基于SOC技術(shù)的C8051F020處理器實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用方案

由于旋轉(zhuǎn)件不平衡量離心力的影響，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(huì)隨著機(jī)械運(yùn)動(dòng)的循環(huán)而產(chǎn)生周期性變化，從而使得整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。由于振動(dòng)對(duì)機(jī)械設(shè)備的工作精度、壽命等有很大影響，甚至可能損壞設(shè)備，所以大部分的旋轉(zhuǎn)件需要做動(dòng)平衡。

多數(shù)的動(dòng)平衡測(cè)量系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，周圍存在很多其他設(shè)備，電磁和機(jī)械干擾可能同時(shí)存在，所以對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾性等要求更高。所以對(duì)現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)的改造勢(shì)在必行。提高系統(tǒng)集成度，減小系統(tǒng)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)運(yùn)算能力將有效解決上述問題。在此基礎(chǔ)上我們采用了基于SOC技術(shù)的C8051F單片機(jī)作為系統(tǒng)核心。由于速度快，功能豐富，可以實(shí)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(jī)通訊和高速運(yùn)算等功能。

1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)一般要采集兩種信號(hào)，由光電齒盤產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)過脈沖整形，用來測(cè)量被測(cè)件的轉(zhuǎn)速與相位，并由此決定A/D采樣的時(shí)機(jī)；由壓電傳感器產(chǎn)生的壓力信號(hào)（一般為兩路），用來測(cè)量振動(dòng)幅值。兩個(gè)壓電傳感器的信號(hào)經(jīng)過壓電變換、放大和硬件濾波后，由A/D進(jìn)行采集。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)由MCU進(jìn)行計(jì)算，解算出振動(dòng)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。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MCU采用C8051F020處理器，這是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，它既能接收模擬信號(hào)又能接受數(shù)字信號(hào)，其采用CIP-51TM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(jí)設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)。芯片內(nèi)部集成了64KB的FLASH程序存儲(chǔ)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(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)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(dá)100ksps，完全滿足測(cè)量精度與速度需要。

2.1 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

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(shí)鐘信號(hào)源即可。由于有8路外路模擬通道，在接外部模擬信號(hào)時(shí)，應(yīng)將外部模擬信號(hào)相鄰?fù)ǖ澜拥?，以?a target="_blank">電源毛刺、地電平波動(dòng)以及交互串?dāng)_等影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.2 顯示器與鍵盤設(shè)計(jì)

由于C8051F020有著豐富的I/O，可用I/O口數(shù)量多達(dá)64個(gè)，并且中斷資源豐富。所以鍵盤和顯示器的連接不用擴(kuò)展I/O口。鍵盤采用矩陣式鍵盤，并選擇中斷方式。因?yàn)長(zhǎng)CD的顯示內(nèi)容不實(shí)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(shí)序的控制方式，僅需要14個(gè)I/O口就可以實(shí)現(xiàn)并行方式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際使用中會(huì)遇到各種干擾，包括電氣干擾和機(jī)械振動(dòng)干擾。電氣干擾一般有工頻干擾和尖峰脈沖干擾，機(jī)械干擾則包含了各種雜散振動(dòng)干擾，所以傳感器的輸出不僅有不平衡量引起的基頻振動(dòng)信號(hào)，還含有各種頻率成分的干擾信號(hào)，所以我們需要采用一定的算法消除干擾信號(hào)，提取有用信號(hào)。由于C8051F的速度較傳統(tǒng)的8051速度快很多，其運(yùn)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(fù)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(guān)分析等算法稍微慢一些，但是由于單片機(jī)的速度提升了很多，所以不會(huì)影響測(cè)量與顯示的速度。

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

設(shè)有效采樣點(diǎn)序列為：f（0），f（1），f（2）…f（N-1），N為一周采樣點(diǎn)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(cè)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(shí)利用DFT變換的特性，優(yōu)化運(yùn)算方法，大大降低了運(yùn)算的時(shí)間復(fù)雜度，點(diǎn)數(shù)越多，速度提升越明顯。所以為了提高運(yùn)算速度，實(shí)際的運(yùn)算程序采用優(yōu)化的FFT算法。

3.2 實(shí)驗(yàn)

以下為在一種實(shí)驗(yàn)裝置上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中我們?cè)O(shè)計(jì)被測(cè)件的轉(zhuǎn)速為5HZ，每周采樣64點(diǎn)，圖2是實(shí)驗(yàn)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(hào)完全淹沒在噪聲中。

圖3是采用FFT算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析的數(shù)據(jù)圖，可以看到，除了5HZ的基頻信號(hào)，還存在兩個(gè)個(gè)幅值較大的較高頻率信號(hào)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(shí)驗(yàn)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。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)一種動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)改造，并實(shí)際驗(yàn)證了本測(cè)試系統(tǒng)，每周采樣512點(diǎn)，平衡精度達(dá)到1g，。

（2）由于采用基于SOC技術(shù)的MCU，其豐富的片上外設(shè)，使系統(tǒng)體積大大縮小，電路更簡(jiǎn)潔，抗干擾能力得到提升，并且還有再擴(kuò)展能力。

（3）MCU采用可編程FLASH技術(shù)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件升級(jí)，提高了系統(tǒng)彈性。

責(zé)任編輯：gt