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飞机控制设备与仪表专业本科毕业论文
摘要：
飞行过程中各种扰动气流容易导致飞机薄壁结构发生振动疲劳破坏,严重影响飞机的安全性和出勤率。针对受扰动气流作用下飞机结构的振动安全监测对仪器提出的微型化要求,基于STM32F103芯片设计了微型振动测试系统及配套软件。测试系统样机体积小,重量约160g,由内置加速度传感器触发采集,3个应变通道的采样率可达10K/s,以高速SD卡为存储器实现数据的便携取用,不依赖飞机电源系统而用安全性高的锂聚合物电池供电。采用LabVIEW编写的数据分析处理软件包含时域分析、频域分析及时频联合分析等功能。通过悬臂梁固有频率及自由衰减振动实验对测试系统进行功能验证测试,结果表明系统可满足对结构振动信号的采集和分析。
第一章 绪论
1.1引言
在航天航空中飞机发动机是飞机的重要组成部分，其发动机的稳定性直接影响到飞机的飞行安全。据统计，发动机的故障问题中，有90%以上是由振动导致或和振动有关。工厂负责某型航空发动机的维修任务。维修后的发动机进行的最后一道工序是进入试车台“试车”（即在发动机运行状态下对其各种参数进行检验），在“试车”过程中，大量的发动机参数将被测量与记录，最终根据这些数据来判断发动机合格与否，合格的将被交付使用，否则将进行进一步的维修 。
在这些测量项目中，有一个非常重要的项目是振动量的测量。所以准确掌握飞机发动机的振动状态可以有效的分析发动机的工作情况，同时也是发动机性能评定的一个重要方面。
近年来,我国逐渐从航空发动机的仿制道路转向独立自主研发,由于结构和气动方面的要求,航空发动机的振动问题日益引起人们的关注。因此，在发动机的研制过程中，分析和实测发动机的振动，采取措施排除故障，提高发动机的持久性和可靠性以及保证飞机安全具有重要的意义。
1.2 航空发动机振动测量仪的研究现状与展望
航空发动机是一个高速旋转的机械，其可靠性直接影响到发动机的利用率、经济效益以及飞机的飞行安全，由于其工作在高温、高压、高应力及交变载荷的恶劣条件下，故障率通常较高。
航空发动机故障检测和诊断是保证发动机安全工作，延长发动机使用寿命的一个重要的技术措施，对于增强飞机适航性、降低飞机维修费用和减少飞行事故都具有十分重要的意义。所以飞机发动机的振动问题已成为世界各航空公司以及研究所所关心的主要问题。
我国在上世纪八十年代，从英国引进的飞机发动机振动测量仪UT1130,由于其全部为分立的硬件组成，且其频响带很不稳定，在其频响带内增益并不能严格的为某一固定值，这给测量结果带来了必然的误差，其技术也已经落后，随着科学技术的发展，自主研制出新的、精确度高的振动仪成为各航空公司、研究所及大学纷纷研究的方向，如某航空公司的“基于LMS Test.lab的航空发动机整机振动测量与分析” ，选用旋转机械试验系统LMS Test.lab进行整机振动测量与分析，通过测量转子―支承系统以及机匣等其它产生高频振动和应力的构件的固有频率、转子临界转速、振型、刚度、阻尼等模态参数和物理参数。测量压气机、涡轮、附件传动机匣外部结构上的振动位移、速度、加速度总量；再在轴承的适当位置测量轴承载荷及转子振动加速度、速度、位移值，以及频率、相位、外传力等参数。利用FFT快速傅氏变换得到发动机临界转速、振动频谱与转速的关系等特征，从而反映发动机的振动情况，这种方法涵盖了结构试验、旋转机械、声学试验分析，需要测试大量的物理数据工作量非常大，而且某一部份的数据出现错误都可能导致最终测量的准确性。西北工业大学的邹华、廖明夫同学2006年在Lab Windows/CVI虚拟仪器平台上研制航空发动机振动台振动测试实验系统。其振动测试实验系统主要完成正弦振动、随机振动、冲击测量三大振动实验。南京航空航天大学自动化学院学生徐军、赵敏等在“一种基于ARM处理器的航空发动机振动测量仪的设计”一文中运用以ARM为核心处理器，ICP型加速度传感器为振动传感器。由安装在航空发动机上的交流测速发电机提供的发动机转速信号。实时地对日标齿轮的振动量进行测量与显示。徐军又在其硕士论文“基于ARM处理器Linux开发平台的发动机振动测量仪的研究与实现”一文中，采用嵌入式系统构成发动机的振动测量系统。
对于飞机发动机振动测量仪的研制可以从多方面来考虑，本课题介绍的振动测量仪的研制基于单片机MC9S12XS128，采用有效值电路测速度与频压转换电路测频实现振动位移的带通测量，16位AD转换芯片ADS7809进行AD转换送入单片机处理后通过LED进行显示。并在软件上针对传感器的频率响应对测量结果进行补偿，将部分软件功能硬件化，降低了单片机开销，减小了计算误差，保证了仪器的精度。对于硬件电路无法实现的稳定频响带和理想的高低截止频率采用软件进行处理从而使振动测量仪具有精度高，抗干扰能力强，稳定性好结构简单，易于操作等特点。
