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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文

灵活组态多通道振动信号采集系统

摘要

振动信号采集系统是一种典型的数据采集系统，广泛应用于机械健康监测、

结构健康监测等方面。振动信号监测对保障机电设备的安全运行和保障桥梁、

楼宇等结构的安全性具有重大意义。本文设计了多通道振动信号数据采集系统，

研究了数据采集模块通道数、采样率、采样精度的相互制约关系，运用单片机

技术的最新发展，实现了上述三参量及传输方式的灵活组态，且成本较低。本

文主要进行以下几个方面的研究：

1、研究了高速(SAR)ADC在分时共享模式下采样率与通道数的关系，设

计了最多18个振动信号的ADC采样通道。利用STM32H743模拟资源替代传

统振动信号采集系统中独立的多通道同步采集ADC及比较器，实现了数据采

集功能。研究了STM32H743片上ADC分辨率与采样率的组态关系，并使用过

采样技术提高信噪比。

2、多通道数据采集系统在较高采样率时存在数据传输的瓶颈，在野外操

作时需要大量数据缓存，本文利用MCU技术的最新发展提出了一种数据采集

与传输灵活组态的解决方案，通过扩展基于8线QSPI的双SRAM(LY686400)

实现了高速数据采集时较大量数据的缓存；通过扩展SD卡实现了中低速度的

特大量数据的缓存，并搭配移动电源实现了野外桥梁振动数据存储。设计了低

速采集、中速采集、高速采集、离线采集四种数据采集的组态模式。

3、以单应变电阻为振动传感器对本文提出的振动信号采集方案进行验证。

设计了单应变电阻模拟信号调理电路和电桥激励与基准电路。为适配多种应变

传感器，设计了0~6V可调的电桥激励电压；为消除应变片引线电阻所带来的

增益误差，设计了分流校准电路来用于修正引线误差；为适配STM32H743片

上差分ADC的输入范围，设计了差分偏置电路；设计了全桥和半桥接口电路，

用于扩展全桥和半桥应变传感器，增加系统的适应范围。

4、运用STM32CubeIDE开发环境设计了模块内嵌软件程序，完成了基于

STM32H743的数据采集、数据缓存、数据传输、命令解析等功能的固件开发。

利用LabVIEW设计上位机通信显示界面，能够实现数据的显示和处理、系统

控制、在线存储等功能。在完成整个系统的硬件和软件设计后，对模块的功能

-I-

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和指标进行了验证，可以实现数据采集功能、数据缓存功能、数据存储功能，

3通道16bit分辨率组态下，每通道可以达到1MSPS的采样率；6通道16bit分

辨率组态下，每通道可以达到500kSPS的采样率。单应变电阻振动信号采集模

块的测量范围为60mV，噪声小于20µV，线性度小于0.2%，动态范围为

70.95dB。

关键词应变传感；振动监测；灵活组态；数据采集

-II-

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Multi-channeldataacquisitionsystemofvibration

signalwithflexibleconfiguration

Abstract

Vibrationsignalacquisitionsystemsaretypicaldataacquisitionsystemswidely

usedinmechanicalhealthmonitoring,structuralhealthmonitoring,andotherfields.

Monitoringvibrationsignalsiscrucialforensuringthesafeoperationof

electromechanicalequipmentandthesafetyof