3. 振动信号采集

振动信号采集是电机异常检测项目的第一道物理关口，其质量直接决定了后续特征提取与模型诊断的上限。在工业现场，电机轴承磨损、转子不平衡、齿轮啮合故障等异常，都会在振动加速度信号中留下特定的频域痕迹。本章围绕“传感器选型→信号调理→采样参数设计→STM32采集链路搭建”四个环节展开，重点解决如何将微弱的机械振动转换为STM32可处理的数字序列，并确保采样过程不丢失故障特征频率。

3.1 加速度传感器选型：ADXL345与MPU6050的工程权衡

核心原理：加速度传感器将机械振动转换为电信号，其工作原理基于MEMS（微机电系统）中的质量块-弹簧-阻尼结构。当传感器随电机壳体振动时，质量块产生惯性位移，通过电容检测或压阻效应转换为电压变化。选型时需关注四个核心指标：量程（决定可测量的最大加速度）、灵敏度（决定最小可分辨振动）、带宽（决定可采集的最高频率）、噪声密度（决定信噪比）。

判断方法：对于电机振动检测项目，优先考虑以下选型路径：

1. 确定频率范围：电机转速 3000rpm（50Hz），轴承外圈故障特征频率约为 3.5×转频 = 175Hz，内圈故障约 5.5×转频 = 275Hz。考虑 10 倍谐波，最高分析频率约 3kHz，因此传感器带宽需 ≥3kHz。
2. 估算振动幅值：正常电机振动加速度约 0.1g~0.5g，故障初期可能低至 0.05g，严重故障可达 2g~3g。选择 ±8g 量程可覆盖正常与故障状态。
3. 分辨率验证：若需检测 0.01g 的微弱变化，ADXL345 在 ±8g 量程下分辨率为 3.9mg/LSB（13bit），可满足需求；MPU6050 的 16bit 分辨率在 ±8g 下为 0.24mg/LSB，更适合早期微弱故障。

3.2 信号调理：从原始信号到ADC可采范围

核心原理：信号调理的目的是使传感器输出信号满足ADC的输入要求。对于数字接口传感器（ADXL345、MPU6050），信号调理主要在传感器内部完成，包括：低通滤波（去除高频噪声）、增益调整（匹配ADC量程）、偏置校准（消除直流偏移）。对于模拟输出传感器（如压电式加速度计），则需外部调理电路。

操作流程：

1. 抗混叠滤波：根据采样率 Fs 设置低通截止频率 fc = 0.5 × Fs。例如 Fs = 6.4kHz，则 fc = 3.2kHz。ADXL345 内部有 32 级 FIFO 和数字滤波，可配置输出数据速率（ODR）从 0.1Hz 到 3200Hz。
2. 增益匹配：确保传感器输出满量程电压接近 ADC 参考电压。ADXL345 的数字输出直接映射到 g 值，无需额外增益；若使用模拟传感器，需通过运放将信号放大到 0~3.3V 范围。
3. 隔直处理：振动信号是交流信号，需去除直流偏置。数字传感器内部已处理，模拟电路则需高通滤波（截止频率 1Hz~10Hz）。

3.3 采样率与分辨率设置：频率分辨率与动态范围的平衡

核心原理：采样率 Fs 决定可分析的最高频率（奈奎斯特频率 = Fs/2），采样点数 N 决定频率分辨率 Δf = Fs/N。分辨率（ADC位数）决定幅值量化精度，直接影响微弱故障特征的检测能力。

参数设计方法：

• 采样率选择：根据电机最高故障特征频率 f_max，取 Fs ≥ 2.56 × f_max（工程上留 20% 余量）。例如 f_max = 3kHz，则 Fs = 7.68kHz，取整为 8kHz。
• 采样点数：频率分辨率 Δf 需能区分相邻故障频率。轴承外圈故障频率与转频的间隔约 0.4×转频 = 20Hz，因此 Δf ≤ 10Hz。若 Fs = 8kHz，则 N ≥ 8000/10 = 800 点，取 1024 点（2 的幂次，便于 FFT）。
• ADC 分辨率：12bit ADC 在 3.3V 参考下，量化步长 = 3.3V/4096 ≈ 0.8mV。若传感器灵敏度为 100mV/g，则最小可分辨加速度 = 0.8mV / 100mV/g = 8mg。16bit ADC 则可达 0.5mg，适合早期故障检测。