随着智能化仪器仪表的快速发展，在工业控制和消费电子领域，越来越多应用到单片机系统，其以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适用于对功能、可靠性、成本、体积以及功耗等有严格要求的专用计算机系统。单片机技术的快速发展预示着自动控制领域新的研究方向。在将来的振动仪表改进和发展中，必然朝着此方向继续发展。
第二章 振动测量仪总体设计方案
2.1 应用系统研制过程
整个振动测量仪的设计由硬件和软件组成，硬件主要为单片机、扩展的存储器、输入/输出设备等硬件组成的系统，软件是各种工作程序的总称。要设计出高性能的单片机系统，就必须使硬件和软件功能不断调整，相互配合，以达到最佳协调状态。
如图2-1所示，单片机应用系统的研制过程主要包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线调试等几个阶段，它们是相互联系的，有时交叉进行。
图2-1 应用系统研制过程框图
首先，在开始设计前，必须明确应用系统的功能和技术要求，综合考虑系统的先进性、可靠性、可维护性、成本、经济效益，选定单机型号。然后，划分软、硬件功能，根据系统要求确定哪些功能用硬件实现，哪些功能用软件实现。功能划分之后再根据研制任务和系统精度、可靠性、速度等要求确定硬件电路器件和设备。最后，进行软硬件分别设计、调试，及系统联调，并根据出现的问题进行修改、固化系统软硬件各独立功能，达到完全稳定、可靠时方可成品。
2.2 硬件设计原理
在振动测量中，待测的基本的参数主要有加速度、速度和位移三个。三者存在积分和微分关系，所以根据其中任意一个已知量，可以得出其它两量。一般情况下，位移参量对低频振动敏感，加速度对高频振动敏感，而速度对频率的敏感程度是前二者的折中，所以要测量低频时应选择位移参量，高频时选择加速度参量，而进行宽频带测量时则选择速度参量[5]，本振动测量仪要求的频率响应为30－270HZ,所以选用速度参量进行测量较好。所以本仪器使用SZQ－4和SZQ－8系列磁电式振动传感器，该类型传感器输出电压信号与振动速度成正比，经过对该信号一次积分可得出振动位移量。磁电式速度传感器的特点是输出信号大，输出阻抗低，抗干扰能力强，信噪比高，使用方便，特别适于装卸频繁而环境污染又比较严重的发动机台架车时的振动测量。
本测振仪主要电路由传感器信号放大电路， 有效值测量电路、频压转换电路、16位A/D模数转换器，串行输入16位D/A转换器，检流计等组成。由于磁电式传感器存在频率响应，可测频率范围窄（30―270Hz）。传统测量仪在超出该范围测量存在很大的误差。针对此问题，本测振仪设计出测量信号频率的硬件电路，通过软件上的频率补偿来消除不同频率下的频率响应对测量结果的影响，以达到精确测量。硬件电路原理如下图所示：
测量时，通过传感器将速度信号转化为电压的正弦波信号，经过放大后分别测得振动的速度与频率。振动速度由有效值测量电路计算得出（正弦波均方根），经过A/D采集后将有效值送单片机处理。振动频率经比较器后通过LM2907频压转化电路转化为电压值，经过A/D转换器将频压信号转换为数字信号送入单片机系统中与速度有效值进行计算。在测量频率时采用的是先将频率转换为电压，再由电压值通过计算得出频率，这种频率测量方法在振动测量中是个创新点，其减小了其他小频率对频率测量的影响。两路A/D电路所采集到的速度值与频率值，进入单片机通过滤波后，再通过公式。
（式中V为速度有效值，f为频率值）即可得出振动的位移峰峰值S。最终的有效值由数码管显示出来。该测振仪采用16位AD转换芯片ADS7809进行A/D转换，并在软件上将传感器的频率响应对测量结果的影响进行补偿，同时将部分软件功能硬件化，降低了单片机开销，减小了计算误差，保证了仪器的精度。
图2-2 硬件电路原理图
第三章 振动测量仪软件设计
3.1单片机系统的概述
将中央处理器（CPU）、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时器/计数器及I/O接口电路等微型计算机的主要部件集成在一块芯片上，使其具有计算机的基本功能，就叫做单片微型计算机（Single Chip Micro Computer,SCMC,）简称单片机。
