2021, Vol. 19
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2. 哈尔滨工业大学 电器与电子可靠性研究所，黑龙江 哈尔滨 150001
2. Reliability Institute for Electric Apparatus and Electronics, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150001, China
密封电子设备指的是具有特定功能的系统或系统内的重要组件，如：导弹、人造卫星、航空发动机、空间探测器等，用于完成导航、通信、飞行控制等任务[1-2]。密封电子设备在生产制造与组装的过程中，可能将一些金属碎屑、电焊飞溅物、松香和导线等微粒封装在设备内部从而形成多余物[3]。当密封电子设备受到冲击、振动、滑动和超失重等外力时，多余物可能在设备内部做随机运动，对电子设备的安全运行构成严重威胁。在人类的航天事业上，曾发生过许多因为多余物造成重大事故的案例[4]。
为应对多余物问题，美国宇航局最早研究并提出了微粒碰撞噪声检测(Particle Impact Noise Detection，PIND)法，其原理可以简述为：通过外部震动，激活电子设备中的多余物，使其与设备的内壁或设备内器件发生碰撞，附着在电子设备侧壁的声发射传感器感应到碰撞产生的应力波，转化成电压信号，即多余物信号[5]。由于多余物质量轻、体积小，因此，声发射传感器采集的多余物信号为微弱的小信号，且伴随有噪声，需要对该信号进行处理和采样，所得有效的数字信号才能用于后续研究。
目前对信号采集处理的研究大多是针对大信号，对微弱小信号采集系统的研究设计较少。陈红远等针对微弱电压信号，开发了一种基于ADS1274的同步采集系统[6]。陈蕾等设计了一个8通道肌电信号同步采集系统，有效去除了噪声干扰，实现对表面肌电信号的处理[7]。李宗敏等基于FPGA设计了一种自动调节增益的微震信号采集系统，实时快速地根据微震信号幅度变化自动调节放大器增益，采用抽取滤波的方法降低了对抗混叠滤波器性能的要求[8]。本文在前人研究基础上，结合我国自主化北斗导航系统，设计一种基于北斗秒脉冲(PPS)的多余物信号同步采集系统，实现对PIND法获得的微弱多余物信号进行处理、采样与传输，最终将采集的多余物信号发送至上位机显示与存储。
1 多余物信号同步采集系统设计本文设计的多余物同步采集系统包含微弱信号调理电路、同步信号采集电路与信号传输三部分，分别实现对微弱多余物信号的放大与滤波、同步采集与数据传输。图 1为系统的组成框图，图中最左侧为PIND法检测装置，通过上位机驱动摆台激励多余物运动。
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| Fig.1 Block diagram of system composition 图 1 系统组成框图 |
微弱信号调理电路由声发射传感器、两级放大电路、滤波电路和一级同相比例放大电路组成。声发射传感器完成多通道的微弱多余物信号获得，各通道所得信号经两级放大电路实现初步放大，经滤波电路去除噪声干扰，再经一级同相比例放大电路调整放大倍数，最终输入同步信号采集电路。
1.1.1 声发射传感器密封电子设备结构的复杂造成多余物信号在设备中传播路径的复杂，同时信号在传播过程中受到衰减和畸变的影响，单声发射传感器无法完全获取设备内产生的多余物信号。因此，多传感器布局对密封电子设备内多余物信号的捕捉至关重要。本文设计400 m×400 m×400 m的正方体模型来模拟密封电子设备，设备内部用3块金属隔板以相互正交的方式分隔成8个独立的空间，在模型表面的不同位置放置4个一致性良好的同类型的声发射传感器来同步采集多余物信号[9]，如图 2所示。
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| Fig.2 Schematic diagram of acoustic emission sensor arrangement 图 2 声发射传感器布置示意图 |
本文选用PXR04型号的声发射传感器，该传感器的谐振频率为40 kHz，在灵敏度为60 dB处的频率带宽为15~165 kHz，采集的信号包含更多的特征和信息，满足频率选择和幅值范围的要求。
