羅小燕　張方偉　肖文聰

摘 要：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為幫助學(xué)生更好地掌握聲音信號(hào)采集與處理領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，開發(fā)了一套磨音信號(hào)采集與處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。采用STM32F103作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)磨音數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)、快速傅里葉分析、選頻段磨音能量分析、TCP通信等功能。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重點(diǎn)介紹磨音采集電路、信號(hào)調(diào)理電路、上位機(jī)顯示等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)的綜合性強(qiáng)，能夠有效促進(jìn)學(xué)生的工程能力和科研思維的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：磨音信號(hào)；采集與處理；嵌入式系統(tǒng)；TCP客戶端；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

Design and Implementation of an Experimental System forGrinding Noise Signal Acquisition and Processing

Luo Xiaoyan Zhang Fangwei Xiao Wencong

Abstract：In experimental teaching，to help students better master the related knowledge in the field of sound signal acquisition and processing，a grinding noise signal acquisition and processing experimental system was developed.Using STM32F103 as the main control chip，it implements functions such as the collection and storage of grinding noise data，F(xiàn)ast Fourier Transform analysis，selected frequency band grinding noise energy analysis，TCP communication，etc.The experiment focuses on introducing the grinding noise collection circuit，signal conditioning circuit，and upper computer display.The experiment is comprehensive and can effectively promote the development of students' engineering capabilities and scientific research thinking.

Key words：Grinding noise signal;Acquisition and Processing;Embedded System;TCP Client;Experimental Teaching

磨音是指磨機(jī)磨礦過程中磨礦介質(zhì)與物料、磨礦介質(zhì)與襯板、磨礦介質(zhì)與磨礦介質(zhì)相互碰撞所產(chǎn)生的聲音。［1］棒磨機(jī)是利用鋼棒滾動(dòng)的研磨和擠壓將礦石破碎的設(shè)備，在其運(yùn)行時(shí)有“正常磨”“欠磨”“過磨”三種狀態(tài)。［2-3］當(dāng)磨機(jī)處于“欠磨”“過磨”狀態(tài)時(shí)，會(huì)增加磨機(jī)無用的損耗，影響磨礦生產(chǎn)質(zhì)量。［4］而磨音信號(hào)能量可以較好地與磨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)建立聯(lián)系，［5-6］因此，開發(fā)一套適應(yīng)于棒磨機(jī)的磨音采集與處理系統(tǒng)，對(duì)棒磨機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)、提高黑鎢資源的有效利用具有重要的指導(dǎo)意義。

本文將設(shè)計(jì)一套磨音信號(hào)采集與處理的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，作為計(jì)算機(jī)控制課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可幫助學(xué)生更好的理解和掌握計(jì)算機(jī)控制與信號(hào)處理領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，并提供一定的單片機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)功能分析

1.1 棒磨機(jī)噪聲來源分析

棒磨機(jī)聲源較多，一是來自鋼棒、物料和襯板間的相互撞擊，一部分噪聲直接透過筒體向外界傳播，另一部分噪聲能量通過襯板傳遞給筒體，使筒體受激振動(dòng)產(chǎn)生二次輻射噪聲；二是來自配套使用的電機(jī)運(yùn)行和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的噪聲；三是來自風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲。第一種噪聲是反映棒磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的噪聲，其余為干擾噪聲。在磨礦過程中，當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，鋼棒與鋼棒間的撞擊較為頻繁，磨音頻率分布在中高頻；當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，鋼棒與物料、襯板碰撞次數(shù)增加，鋼棒間碰撞次數(shù)和沖擊次數(shù)減少，磨音頻率主要分布在中低頻。［7-8］磨音信號(hào)的頻域信息與棒磨機(jī)負(fù)荷大小存在一定的聯(lián)系。因此，通過對(duì)磨音信號(hào)的采集和處理，能夠有效地監(jiān)測(cè)棒磨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由拾音器、信號(hào)調(diào)理電路、微控制器及其外圍電路、WiFi模塊等組成。將采集的棒磨機(jī)磨音信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后，由單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器將電壓值變換成芯片可操作的數(shù)字量，再對(duì)磨音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉分析和聲強(qiáng)值計(jì)算，之后使用串行通信的方式將磨音強(qiáng)度發(fā)送至WiFi模塊，通過TCP客戶端后將數(shù)據(jù)發(fā)出，完成磨音信號(hào)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)帶有數(shù)據(jù)保存功能，可以及時(shí)存儲(chǔ)磨音數(shù)據(jù)。磨音信號(hào)采集與處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選取及資源分配