单片机按内部数据通道的宽度，可分为4位、8位、16位、32位,自1975年美国IT公司首次推出4位单片机TMS-1000后，各计算机公司竞相推出4位单片机，4位单片机主要应用于家用电器、电子玩具等领域。1976年9月美国Intel公司率先推出MCS-48系列8位单片机，单片机发展进入了一个新的阶段，8位单片机主要应用于工业控制、智能接口、仪器仪表等个领域。1983以后，集成电路的集成度达到十几万只晶体管/片，16位单片机逐渐问世。16位单片机具有高速输入/输出（HSIO）、脉冲宽度调制（PWM）输出、特殊用途的监视定时器（Watchdog）等。16位单片机可用于高速复杂的控制系统。近年来各计算机生产厂家已进入更高性能的32位单片机研制、生产阶段。由于控制领域对32位单片机需求并不十分迫切，而且考虑成本，所以32位单片机的应用并不广泛。当前从单片机的实际使用来看，4位、8位、16位单片机在各领域都有很广泛的应用，如4位单片机在一些简单家电用器、高档玩具中仍有应用。8位单片机在中、小规模应用中仍占主流地位， 16位单片机在比较复杂的控制领域中中才用。
单片机有两种基本结构:一种称为普林斯顿（Princeton）结构，是将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，在通用微型计算机中广泛采用。另一种称为哈弗（Harvard）结构，是将程序存储器和数据存储器分开，分别寻址的结构。考虑到单片机“面向控制”实际应用的特点，一般需要较大的程序存储器，所以，目前单片机采用哈弗结构的较多。
单片机具有的基本特点是：
（1）存储器ROM和RAM严格区分开的。ROM为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。RAM为数据存储器，用作工作区急存放用户数据
（2）采用面向控制的指令系统。例如，位处理、查表、多种跳转、成除法运算、状态检测中断处理等增强了实时性。
（3）I/O引脚通常是多功能的。
（4）外部扩展能力强。如扩展ROM、RAM、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等。
（5）体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，可方便组成各种只能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。
（6）抗干扰能力强，适应温度范围宽，各种恶劣环境下都可可靠工作，这是其他类型的计算机无法比拟的。
（7）可方便的实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。
由于单片机具有这些特点，使它在工业控制、智能仪表、计算机外部设备与智能接口（传真机、打印机、复印机）、家用电器、商用产品（如电子收款机、电子秤）、儿童智能玩具、军事装置交通控制等方面得到了广泛地应用。用单片机制作的测量、控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化、柔性化发展，并使监测、处理、控制等功能一体化，使仪表重量大大减轻，便于使用，同时降低了成本，提高了性价比。 4.1.2 单片机选择原则[25]
单片机是实现整个控制系统智能化的主要指挥者，它的选择对整个仪器功能的实现具有相当重要的作用，一般单片机的选择主要从以下几个方面考虑：
（1）字长。字长反映了计算机的计算精度、指令数目、寻址能力和执行操作时间。在其他指标相同情况下，字长越大计算机处理数据的速度就越快，但同时辅助电路的成本就越大、越复杂。所以，应根据实际需要来选择字长，通常要求不高时8位的单片机即可满足要求，对于精度要求较高的系统则选用16位或32位的单片机。
（2）寻址范围和寻址方式。寻址范围反映了系统可存放程序的数量和大小，根据系统要求选择与寻址范围有关的合理内存容量。单片机寻址方式一般有直接、间接、变址寻址等方式。
（3）指令种类和数量。一般来说，指令条数越多，针对特定操作的指令也必然增多，这可使处理速度加快，程序量减少。字越短的单片机，通常指令条数也会少一些。
（4）性能。根据单片机所要完成任务的复杂程度选择型号。
（5）存储器。一般单片机都有三种类型的程序存储器形式：程序存储器ROM、数据存储器RAM、外围模块寄存器和特殊寄存器，实际应用中则根据程序运行速度选择不同的存储器。
（6）运行速度。单片机的运行速度首先看时钟频率、指令集、几个时钟为一个机器周期，单片机的速度选择应该与被控制对象的要求相适应，不可片面追求高速度，单片机的稳定性、抗干扰性等参数基本上根速度成反比，所以，盲目追求高速度会给整个系统带来不必要的麻烦。