3.4 STM32的ADC/DMA采集配置：高效无丢失的数据链路

核心原理：STM32 的 ADC 采集需要与传感器输出速率匹配，并通过 DMA 实现无 CPU 干预的数据搬运。典型配置包括：定时器触发 ADC 采样（保证等间隔采样）、DMA 循环模式（自动搬运数据到内存）、双缓冲切换（避免数据覆盖）。

配置流程：

1. 传感器初始化：配置 ADXL345 的 I2C 地址（0x53）、量程（±8g）、ODR（3200Hz）、FIFO 模式。
2. 定时器配置：使用 TIM2 产生 8kHz 的触发信号，周期 = 84MHz / (Prescaler × Period) = 125μs。
3. ADC 配置：选择 ADC1 通道 0（PA0），采样时间设为 84 周期（约 1μs），分辨率 12bit，扫描模式关闭。
4. DMA 配置：DMA2 通道 0，外设地址 = ADC1->DR，内存地址 = 数组 buffer[2048]，传输方向外设到内存，模式循环，数据宽度半字（16bit）。
5. 双缓冲：使用两个 2048 大小的数组，DMA 传输完成中断中切换缓冲区，确保数据处理与采集并行。

// STM32F407 ADC+DMA 关键配置代码
void ADC_DMA_Init(void) {
    // 1. 使能时钟
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    
    // 2. GPIO 配置：PA0 模拟输入
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;
    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // 3. ADC 配置：12bit，右对齐，扫描关闭
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;
    ADC_InitStruct.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;
    ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;  // 由定时器触发
    ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_Rising;
    ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_TRGO;
    ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStruct.ADC_NbrOfConversion = 1;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);
    
    // 4. 定时器触发配置：8kHz
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStruct;
    TIM_InitStruct.TIM_Prescaler = 84 - 1;      // 84MHz/84 = 1MHz
    TIM_InitStruct.TIM_Period = 125 - 1;        // 1MHz/125 = 8kHz
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStruct);
    TIM_SelectOutputTrigger(TIM2, TIM_TRGO_Update);
    
    // 5. DMA 配置：循环模式，半字传输
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct;
    DMA_InitStruct.DMA_Channel = DMA_Channel_0;
    DMA_InitStruct.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&ADC1->DR;
    DMA_InitStruct.DMA_Memory0BaseAddr = (uint32_t)adc_buffer;
    DMA_InitStruct.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory;
    DMA_InitStruct.DMA_BufferSize = 2048;
    DMA_InitStruct.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    DMA_InitStruct.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
    DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStruct.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;
    DMA_InitStruct.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStruct.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;
    DMA_Init(DMA2_Stream0, &DMA_InitStruct);
    
    // 6. 使能 DMA 传输完成中断
    DMA_ITConfig(DMA2_Stream0, DMA_IT_TC, ENABLE);
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = DMA2_Stream0_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
    
    // 7. 启动
    ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
    DMA_Cmd(DMA2_Stream0, ENABLE);
}

实战场景：某项目需同时采集电机 X、Y、Z 三轴振动信号。使用 3 个 ADXL345 传感器，每个传感器输出 3 轴数据，共 9 通道。STM32F407 的 ADC1 有 16 个通道，可配置为扫描模式，DMA 循环传输 9 通道数据。采样率 8kHz，每通道采样点数 2048，总数据量 = 9 × 2048 × 2字节 = 36KB，DMA 双缓冲需 72KB RAM，在 STM32F407（192KB RAM）中可行。

3.5 常见误区与总结复盘

常见误区：

• 误区一：采样率越高越好。实际中，过高的采样率导致数据冗余和噪声增加，应根据故障特征频率合理选择。
• 误区二：忽略抗混叠滤波。数字传感器内部滤波不能完全替代硬件滤波，高频噪声仍可能混叠。
• 误区三：DMA 缓冲区大小不足。若缓冲区小于一次 FFT 所需点数，会导致数据截断，频谱泄漏。
• 误区四：未考虑传感器安装谐振。传感器安装方式（胶粘、磁吸、螺栓）会影响其固有频率，若安装谐振频率落在分析频带内，会引入虚假峰值。

总结复盘：振动信号采集链路的设计应遵循“故障特征驱动参数选择”的原则。首先明确电机故障类型和特征频率范围，然后反推采样率、采样点数、ADC 分辨率，最后配置 STM32 的定时器、ADC、DMA 资源。关键验证指标包括：① 频谱中是否出现预期的转频及谐波；② 背景噪声底是否低于故障特征幅值的 1/3；③ DMA 传输是否无溢出（检查 DMA 中断标志）。建议在正式采集前，使用标准振动源（如校准激振器）验证整个链路的幅值精度和频率响应。