1、震动信号采集报告中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 陈杰 学 号： 1005084122 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 生物医学工程 题 目： 振动信号采集系统设计 指导教师： 杨录 2013 年 12 月 20 日 中北大学课程设计任务书 2013/2014 学年第 一 学期学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 生物医学工程 学 生 姓 名： 田野 学 号： 21 学 生 姓 名： 陈杰 学 号： 22 学 生 姓 名： 黄志浩 学 号： 45 课程设计题目： 振动信号采集系统设计 起 迄 日 期： 12月9日12月 20日 课程设计地点： 信息工程系实验室 指 导 教
2、 师： 杨 录 学 科 主 任： 张 全 下达任务书日期: 2013 年 12月8日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：本课程设计根据生物医学工程专业课程体系设置的要求，安排的一种综合性的课程设计。一方面为了培养学生在查阅资料、复习、学习知识的基础上，进行包括光、机、电系统的设计、计算、仿真、编程、调试等多个环节的综合能力培养；另一方面，也是对学生进行毕业设计前的一次大型练兵，进一步培养学生独立分析、解决实际问题的实际能力。另外还培养学生用专业的、简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：（1）分析振动信号的特点；（2）设计
3、采集电路总体方案；（3）电路的设计、仿真与调试；（4）用汇编、C或其他语言实现语音录放器的编程、仿真与调试；（5）分析、总结；3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：（1）提供核心器件的工作原理与应用介绍；（2）提供电路原理图及参数计算；（3）提供用软件对电路的仿真、编程与分析；（4）提供符合规定要求的课程设计说明书；（5）提供参考文献不少于15篇，且必须是相关的参考文献； 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：（1） 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998；（2） 王远.模拟电子技术.北京：机械工业出版社，2001；（3） 陈汝全.电
4、子技术常用器件应用手册.北京：机械工业出版社，2003；（4） 毕满清.电子技术实验与课程设计.北京：机械工业出版社，2006；（5） 张俊谟.单片机中级教程-原理与应用.北京：北京航空航天大学出版社，2002；其他参考文献，务必按照国标GB771487文后参考文献著录规则书写。5设计成果形式及要求：（1）电路原理图、仿真结果、程序；（2）课程设计说明书；6工作计划及进度：（12月8日开始，12月20日答辩，学生自拟进度）系主任审查意见： 签字： 年 月 日目 录1 实验背景12 整体设计思路13 实验原理图23.1 硬件原理图23.2 软件原理图24 元器件以及应用软件简介24.1 NE55
5、3224.2 AD62024.3ADC1634.4 Multisim 仿真软件34.5 Matlab 35 硬件电路设计45.1 信号叠加电路原理图 45.2信号叠加电路仿真结果图 45.3 模数转换电路原理图55.4 模数转换电路仿真结果图56 实验程序67 实验结果与分析88 心得体会12参考文献13附录141 实验背景震动信号普遍存在于自然界中，渗透于人类生产生活的各个方面，震动信号采集与分析技术是机械动力学和电子技术相结合的一门崭新的学科。随着科学技术的日益发展，对各类机械的运转速度、承载能力、工作寿命等方面的要求越来越高。人们对震动的认识也越来越深入，因此对震动信号监测采集和分析技术
6、的研究提出了越来越高的要求。震动信号分析作为传感系统的一个重要组成部分，对震动信号实时分析和处理，并给出相应的识别信号，可以判别震动信号，减小其它信号的干扰。通过初步分析处理该信号，进行数据采集预处理电路、数据存储器、仿真接口及与计算机的通信接口的实现，来采集到良好的震动信号。微弱信号提取过程中，有时信号非常微弱，极易受到外界的干扰而淹没于强噪声之中，有时被测信号振幅变化范围又很大，给信号采集带来很大困难。放大电路本身的噪声性能和频率特性也将影响到信号的提取精度。对震动信号的采集及处理，通常是用普通的数据采集系统去采集，然后用数字信号处理的方法来提取数据的特征信息。但是，一些由采集系统的不足对
7、信息造成的损失，是后期的数字信号处理无法补偿的。针对此情况，本文考虑设计一个微弱震动信号采集系统，能够根据被测信号的振幅实时地调节放大器的增益，从而检测出微弱震动信号。2 整体设计思路由于有些震动信号幅值较小，频率较杂乱，不易检测，在采集过程中可使用ADXL150传感器来感知微弱信号，然后经过运算放大器进行放大，将放大后的信号经输入到AD转换器进行采样，然后再将采样信号输入计算机进行存储。由于实验条件不允许，无法采集到真实的震动信号，在这个实验中，我们将两个幅值与频率都不相同的正弦信号叠加来代替震动信号，使用multisim对其进行电路仿真，首先进行信号放大，然后输入AD进行采样输出。使用ma
8、tlab对其进行时域和频域分析。首先要产生两个正弦信号，利用matlab中的sin函数就可以直接生成两个正弦信号。将这两个正弦信号进行叠加就可以得到信号x3，再用MATLAB自带的fft函数做FFT变换进行频谱分析，可以得到各信号的频谱图。最后，为了从x3信号中恢复出原始x1和x2信号，需要设计一个低通（滤波器1），一个带通滤波器（滤波器2）3 实验原理图1 硬件原理图： 图3.12 软件原理图：图3.24 元器件以及应用软件简介1 NE5532NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压
9、范围大等特点。2 AD620AD620是低成本，高精度仪表放大器。仅需要一个外部电阻来增益，增益范围是110000.此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计。并且功耗更低，因而非常适合电池供电及便携式应用。AD620具有高精度，低失调电压和低失调漂移特性。是传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。此外AD620还具有低噪声，低输入偏置电流，使之其非常适合ECG等医疗应用。3 ADC16ADC16是8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，