（7）I/O口的数量和功能。I/O口的数量和功能是选择单片机时必须考虑的问题之一，选择时应该根据实际需要来选择I/O数量，不必盲目追求功能多、数量大，应该这样会增加芯片的体积和成本，造成不必要的浪费。
（8）定时/计数器。一般单片机都有2-3个定时/计数器，有些单片机还自带有看门狗定时器，单片机“死机”时可以自动复位。使用定时器可以简化软件设计，减少CPU资源的占用。
（9）模拟电路功能。很多单片机内部都自带AD转换器、DA转换器、PWM输出、电压比较器、等模拟电路功能模块。在实际应用中可根据需要选择单片机内部自带的模拟功能，从而简化了外部电路。
（10）工作电压、功耗。单片机常规工作电压为3V和5V，最低也可达到1.8V，最高也可达到6V，使用中只有保证单片机的正常工作电压才能实现单片机功能的正常实现。单片机的功耗参数一般是指正常模式、空闲模式、掉电模式下的工作电路。
（11）封装形式。单片机的封装形式主要有双列直插式（DIP）、PLCC对应插座式、四侧引脚扁平式（QFP）、贴片式（SOP）等，应据实际需要选择封装形式。
（12）抗干扰性和保密性。不同单片机抗干扰性不同，应根据实际需要选择不同抗干扰性的单片机，如在干扰比较大的工业环境中就必须选择好的抗干扰性单片机，同时选择保密性好的单片机可以保护知识产权不受侵犯。
除了上述几点外，单片机的可开发性、开发工具、编译器、开发成本等也是单片机选择中必须考虑的因素。
3.2 16位单片机MC9S12XS128
本课题研制开发的振动测量仪采用美国飞思卡尔公司的超低功耗16位单片机―MC9S12XS128作为系统芯片。MC9S12XS128单片机（或称为微控制器），是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机。与过去经常采用的 MC9S12DG128相比，其性能方面有较多的改善：速度更快、AD精度更高，增加了CPU寄存器和指令，可实现大存储空间的线性寻址，闪存操作简化，使用更方便。容错纠错功能及片内温度传感器可提高控制系统可靠性，较 S12DG128 总体性能上有很大提高，是当前 Freescale 最先进的单核16位单片机。其基本模块主要有端口整合模块（包含端口A、E、T、S、M、P、H、AD, 大部分I/O引脚可由相应的寄存器位来配置选择数据方向、驱动能力，使能上拉或下拉式装置）、脉冲宽度调制模块（具有8位8通道的PWM，相邻的两个通道可以级联组成16位的通道）、定时器模块（基本的定时器模块由1个增强的可编程预分频器驱动的可编程计数器、8个输入捕捉/输出比较通道和1个脉冲累加器组成。定时器模块一共有8个引脚，其中脉冲累加器与第7号通道的引脚是共用的）、数模转换器模块，其存储器模块是目前业界所有内部集成Flash存储器产品中能耗最低的一种，同其它微处理器相比，既缩小了线路板空间，又降低了系统成本，在系统设计、开发调试及实际应用都表现出较明显的优点，它具有以下特点：
（1）总线频率最高可达40MHz，并且具有完备的CAN功能,改进了中断处理能力；
（2）128KB程序Flash 和8KB DataFlash，用于实现程序和数据存储，均带有错误校正码（ECC）；
（3）CPU 以复杂指令及CISC 架构, 集成了中断控制器, 有丰富的寻址方式；
（4）可配置8、10或12位模数转换器(ADC)，转换时间3us；
（5）增加了一个平行处理的外围协处理器XGATE模块，该模块是一个可编程的16 位RISC核心,其设计运算频率可高达100 MHz,是一个智能的、可编程的直接内存存取(DMA)模块,可进行中断处理、通信和数据预处理,通过提供外围模块、RAM和I/O端口之间的高速数据处理和传输,卸载CPU 的任务；
（6）内嵌 MSCAN 模块用于 CAN 节点应用 ，内嵌支持 LIN协议的增强型 SCI 模块及 SPI 模块；
（7）4通道16位计数器；
（8）出色的低功耗特性 ，带有中断唤醒功能的 IO，实现唤醒休眠系统的功能；
（9）8通道PWM，邻的两个通道可以级联组成16位的通道，易于实现电机控制；
（10）低电源电压范围。单片机的供电范围是3-5V；
（11）灵活的时钟设置。主要有以下几种方式：32KHZ的晶体方式、高频率晶体方式、谐振器方式和外部时钟源方式。可以根据功耗要求和速度要求进行灵活的时钟设置；
（12）丰富的片上外围模块。MC9S12XS128集成了较多的片上外围资源，可实现多种功能；
（13）适应工业级运行环境。MC9S12XS128的运行环境温度范围为－40～125℃，所设计的产品适合运行于工业环境下；