1.1.2 放大与滤波电路声发射传感器捕捉的微弱多余物信号，幅值最大为几十毫伏，需要对微弱信号进一步处理，提高其信噪比和抗干扰能力。放大电路对微弱信号进行放大，使之满足同步信号采集电路的输入电压要求；滤波电路滤除多余物信号频率范围外的信号干扰，减少多余物信号中的背景噪声，提高信噪比。此外，在声发射传感器和两级放大电路之间设计了阻抗匹配电路，使两者之间的阻抗相匹配，减少信号因不匹配造成的能量损失。
微弱多余物信号经高屏蔽专用声音数据线输入到两级放大电路，放大方式为同相比例放大。两级放大电路的前两级均采用固定放大倍数，即A=1+R3/R2，选用电阻R3=9.1 kΩ，R2=1 kΩ，A=10.1。由于多余物信号的频率主要集中在20~100 kHz，本文将带通滤波器的通带频率范围设计为20~180 kHz，滤波电路由四阶高通滤波器和四阶低通滤波器组成[10]，如图 3所示。其中，高通滤波电路采用四阶高通巴特沃兹滤波器电路，截止频率为20 kHz，由2个运算放大器和分立元件电阻及电容组成，通过计算可得：C1=C2=C3=C4=1 nF，R1=R3=11.3 kΩ，R2=R4=3.92 kΩ。低通滤波电路采用集成的连续时间有源滤波器MAX275进行设计，完成的180 kHz低通滤波器的电阻详细参数如表 1所示。一级同相比例放大电路设计在滤波电路之后，同样采用前文所述的单级放大电路结构。其中，电阻R3用于调整放大倍数，使各通道的信号放大倍数一致。
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| Fig.3 Circuit of bandpass filter 图 3 带通滤波电路 |
| 表 1 MAX275外围电阻的阻值 Table 1 Resistance value of peripheral resistance of MAX275 |
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同步信号采集电路的结构如图 4所示，由A/D转换电路、信号采集微控制器单元(MCU)、双口RAM与信号传输MCU组成，微弱信号调理电路与同步信号采集电路之间的阻抗匹配电路用来匹配两者之间的阻抗。
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| Fig.4 Block diagram of circuit of synchronous signal acquisition 图 4 同步信号采集电路结构框图 |
匹配信号输入A/D(Analog/Digital)转换电路进行高速采样，信号采集MCU将A/D转换电路输出的数字信号通过双口RAM的左端口写入数据存储区，写入完成后向信号传输MCU发送数据读取指令，信号传输MCU在双口RAM的右端口读取数据，读取完成后通过WiFi模块将数据传输至上位机进行显示与存储。其中，北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)接收器通过天线接收北斗导航系统返回的PPS和UTC时间，同步触发信号采集MCU的外部中断，进而控制各通道进行同步信号采集。
1.2.1 A/D转换电路考虑到多余物信号的频率范围为20~100 kHz，为保证能不失真地恢复原始信号，由奈奎斯特采样定理可知：采样频率要大于被采样信号最高频率的两倍，即多余物信号的采样频率至少需设置为200 kHz，故本文将A/D转换电路的采样频率设计为500 kHz。采用AD7892型号的模数转换芯片，其转换精确度为12位，针对微弱信号调理电路输出的-5~+5 V模拟电压，芯片可分辨的最小模拟电压为：1LSB=10 V/4 096=2.44 mV。
使用AD7892转换芯片将模拟信号转换为数字信号的过程中，为避免信号采集MCU的高频信号对A/D数据转换产生影响，需在A/D转换电路和信号采集MCU之间进行隔离，进而使A/D转换电路的数字供电电源、数据总线接口与信号采集MCU的供电电源、I/O口隔离，提高A/D转换过程的抗干扰能力，实现信号的高速高精确度采集。选用SI8460BB型号的数字隔离芯片，其最大数据速率为150 Mbps，可以有效对A/D转换电路和信号采集MCU实现隔离。
