振动频率分析仪的设计与实现

摘要

由于工业界生产效率的提高，同时对生产安全的日益重视，为了避免由于非预期设计振动造成相应损失，机械设备的振动监控的重要性日益加强。振动频率分析仪是对机械振动监控的重要仪器设备。其通过相应处理技术，得到振动信号的相应频率信息，从而帮助监控人员判断目前设备的运行情况，达到对机械振动进行有效监控的目的。
　　为了解决以上需求，本文介绍了一种嵌入式的振动频率分析仪的设计与实现方案。该分析仪，基于ARM的Cortex-M3核心微处理器。其通过围绕该内核的软硬件系统设计，实现对振动传感器转换的模拟振动信号的采样量化处理。分析仪对量化后的振动信号进行相应的ⅡR数字滤波，FFT快速傅里叶等算法后，得出对应信号频谱，并根据设计要求得出频率分析结果。该分析仪搭载μC/OS-Ⅱ实时操作系统，进行多任务切换;移植了μC/GUI图形界面框架，实现一定程度的人机交互功能;加入了带有文件系统的SD卡存储模块，实现了数据的保存与回放。
　　为了保证该分析仪的实用性，该仪器设计目标振动频率分析范围为:0～10kHz。频谱分辨率根据不同频段分别要求为:(1).10～200Hz:2Hz;(2).200～1kHz:20Hz;(3).1K～10kHz:40Hz。依据上述目标，本文设计了三段式粗扫描与精扫描结合的处理方案。分析仪在根据该方案对信号分析后，显示目前幅值最高的前五个波峰，以及时域上的信号特征量，作为振动状况的参考信息。
　　通过本文阐述的软件、硬件方案的，振动频率分析仪实现了以上设计目标，取得了良好的效果。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外发展现状

1．3 设计课题技术背景

1．4 本文主要内容与结构安排

第2章 频率分析方案设计

2．1 设计目标与功能要求

2．2 频率分析处理关键技术介绍

2．2．1 IIR滤波器

2．2．2 FFT快速傅里叶变换

2．3 频率分析具体方案设计

2．4 本章小结

第3章 硬件系统方案设计与实现

3．1 核心处理器STM32f103微处理器

3．1．1 核心处理器STM32f103微处理器

3．1．2 硬件系统方案的模块结构

3．2 主要硬件功能模块的设计与驱动

3．2．1 信号采集模块

3．2．2 LCD触摸显示屏模块

3．2．3 SD卡存储模块

3．3 本章小结

第4章 软件系统方案设计与实现

4．1 RTOS操作系统

4．1．1 μC／OS-Ⅱ概述

4．1．2 用户任务划分与结构设计

4．2 数字信号处理任务设计与实现

4．2．1 数字信号处理任务流程阐述

4．2．2 IIR滤波器的软件实现

4．2．3 FFT快速傅里叶变换的软件实现

4．3 GUI界面的任务设计与实现

4．3．1 μC／GUI概述

4．3．2 μC／GUI的移植与优化

4．3．3 用户界面的具体设计与实现

4．4 本章小结

第5章 测试、总结与展望

5．1 测试

5．1．1 总量测量测试

5．1．2 频谱分析测试

5．2 总结

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果