選用STM32F103ZET6作為主控芯片，其搭載了Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率在72MHz，實(shí)時(shí)性能優(yōu)秀。STM32F103ZET6具有512KB FLASH、多個(gè)DMA傳輸通道、多個(gè)ADC采集通道，有著豐富的外部接口。芯片內(nèi)部集成了12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以較為準(zhǔn)確地保留原始信號(hào)的信息。主控芯片的資源分配如表1所示。

2.2 前置放大電路

圖2為設(shè)計(jì)的信號(hào)采集放大電路，采集磨機(jī)運(yùn)行的聲音使用駐極體式單指向性的拾音器，其靈敏度較低，拾音半徑很小，有效地減少了周圍環(huán)境噪聲的干擾，適合用于采集磨機(jī)運(yùn)行的聲音。由于單片機(jī)AD采集的電壓范圍是0～3.3V，而拾音器為雙極性電壓輸出，因此需要有一個(gè)電壓提升電路，以保證輸入信號(hào)的完整性，防止其出現(xiàn)飽和失真和截止失真。抬升電壓為1.65V。

2.3 信號(hào)濾波電路

在單片機(jī)處理信號(hào)之前要對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混疊低通濾波處理，防止高頻分量信號(hào)被采樣，產(chǎn)生頻譜混疊。為此使用巴特沃斯低通濾波器濾除高頻信號(hào)。由于磨音信號(hào)的頻率基本在4kHz以下，設(shè)定磨音的采樣率定為8kHz，截止頻率f0=4kHz，由于：

f0=1/（2πRC）（1）

所以RC=3.98 kΩ·10nF。為了計(jì)算簡便，取R1=R2=4 kΩ，C1=C2=10nF，R9=100 kΩ。 由各個(gè)二階網(wǎng)絡(luò)增益系數(shù)依次為2.61，1.89，1.337，1.038。可知R13=161 kΩ，R14=89 kΩ，R15=33.7 kΩ，R16=3.8 kΩ。濾波電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 TCP通信功能設(shè)計(jì)

采用ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)無線通信，模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持AP、STA和AP+STA三種數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?，使得設(shè)備使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)極其方便。［9］本系統(tǒng)采用AP模式，以單片機(jī)作為TCP服務(wù)器，指令配置如表2所示。

3.2 TCP客戶端設(shè)計(jì)

在PC本地采用了LabVIEW進(jìn)行TCP客戶端的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)磨音數(shù)據(jù)的接收、波形顯示等功能。在TCP客戶端輸入TCP服務(wù)器的IP地址及端口號(hào)。程序開始運(yùn)行后，客戶端進(jìn)行初始化，等待TCP連接，按下“OPEN”按鍵后，系統(tǒng)會(huì)判斷連接是否正確，如果輸入錯(cuò)誤的IP地址或端口號(hào)會(huì)導(dǎo)致連接失敗。成功建立TCP連接后，系統(tǒng)會(huì)獲取磨音數(shù)據(jù)，并對(duì)磨音數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)校驗(yàn)失敗，則無法進(jìn)行下一步，系統(tǒng)進(jìn)入等待。當(dāng)校驗(yàn)通過時(shí)，磨音數(shù)據(jù)暫存在緩沖區(qū)中，之后通過波形圖表將磨音數(shù)據(jù)可視化。系統(tǒng)正常工作時(shí)，循環(huán)進(jìn)行磨音數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)和顯示。TCP客戶端設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

4 數(shù)據(jù)處理算法

4.1 基4快速傅里葉變換算法

在編寫數(shù)據(jù)處理分析模塊時(shí)，采用基4快速傅里葉變換，基4 FFT是將長度為N=4l的序列分解為四個(gè)短序列，將N點(diǎn)DFT表示為4個(gè)N/4點(diǎn)DFT的線性組合，然后在把N/4點(diǎn)DFT一分為四，表示為四個(gè)N/16點(diǎn)的DFT，如此重復(fù)下去，直至分解成兩點(diǎn)DFT的運(yùn)算。［10-11］基4時(shí)間采樣相比基2時(shí)間采樣，乘法運(yùn)算量大幅減少，運(yùn)算速度加快。

基4 FFT算法公式為：

軟件采用“DSP LIB”中的1024點(diǎn)基四快速傅里葉變換，該庫中使用匯編語言實(shí)現(xiàn)FFT算法，運(yùn)算速度快、執(zhí)行效率高，一次1024點(diǎn)FFT最快運(yùn)算時(shí)間小于2ms，［12］對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響很小。