1.2.2 信号采集MCU信号采集MCU需要对大量数据进行快速采集与处理，本文采用ARM公司设计的STM32F407芯片为MCU，该芯片具有32位处理器Cortex-M4核，主频最高可达168 MHz，集成有FPU和DSP指令，同时具有12个16位和2个32位定时器，满足通过多个定时器同时对4通道进行高速采样，以及对采样信号的快速读写控制和及时传输。
信号采集MCU接收到信号传输MCU反馈的采集命令后，开启外部中断0和外部中断9。其中，外部中断0用于接收PPS，当PPS有效触发外部中断0时，开启定时器中断控制A/D的采样速率；外部中断9用于检测A/D转换芯片的BUSY管脚电平状态，当管脚处于低电平状态时，触发外部中断9开始对A/D转换电路输出的数字信号进行读取，并将读取的数据快速写入双口RAM的一个存储区。在完成写数据后，通过PB1管脚向信号传输MCU发送数据读取的指令，并将此刻A/D转换电路输出的数字信号写入双口RAM的另一个存储区。在此过程中，信号采集MCU实时判断是否有来自信号传输MCU反馈的停止采集命令，确认该命令后关闭中断并停止工作。
1.2.3 双口RAM本文采用双MCU的控制结构，通常情况下，2个MCU之间的通信方式有串口通信、DAM通信、标准总线结构通信以及基于共享内存空间的通信等。基于数据传输快、实时性高的考虑，本文采用基于共享内存的通信方式数据读写。
选用Cypress公司的16 K×18 bit的CY7C4265先进先出(First In First Out，FIFO)芯片作为双口RAM，并将其数据存储区分成两个，分别进行数据的写入和读取。当信号采集MCU向一个数据存储区完成数据写入后，即完成8K×18 bit的数据写入(判断半满时)，会发送一个数据读取指令给信号传输MCU。在信号传输MCU进行该数据存储区的数据读取时，信号采集MCU会继续向另一个数据存储区进行当前采样信号的写入，同样在写完后发送数据读取指令给信号传输MCU进行该存储区的数据读取，而此时信号采集MCU又将新一轮的采样数据重新写入第一个数据存储区。通过读写分离的方式，避免2个MCU因对同一地址同时读写而造成冲突。
1.2.4 BDS接收器选用S1216F8型号的北斗模块接收北斗导航系统返回的PPS和UTC时间，该模块共有5个管脚，分别为：VCC, GND, TXD, RXD和PPS。其中，管脚TXD和RXD连接到信号采集MCU与信号传输MCU串口3的管脚上，PPS管脚连接到信号采集MCU与信号传输MCU外部中断的输入管脚上。
信号采集MCU通过定时器对多余物信号的采样频率进行控制，在定时器控制的采样频率满足设计要求时，信号采集MCU通过PPS每隔1 s的时间对各通道使用的定时器中断同步一次，达到信号采集同步的目的。信号传输MCU通过PPS每隔1 s获得一次UTC时间，将获取的UTC时间添加到当前时刻读取的存储区数据前，完成数据的时间标定。
1.3 数据传输数据传输部分包含信号传输MCU、WiFi模块和上位机。信号传输MCU控制WiFi模块与上位机基于套接字(Socket)通信建立连接，在其完成从双口RAM的存储区读取数据后，按照读取顺序存储在发送缓冲区，并引入UTC时间进行整合，通过发送套接字将整合的数据及时传输到上位机，上位机将数据进行显示与存储。
1.3.1 信号传输MCU信号传输MCU同样采用STM32F407芯片作为MCU，其主要功能有：对WiFi模块进行初始化配置，使其工作于串口STA模式并接入局域网内，通过读取指定上位机的IP地址和端口信息，与上位机建立通信连接。连接建立后，接收上位机发送的采集命令，将该命令反馈至信号采集MCU并同时开启外部中断0和外部中断1，当PPS有效触发外部中断0时，开启串口中断接收北斗接收器返回的UTC时间。在接收到信号采集MCU发送的数据读取指令时，触发外部中断1，开始从双口RAM的存储区中读取数据，并将串口接收的UTC时间给读取完成的数据添加时间标签，通过WiFi模块将数据传输至上位机。在此过程中，信号传输MCU实时判断是否有来自上位机的停止采集命令，确认该命令后，反馈至信号采集MCU并同时关闭中断、停止工作。
1.3.2 WiFi模块信号传输MCU需将单脉冲的采样数据及时传输至上位机，本文选用有人物联网公司的USR-WIFI232-A2 WiFi模块作为通信载体，该模块具有AP(Access Point)、STA(Station)、AP+STA三种无线组网方式，最大支持同时与32台设备连接，满足不同场景的应用需求。同时，该模块支持10 ~ 100 Mbps的以太网通信速率，满足本文大数据量的即时通信需求。
