模块与存储模块则是用于接收控制 中心指令和存储转换完毕的数据，对于两者的要 求是高速，与高

13、精度采集无关，不在此展开赘述.1.3信号调理电路设计在重点展开模拟信号转数字信号部分设计论 述前，还需要对模拟信号的调理部分设计进行介 绍，这是为了方便后期使用AD7779的功能以提 高信号转换的精度*信号调理电路是为了对输入AD7779的模拟 信号进行预处理!，具体表现为隔离，幅值调整 及差分.隔离通过电压跟随器实现，旨在提高信 号的驱动能力，使传感器输出的电压信号对应的 电流满足AD7779采集通道的要求，幅值调整则 通过反馈电路实现，由于AD7779对差分信号的 采集范围为一1. 65 1. 65 V，而传感器输出为1. 16. 1 V（2. 5 V偏置电压），两者不匹配.因 此先使用负

14、反馈电路使传感器输出缩小为 。2.0 V，再使用全差分放大器对信号进行差分， 调理后的信号与AD7779采集通道要求匹配，为 使用AD7779及其内部可编程放大器进行程控放 大提供基础.2微振动信号采集与转换2.1适应性放大通过PCB板合理设计，降低了电路的底噪 后，为了进一步优化采集结果的信噪比，另一方 面传感器输出幅值弹性大，从震源附近的伏特级 波动到远离震源的百微伏特级的微振动都要高精 度采集!9，故提出使用AD7779内部的信号输入 接口后接可编程运算放大器实现对采集的传感器 输出进行自适应放大.AD7779片内采集通道的可 编程运放允许的放大倍数分别为1，2,4，由于微 振动引起的电

15、压波动较弱，因此可以对其进行适 度放大，这样可以将有效信号与底噪在幅值上的 区别拉大，提高信号的可识别度!10，其放大流程 如图3所示.首先将采集电压范围分成4个区间：0 0. 125 V，0. 125 0. 25 V，0. 25 #0. 5 V 以及 0. 51. 0 V，初始增益倍数为1倍，通过对每一 次采集结果的绝对值所在区间进行判断，改变对 应AD7779寄存器的值调整增益倍数，使微弱信 号进入AD可以被合理放大，提高信噪比.图3自适应放大流程图Fig. 3 Adaptive amplification How chart除程序流程外，硬件条件也必须满足才能进 行合理放大，即如前文所述

16、，输入AD7779的信号 必须是差分信号.AD7779的输入范围为一！re2 ！ re或0！rU,前者为差分信号输入范围后 者为非差分信号输入范围，而非差分信号包含了 零偏电压，此时若对信号进行放大则会将零偏电 压同时放大，容易出现信号饱和截止进而出现信 号的失真，因此必须使用差分信号，此时信号没 有零偏，信号围绕零伏上下摆动，因此对差分信 号的放大不容易出现饱和截止的现象，避免了信 号的失真为了避免表面适应性放大不当导致 采集信号的失真，设置AD7779的采样频率为 10 kHz,远高于振动波频率即变化速度5.2.2陷波滤波AD7779内置低延迟数字滤波器SINC3,对 输入的微振动信号进行

17、有针对的滤波，由于微振 动波的频率小于300 Hz,因此将滤波器的滤波频 率调整到300 Hz,在进行数字转换前的最后一个 环节进行滤波，从而保证转换得到的数字量结果 所含噪声量少，从而提高有效信号即微振动信号 所占比例，保证对微振动的高精度采集.SINC3滤波频率与AD7779的主时钟频率相 关,AD7779的主时钟频率为8 MHz,而根据 AD7779的数据手册，主时钟频率必须为SINC3 滤波器截止频率的整数倍，因此将截止频率设置图O AD7779内SINC3滤波器频率响应图Fig. 4 AD7779% s SINC3 filter frequency response graph对相应

18、寄存器进行设置，配置AD7779样本 抽取率即可控制SINC3的陷波频率，将滤波频率 设置为200 Hz.3 实验验证首先，通过电路优化并使用AD7779内部放 大器及滤波器实现对信号的自适应放大和滤波的 微振动进行直流信号的采集，并对采集结果的精 度进行分析;随后，采集正弦信号以验证采集系 统的采集频率的稳定性;最后，通过采集人走动 引起的振动波验证系统能够采集微振动信号，实 现预期功能.3.1数字采集精度测试实验首先验证SINC3滤波及自适应放大效果，在 使用自适应放大及SINC3滤波前后分别对直流电 压进行采集，为了保证采集的模拟信号的稳定性， 使用信号发生器作为直流信号将输出与采集通道

19、 相连，并对采集结果进行数据处理，得到对数字 采集系统电路改进前后的采集结果的均值与标准 差，如表1所示.表1直流电压采集结果表Tab. 1 DC voitage acquisition resuits table均值/V标准差/V改良前采集结果1.135 081673. 5改良后采集结果1.137 39835. 2!在使用数字采集系统采集直流电压前使用高精 度六位半万用表对其电压进行测试，将测量结果作 为标准值，以确定采集结果的精度.高精度万用表 测量干电池稳定后电压为1.137 343 V，即改进前对干电池采集结果与高度万用表的测量结果的差值为 2. 262 mV,而改进后采集结果均值为1

20、.137 398 V, 与万用表测量结果的差值为0. 053 mV,由此可以 看出改进后数字采集系统的精度大大提高，真正实 现了对数据的高精度采集.本实验中采集结果的均 值与真值的差值即为基准电压不准导致的零偏误 差，而对比改进前后的两个差值可以看出，双电源 供电的方法有效提高了基准源精度.3.2数字采集系统采集频率精度除了通过对直流信号的采集获取幅值采集精 度以外，对信号的采集频率是否稳定，能否准确 采集动态信号，也是能否完成微振动信号采集任务的关键要素，因此对数字采集系统的频率精度 进行测试：数字采集系统采集一定频率的正弦波, 在采集结果中选取N周期的正弦波，若采集频率 为正弦信号频率为尤

21、，则从时域上看N周期 内采样点数应满足(3)cout = N X、千 (3)式中：count为N周期正弦信号的总采样点数,在 本次实验中选择100 Hz的正弦波作为被采集模拟 信号，由信号发生器输出，数字采集系统的采集 频率为10 kHz,选择高采集频率是为了在正式使 用时尽可能完整地采集模拟信号，采集结果的时 域图如图5所示.图5正弦波采集结果时域图Fig. 5 Time domain graph (U sine wave acquisition results原始信号频谱图(b)改良后频谱图6正弦波采集结果频域图原始信号频谱图(b)改良后频谱图6正弦波采集结果频域图Fig. 6 Frequ

22、ency domain graph oU Sine wave acquisition results(a)改良前频谱除了从时域上对信号进行频率稳定性能及噪 声分析外，还通过FFT对采集结果进行频域分 析,从采集结果的频域成分分析采集频率是否稳 原始信号频谱图定以及通过频域各频点成分判断是否含有非输入 信号频率的噪声成分，改进前后的数字采集系统, 采集结果的频域对数谱图如图6所示.从采集结果的频谱可以看出,除了幅值最高 (0 Hz)和正弦信号分量(100 Hz)外,噪声对应的 以及次高的频点对应的有效信号中的直流分量 频点幅值较改良前有明显降低.3.3微振动信号采集行走路线采集点廊图3.3微振动信号采集行走路线采集点廊图8微振动采集试验结果图Fig. 8 Micro-vibration acquisition exper