10、据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。4 Multisim仿真软件Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。此次课程设计使用Multisim对硬件电路进行仿真，经过叠加，放大，模数转换，直观的观察出信号的变化。5 MATLABMATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，主要包括
11、MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式。使用MATLAB对震动信号进行时域和频域分析，得出叠加信号的中值，最大值，最小值，方差以及频谱及滤波后的频率特性，加深了对信号处理的认识。5 硬件电路设计1 信号叠加电路原理图 图5.1信号叠加电路2 信号叠加电路仿真结果 图5.2叠加信号3 模数转换电路原理图图5.3 模数转换电
12、路4 模数转换电路仿真结果 图5.4输出信号6 实验程序程序如下：clear; a1=input(请输入信号1的幅度:); f1=input(请输入信号1的频率:); a2=input(请输入信号2的幅度:); f2=input(请输入信号2的频率:); f=max(f1,f2); %依据抽样定理，确定抽样点数N if f54&f128&f=1024 N=2048; else N=8192; endn=linspace(0,1,N);x1=a1*sin(2*pi*f1*n); %输入信号1 x2=a2*sin(2*pi*f2*n); %输入信号2x3=x1+x2;%求叠加信号 figure(1
13、) subplot(3,1,1) plot(x1) %画出信号1的时域图title(原始信号x1的图像); subplot(3,1,2) plot(x2) %画出信号2的时域图 title(原始信号x2的图像);subplot(3,1,3) plot(x3) %画出叠加信号3的时域图 title(叠加后信号x3的图像); fs=N; %令采样频率等于抽样点数 X3=fft(x3); %求叠加信号的傅里叶变F=X3(1:N/2+1); %减少一半数f=fs*(0:N/2)/N; %使频率轴从0开始 figure(2) plot(f,abs(F) %画出X3的频谱图 title(X3的频谱图);
14、M=input(请输入滤波器指标:); fc1=f1-1; fc2=f1+1;w1=2*pi*fc1/fs; w2=2*pi*fc2/fs; %将模拟滤波器的技术指标转为数字滤波器指标window=hamming(M+1); %使用汉明窗函数 hn=fir1(M,w1/pi w2/pi,window);%利用列矢量window中指定的窗函数进 %行滤波器设计，window长度为M+1。 figure(3) freqz(hn,1,N); title(滤波器1) y1=fftfilt(hn,x3); %利用由b表示的滤波器对数据矢量x3进行滤波 figure(4) subplot(3,1,1) %
15、将当前绘图窗口分割成3行1列，并且在第一区域 plot(y1) title(滤波器信号1的波形（包含实部和虚部）) subplot(3,1,2) plot(real(y1) title(滤波后信号1波形（只含实部）) Y1=fft(y1,N); %对y1进行傅里叶变换 subplot(3,1,3) plot(abs(Y1) %Y1取绝对值并画图 title(滤波后信号1频谱) M=input(请输入滤波器指标);fc1=f2-1; fc2=f2+1; w1=2*pi*fc1/fs; %将模拟滤波器的技术指标转为数字滤波器指标 w2=2*pi*fc2/fs; %将模拟滤波器的技术指标转为数字滤波
16、器指标 window=hamming(M+1); %使用汉明窗函数 hn=fir1(M,w1/pi w2/pi,window);%利用列矢量window中指定的窗函数进 %行滤波器设计，window长度为M+1 figure(5) freqz(hn,1,N); title(滤波器2) y2=fftfilt(hn,x3); %利用由b表示的滤波器对数据矢量x3进行滤波 figure(6) subplot(3,1,1) plot(y2) title(滤波后信号2的波形（包含实部和虚部）)subplot(3,1,2) plot(real(y2) title(滤波后信号2波形（只含实部）) Y2=ff
17、t(y2,N); %对y2进行傅里叶变换 subplot(3,1,3) plot(abs(Y2) %Y2取绝对值并画图title(滤波后信号2频谱)时域分析：m= mean(x3); disp (m); mi = min(x3); disp (mi); mx = max(x3); disp (mx); st = std(x3); disp (st);7 实验结果与分析若输入以下信息：请输入信号1的幅度:4请输入信号1的频率:20*pi请输入信号2的幅度:7请输入信号2的频率:5*pi请输入滤波器指标:89请输入滤波器指标:78则可以仿真出以下诸图： 图7.1 原始信号及合成信号 图7.2 合成
18、信号的频谱 图7.3 滤波器1及它的频谱特性 图7.4 经滤波后恢复得到的信号 图7.5 滤波器2及它的频谱特性 图7.6 经滤波后恢复得到的信号时域分析结果： 0.0839 -10.5181 10.5169 5.71128 心得体会我们认为，在这学期的实验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟。课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了
19、很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。细细回忆此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会
20、遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。虽然设计中遇到了很多编程问题，但这次课程设计终于顺利完成了，最后在杨老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在杨老师的身上我学得到很多实用的知识，在此我表示感谢！当然，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师也要表示感谢！参考文献【1】数字电子技术基础 阎石 编著 高等教育出版社，1998； 【2】模拟电子技术 王远 编著 机械工业出版社，2001； 【3】电子技术常用器件应用手册 陈汝全 编著 机械工业出版社，2003； 【4】传感器与检测技术 彭军 编著 西安电子科技大出版社 2003； 【5】自动监测技术与装置 张宏建 编著 化学工业出版社 2004 ；【6】电子技术实验与课程设计 毕满清 编著 机械工业出版社 2005； 【7】电子线路设计、实验、测试自美 编著 高等教育出版社 2000；附： 总电路图