4.2 選頻段磨音能量與磨音強(qiáng)度處理算法

由于棒磨機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)出的聲音包含混合噪聲，需要濾除與棒磨機(jī)工作狀態(tài)無關(guān)的噪聲信號(hào)，再通過快速傅里葉變換分析磨機(jī)工作頻段的聲音信號(hào)。在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行信號(hào)分析，可以看出不同時(shí)間段信號(hào)是否存在聯(lián)系，以傳遞函數(shù)的形式表征系統(tǒng)性能；在頻域內(nèi)進(jìn)行信號(hào)分析，可以看出信號(hào)的組成部分，以頻率特性表征系統(tǒng)響應(yīng)性能。傅里葉變換是將信號(hào)從時(shí)域中放到頻域中進(jìn)行分析，而FFT算法大大減少了傅里葉變換中的乘法運(yùn)算?？焖俑道锶~變換不僅能夠直接獲得一個(gè)有效信號(hào)的頻域內(nèi)的波形，而且能在頻域特征中進(jìn)行分析，獲得信號(hào)的組成成分。

序列 x（n） 的傅里葉變換定義為：

現(xiàn)設(shè)定采樣的頻率為Fs，采樣的點(diǎn)數(shù)為N，使用 FFT算法，就能確定任意采樣點(diǎn)n的頻率，公式定義表示如下：

磨音信號(hào)的能量與棒磨機(jī)的工作狀態(tài)有關(guān)聯(lián)性，通過計(jì)算棒磨機(jī)正常工作時(shí)頻段范圍內(nèi)的能量，在使用聲強(qiáng)計(jì)算公式將信號(hào)能量轉(zhuǎn)為分貝值，在棒磨機(jī)運(yùn)行過程中，可以獲取棒磨機(jī)正常工作時(shí)的聲強(qiáng)范圍。由于磨音信號(hào)的頻率基本在4kHz以下，［13］現(xiàn)設(shè)定棒磨機(jī)聲音信號(hào)采樣的頻率為 8KHz，采樣的點(diǎn)數(shù)為1024。

為了保證系統(tǒng)在連續(xù)采集磨音信號(hào)時(shí)，減少M(fèi)CU處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，使用了STM32F103ZET6集成的DMA，利用DMA能快速地實(shí)現(xiàn)磨音數(shù)據(jù)從外設(shè)到存儲(chǔ)器的搬運(yùn)工作，［14］完成FFT的數(shù)據(jù)輸入，之后再根據(jù)Parseval's theorem計(jì)算磨音信號(hào)所含有的總能量。［15］

MCU處理磨音信號(hào)的總流程如圖5所示。

將磨機(jī)運(yùn)行的聲音特征量寫入FLASH，防止系統(tǒng)掉電清除磨機(jī)聲音特征量。當(dāng)棒磨機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)“過磨”或“欠磨”的現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的判斷，并做報(bào)警提示，如圖6所示。

5 磨音監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)運(yùn)行程序后，將首先配置好WiFi模塊的相關(guān)參數(shù)，建立TCP服務(wù)器。在TCP客戶端輸入服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)，按下OPEN按鍵，單片機(jī)與上位機(jī)建立無線數(shù)據(jù)通信。此時(shí)，單片機(jī)不斷采集磨音信號(hào)，將磨音信號(hào)以txt的格式存儲(chǔ)在SD卡中，同時(shí)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，計(jì)算選頻段的聲音能量并轉(zhuǎn)換為聲強(qiáng)值，通過WiFi模塊將磨音強(qiáng)度傳輸給上位機(jī)軟件并進(jìn)行實(shí)時(shí)波形顯示，如圖7所示。

6 結(jié)語

基于單片機(jī)的棒磨機(jī)磨音采集與處理的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析了棒磨機(jī)的磨音能量與其運(yùn)行狀態(tài)之間的聯(lián)系，進(jìn)行了系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過信號(hào)調(diào)理電路及主控電路的分析處理，獲得了棒磨機(jī)的磨音強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)了與TCP客戶端的通信，將磨音強(qiáng)度實(shí)時(shí)傳輸給客戶端并進(jìn)行波形顯示。通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作與控制，有助于學(xué)生理解掌握信號(hào)采集與調(diào)理、快速傅里葉分析、無線通信等方面的原理和知識(shí)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以實(shí)物為對(duì)象解決實(shí)際問題，鍛煉了學(xué)生分析和解決工程問題的能力，為計(jì)算機(jī)控制課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究提供了一個(gè)低成本、有交互、直觀性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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（責(zé)任編輯 郭曉勇）

收稿日期：2023-05-07

基金項(xiàng)目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（GJJ200827）；江西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202110407026）成果。

作者簡介：羅小燕（1967-），女，江西贛州人，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)與控制。