（14）64KB、128KB和256KBIXJ存选项，均带有错误校正功能(ECC)；
（15）支持控制区域网(CAN)、本地互联网(LIN)和串行外设接口(SPI) 协议模块。
MC9S12XS128系列单片机的所有外围模块的控制都是通过特殊寄存器来实现的,故其程序的编写相对简单。编程开发时通过专用的编程器,可以选择汇编或C语言编程，设计语言简单易掌握。
3.3 单片机MC9S12XS128的开发语言
单片机的编程语言主要有汇编语言或者C语言。汇编语言是面向机器的程序设计语言，使用汇编语言程序员可以直接对目标代码进行控制，可以对输入/输出端口进行控制，实时性能较好，同时，用汇编语言编写的程序效率高，节省内存，运行速度快。但是用汇编语言编写程序比较复杂，只有熟练掌握单片机的指令系统并具有一定的程序设计经验，才能编写出功能复杂的应用程序。C语言属于流行的高级语言，接近英语自然语言和数学表达式，容易理解和掌握。C语言起源于上世纪60年代，成型与70年代，在近50年的使用过程中表现出了以下几方面特点
C语言简洁、
紧凑、灵活方便，语法自由；高级编程语言的结构性和低级编程语言的实用性有效的结合起来了，形成了新的功能强大的编程语言；应用广泛、可移植性强，适用于多种操作系统；运算符丰富、完善可以实现各类复杂的数据结构；多种数据结构类型的使用使C语言除了可以完成各种复杂的数据运算外还具有强大的图形功能；结构式的语言特点使代码和数据分割，程序层次清晰，便于使用、维护、调试；C语言可以直接对物理地址进行访问，进行位一级的操作；模块化开发、生成代码编译效率高、可移植性好、编程调试灵活方便。所以，C语言的开发利用越来越广，成为一种发展趋势。
MC9S12XS128单片机是一种16位的单片机。它集成功能丰富，内存也比较大，适合开发比较复杂的系统，C语言是其开发的首选程序设计语言。单片机一般都用于特定环境和特定用途，从成本、体积、功耗方面考虑，应尽量节省使用资源。单片机的硬件一般都不支持有浮点数、符号数的运算，且运算位数有限，因此，分配变量时必须认真考虑。采用C语言进行程序设计时需要注意的事项如下：
（1）单片机系统资源的有限性主要表现在程序的存储器上，MC9S12XS128是16位的CPU，要想提高代码的效率就必须减小变量的长度，无特殊要求时定义变量类型尽量采用字节少的类型和无符号型数据。尽量减少程序中使用的数据类型的种类，合理地选择数据类型，可以大大地减少生成代码的长度。
（2）尽量减少函数调用的层次和递归调用以减省堆栈空间。 （3）避免使用浮点数，尽量使用定点数进行小数运算。如果必须使用浮点数，则尽量使用32位的float，而不是64位的double。
（4）对于指针变量，如果声明后其值不再改变，则声明成const类型，这样编译器编译时能够更好的优化所生成的代码。
（5）尽量减少使用全局变量或者静态变量（static），多采用局部变量。在程序开始处定义的全局变量的作用域是整个程序，静态存储变量在程序运行期间其存储空间固定不变，它在函数中的调用是专用的，因此不能被释放，只有局部变量中的动态变量可以被释放，因此，为了避免使编译器无法把局部变量放在CPU的寄存器中，而是放在RAM中，从而失去了优化的机会，所以应尽量避免对局部变量使用&取地址符。在模块内使用的变量应声明为静态变量类型，这样有利于编译器优化，提高内部数据存储器的使用率和利用率。
（6）将参数组成一个数组或者结构，然后用指针传递可以同时传递多个参数。
（7）某些变量在中断程序和普通级别程序中都会被用到，所以必须加以保护。将变量声明为volatile类型，编译器优化时就不会移动它，对它的访问也就不会被延迟。应该保证对volatile的变量的访问不被打断，为此，可以在访问它的部分加上_monitor声明。
C语言是具有模块化和结构化功能的通用计算机语言，基于单片机的C语言在功能、结构、可读性、可移植性、可维护习惯方面都具有明显的优势，正是由于这些优势，使它在单片机领域具有重要的意义，是单片机编程语言的首选，或是以其为基础，所以C语言已成为目前单片机语言中最为流行的编程语言。
第四章 振动测量仪的抗干扰处理
干扰信号就是某些无用的信号混在有用信号中进入单片机系统，造成系统工作不稳，在各种实际环境中，这种干扰常会影响系统的测量精度，甚至运行失常，轻则影响产品质量和产量，重则导致事故，造成重大经济损失。所以，有效的抑制和排除干扰成为产品设计中的重要组成部分。
4.1 干扰的来源
单片机系统在工作过程中，常会受到来自各方面的干扰，其主要来自两方面：