2 同步采集系统工作流程同步采集系统的工作流程如图 5所示。信号传输MCU与上位机建立通信连接后，判断上位机发出的采集命令并反馈给信号采集MCU，同时开启外部中断0和外部中断1。信号采集MCU接收到采集命令后，初始化A/D转换电路和双口RAM，并开启外部中断0和外部中断9。当PPS有效触发中断0时，开启定时器控制A/D转换电路的采样速率，通过中断9判断BUSY管脚的电平状态，低电平时触发中断9开始读取采样数据，并写入双口RAM的存储区，在完成写数据后发送数据读取指令至信号传输MCU。信号传输MCU触发中断1开始读取数据，当PPS有效触发中断0时，接收当前的UTC时间进行时间标定，并将标定数据通过WiFi模块传输至上位机进行显示与存储。此过程中，信号传输MCU对上位机是否发送停止采集命令进行实时判断，确认后反馈至信号采集MCU，同时进行关闭中断和停止工作。
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| Fig.5 Work flow of synchronous acquisition system 图 5 同步采集系统工作流程图 |
设计的微弱信号调理电路实物如图 6所示，包含阻抗匹配、两级放大、带通滤波和一级同相比例放大等部分，完成对声发射传感器输出的微弱多余物信号的处理，最终输出至同步信号采集电路。
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| Fig.6 Physical diagram of circuit of weak signal conditioning 图 6 微弱信号调理电路实物图 |
同步信号采集电路接收上位机的指令，接收微弱信号调理电路输出的有效信号，引入PPS与UTC时间，完成同步匹配和时间标定，将同步采集的4通道多余物信号发送至上位机进行显示与存储，及后续其他功能。本系统同步采集的4通道多余物信号在上位机实际显示结果如图 7所示。通过点击“手动测试”，即由上位机向信号传输MCU发送测试指令，最终由信号采集MCU进行本次实验测试。图中通道1至通道4的信号波形为本系统采集的4通道同步多余物信号，可以发现，信号在时间刻度上连续对应，说明本系统对同一多余物信号采集的实现效果良好。另外，信号在幅值刻度上因为声发射传感器距离多余物信号源的不一有所不同。
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| Fig.7 Physical display of the collected 4-channel surplus signal 图 7 采集的4通道多余物信号实物显示图 |
本文设计的基于PPS秒脉冲的多余物信号同步采集系统，通过微弱信号调理电路对碰撞产生的微弱多余物信号进行放大滤波处理，得到初步有效的多余物信号；同步信号采集电路实现对多余物信号的快速采样和读写控制，避免了高频干扰和读写冲突等现实问题，引入北斗PPS与UTC时间，同步各通道的采样时间与时间标定；最终通过WiFi模块将标签化数据传输至上位机。测试表明，对碰撞产生的微弱信号能够实现多通道调理、同步采样与及时传输，采集的信号在上位机能够有效地进行显示与存储，同步误差在微秒级别，达到本文的设计要求。
4 结论本文设计的基于PPS秒脉冲的多余物信号同步采集系统经过反复实验验证，已在哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所进行初步应用。在研究所现有的通过有线方式进行信号同步采集的基础上，本系统调整了声发射传感器布局与信号放大过程设计，进一步精确了多余物信号的滤波范围，引入了PPS同步触发中断代替传统情况下的指令控制，更好实现了信号同步采集的目的，并采用WiFi代替有线传输方式，解决了采集系统与上位机物理空间的关联性带来的不便，提高了整体的信息化程度。对比测试表明，本文经过优化的信号同步采集系统，对4通道多余物信号的同步精确度提升20%以上，应用信号无线传输的方式扩宽了系统应用的领域并简化了操作。同时，本文设计的系统为相关领域的微弱信号处理及同步采集提供了一种可参考的思路，接入自主化北斗导航系统与采用WiFi传输方式，对我国相关技术和产业发展具有一定的促进作用。
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