（1）外部环境所产生的。单片机实际使用的现场存在着很多干扰源，如空间辐射干扰、信号通道干扰、数字电路干扰、电源干扰等都对单片机系统的运行带来了极大的危害，甚至可能带来系统失控。
（2）单片机本身系统所产生的。单片机本身系统是由多种线路所组成的，各线路之间会相互影响而产生干扰；单片机电源及各器件的电气性能、接地方式等都会带来干扰。
4.2抑制干扰的措施
干扰源不同，干扰信号的频域不同，则产生干扰的方式也就不同。高电压小电流产生的干扰主要是电场干扰；低电压大电流产生的干扰主要是磁场干扰；当电压或电流的频率较高时，产生辐射电磁场，电场干扰和磁场干扰都必须考虑。在进行具体的系统设计时，应根据干扰源的频域确定相应的抗干扰措施。
4.2.1 硬件抗干扰
硬件抗干扰主要是通过抑制干扰源，切断干扰传播途径，提高敏感器件的干扰性能等方面入手。
1.抑制干扰源
在电源电路中稳压片并联电容。这种做法可有效地滤除电源中的高频干扰。
（1）在单片机和A/D转换芯片上并接一个0.1F的高频电容，以减小IC对电源的影响。
（2）利用光电耦合器将强电系统与弱电系统隔离开来。采用光电耦合器能有效地抑制尖脉冲和各种噪声的干扰。在光电耦合器的输入端即使是幅值很高的干扰，也会由于没有足够的能量使发光二极管发光，而被抑制掉。光电耦合器的输入回路与输出回路之间是在密封条件下进行的光耦合，故不会受到外界干扰。因此，能使过程通道信噪比大大提高。
（3）信号通路加入集成滤波器，组成低通滤波电路，滤除高频干扰。 （4）采用具有过流、过压、过热等保护的集成式稳压电源，本课题中使用的稳压电源具有输出短路和过热保护功能，抗干扰能力很强，性能可靠，可提高系统的抗干扰能力。
（5）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。
（6）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。
（7）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。
（8）单片机进行扩展时，不应超过其驱动能力，否则会使整个系统工作不正常。如果超负载驱动，应加上总线驱动器。
2.切断干扰传播路径
（1）模拟电路通过隔离放大器进行隔离，数字电路通过光电耦合进行隔离，模拟地和数字地分开，最后在一点接与电源地。
（2）电路板合理分区，强、弱电严格分开；电路板的走向尽量与数据传输方向一致，接地线尽量加粗，且构成闭合环路。在印制电路板的各个关键部分应尽量配置去耦电容。
（3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。
（4）光电隔离将强电系统与弱电系统隔离开来，以避免强电系统对弱电系统的干扰
（5）操作按钮时产生的尖峰干扰，应利用 RC 电路加以吸收
（6）CMOS电路不使用的输入端不允许浮空，否则有可能受外界的干扰而产生误动作，设计时可以根据需要接电源或接地，在PCB允许的条件下，地线布设得越多抗干扰就越好。
（7）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。
3.提高敏感器件的抗干扰性能
（1）印刷电路板大小要适中。过小散热性不好，同时易受邻近线条干扰。过大时，印刷线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；
（2）器件布置时，尽量把相关的器件放得靠近些，能获得较好的抗噪声效果，时钟发生器、晶体振荡器和CPU的时钟输入端易发生噪声，所以要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路尽量远离计算逻辑电路，同时，将发热量大的器件放置在机箱的上方。
（3）数字、模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。
（4）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。
（5）电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能有引线。
（6）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。
（7）电源线与信号线不可靠得太近或互相平行，以减少电源与信号线的之间的相互影响。
将调试通过的系统拿到现场组装，实地调试，由于现场环境十分恶劣、复杂，即使是使用了所有可利用的方法，但是也应注意噪声是无法消除的，它只能被尽量减小到不再形成干扰的程度。除了最简单的情况之外，减少噪声问题的单一解决方案是不存在的。一个成功的抗干扰设计，不仅仅涉及设计的技巧和规则，同时还应更多的考虑到电子设备（包括整个电子系统本身）的工作情况、性能指标、工作环境，甚至还应考虑到电子设备的使用者可能提出的使用和维修方面的特殊要求。只有考虑到各种因素，才能设计出良好的设备抗干扰方案，从而满足系统在工业生产环境及其它恶劣条件下工作的要求，提高系统工作的可靠性。
4.2.2 软件抗干扰
在硬件设计合理且工作正常的基础上，采用软件抗干扰技术，可保证单片机工作出错后，系统仍然能够安全运行。软件抗干扰措施主要是通过对程序区、RAM空间区、表格区进行特殊处理来实现的，在存储空间允许的条件下，可充分利用软件抗干扰措施，提高单片机系统程序允许的可靠性和安全性。其具体方法为：
（1）指令冗余技术
通常单片机内部最容易受干扰的是程序计数器PC的值，如果PC值被改变，则CPU会将一些操作数当成操作码来执行，导致程序从正确位置跳到错误的区域内执行，引起程序混乱。通常此现象成为程序“跑飞” 现象。当程序跑飞到某一个单字节指令时，便自动纳入正轨；当跑飞到某一个双字节或三字节指令上时，有可能落到某操作数上，继续出错。因此，在程序设计时，应多采用单字节指令，并在程序的关键地方有意插入一些空操作指令（NOP），或将有效的单字节指令重复多写几次，当程序错飞到这些地方后就会自动恢复正常，这就是指令冗余。其插入的一般原则为：NOP指令必须插入在跳转或多字节指令之前；程序中每隔若干条指令插入NOP指令1次；在比较重要的指令如中断、堆栈等有关指令前插入NOP指令；在各子程序之间插入若干条NOP指令。指令冗余实际上增加了PC的落点范围，减小了出错概率。但程序中也不能加入太多冗余指令，会降低程序运行的效率。当程序从一个模块跑飞到另一个模块时，指令冗余虽能使程序往下执行，但程序已跑离了正常顺序，仍会使系统出现混乱。 （2）软件陷阱。
（2）当系统受到干扰而使程序计跑飞到非程序区，此时软件冗余已无能为力，将造成程序混乱，此时应尽快使用“软件陷阱”将PC捕捉，使程序进入陷阱，强迫程序进入一个指定的地址，在该处放置了一段专门对出错程序进行处理的程序。如错误处理程序的标号为ERR，则软件陷阱可由以下三条指令组成:NOP;LJMP ERR.软件陷阱的位置一般安排在未使用的中断向量区；未使用的大片ROM空间；数据表格和散转表格；程序区内的某些位置。
（3）采用超时判断克服程序的“死锁”
在数据采集系统中长采用超时判断措施来防止系统出现“死锁”。如在A/D转换部分，如果A/D转换失效，程序对标志位循环检测一定次数后，仍然采不到转换结束标志，则自动放弃本次采样，避免了“死锁”情况的发生。
(4)重复设置各种工作方式控制字
系统受到较强干扰时，各芯片的输入/输出口可能会失去原来定义的功能，这时如果在循环程序中定期、有条件的对各方式控制字进行重复的初始化，则及时修复破坏的方式控制字。 (5)看门狗（Watch Dog Timer ）技术
（5）看门狗即监控定时器，是一种常用的软、硬件结合的重要抗干扰技术，其主要功能就是检测到软件出现问题时重新启动系统。当程序发生跑飞进入死循环时，冗余指令和软件陷阱都无能为力，系统将完全陷入瘫痪。看门狗可监视系统的运行状况，当程序发生跑飞进入死循环时，可使程序从死循环中恢复到正常状态。看门狗有两种：一是硬时钟―在CPU芯片外用硬件构成一个定时器；二是软时钟―利用片内定时/计数器，定时时间比正常执行一次程序循环所需时间要大。看门狗运行时具有以下特征：
1）定时时间固定不变，一旦定时时间到，将发出中断申请脉冲或溢出脉冲；
2）监控定时器正常工作时，如果定时器时间未到就将其清零，定时器会重新开始，但不产生中断申请信号或溢出脉冲，这一过程称为刷新；
3）看门狗既可以使用硬件实现，又可以使用软件实现，但硬件实现时离不开运行软件，软件实现时离不开单片机内已有的定时计数器硬件电路。
（6）数字滤波
对于实时数据采集系统，为了消除传感器通道中的干扰信号，与通过硬件对信号实现频率滤波一样，在软件中也可以实现滤波，完成模拟滤波器类似的功能，数字滤波具有如下优点：
1) 无需增加任何硬设备，只要在程序进入数据处理之前，附加一段数字滤波程序即可，且可靠性高，不存在阻抗匹配问题。
2) 模拟滤波器通常是各通道专用，而数字滤波则可多通道共享，从而降低了成本。
3) 可以对频率很低的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低。
4) 使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。
由于上述优点，数字滤波得到了广泛的应用。数字滤波方法主要有中值滤波算法、程序判断法、算术平均滤波法、加权平均滤波法、中位值平均滤波法、滑动平均滤波法、一阶惯性滤波法。这七种滤波算法各有其特点，可以根据具体情况合理选用。
调试方法
第五章振动测量仪的调试
当单片机系统各硬件电路和软件程序设计及硬件组装完成后，便可以进入系统联调阶段。单片机应用系统调试是系统开发的重要环节，系统调试的目的是要查出整个设计中可能存在的问题和不足之处，以便对系统进行重新修改直至系统可以正确、稳定、可靠的运行。
5.1 调试方法
完成了用户系统样机的组装和软件设计之后，变进入系统的调试阶段。样机调试主要包括硬件调试、软件调试和系统联调，调试流程如图51所示
作为一个计算机系统，其运行是软硬件相结合的，也就是说，软件和硬件不能分开的，硬件的调试常常需要利用调试软件，而软件的调试也可能需要通过对硬件的控制和测试来进行。
图5-1系统调试流程图
5.2 硬件调试
根据设计的原理电路做好实验样机便进入硬件调试阶段，硬件调试工作主要是利用万用表、示波器等基本测试仪器，通过执行开发系统有关命令或运行相关测试测序检查样机故障，包括筛选元件、电路板试验；系统各部分稳定性与可靠性调试。主要方法有如下几个方面：
（1）脱机调试。
联机调试是在样机加电之前，先用万用表或逻辑测试笔逐步按照电气原理图和装配图仔细检查各器件的电源及各引脚的连接是否正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。其基本步骤为：
首先，对于做好的印制电路板要仔细检查印刷线是否有断线、毛刺，走线与过孔、焊盘是否有粘连，焊盘是否有脱落，过孔是否有未金属化现象等，应特别注意检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障。若印制板无质量问题，则可将相应的集成芯片插座焊接在印制板上，焊接时注意焊点要要饱满无虚焊、无毛刺。芯片插座焊接完成后将其他器件都安电路图要求进行逐一焊接，焊接时要特别注意点解电容、二极管、三极管的极性是否有反接或跪腿等情况。
其次，利用万用表检查电路各连接是否正常，检查无误后，在未加电状态下按信号走向依次将相应芯片插入印制板的相应插座上，特别注意不要插反。每插入一个芯片都必须对该芯片单独调试，检查各管座的电位或电源是否符合要求的电压值，接地端电压值是否接近于零。若不符合要求必须马上断电，重新检查，找出产生问题的原因并加以解决。在未找到问题的原因之前绝不可再次盲目加电，以免造成更大的损失。
（2）联机调试。
通过脱机调试可以排除一些明显的硬件故障。但有些硬件故障还是要通过联机调试才能发现和排除。联机前先断电，把仿真器的仿真插头插到样机的单片机插座上，检查各电源、接地是否良好。一切正常后即可打开电源。仿真器工作后，首先对各功能模块如A/D转换、显示电路等进行单独调试。对该模块调试时可将其他无关模块芯片拔出以排除其他模块对该模块的影响，当该模块调试无误后即可进行下一模块的调试，直到所以模块都加入后应用系统可以稳定工作。若此过程中出现了预期之外的结果则可能是各电路模块的协调关系上出了问题，需认真找出原因，加以排除。
5.3软件调试
软件调试的任务是利用开发工具进行在线仿真调试，发现和纠正程序错误，同时也能发现一些硬件故障。软件调试的一般方法是先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续。统联调中，利用万用表、示波器及开发软件中的监视模块来检查主控系统中的CPU现场、RAM内容和I/O接口状态，检查程序执行的结果是否正常，若出现了预期之外的结果，则可能程序出现了故障，这时可以采用设置断点的办法来找出并改正错误。通过联调，不仅可以发现程序中的死循环错误、机器码错误及转移地址的错误。也可以发现待测系统中软件算法错误及硬件设计错误。
第六章 论文总结与展望
6.1 论文总结
飞机发动机的结构强度故障90%是由振动导致或与振动有关，所以对飞机发动机振动值的测量就显得尤为重要，同时也成为世界各航空公司以及研究所所关心的热门问题。对于飞机发动机振动测量仪的研制可以从多方面来考虑，本课题介绍的振动测量仪的研制基于飞思卡尔单片机MC9S12XS128，采用RMS均方根电路测速度与频压转换电路测频实现振动位移的带通测量，16位AD转换芯片ADS7809进行AD转换送入单片机处理后通过LED进行显示。并在软件上针对传感器的频率响应对测量结果进行补偿，将部分软件功能硬件化，降低了单片机开销，减小了计算误差，保证了仪器的精度。对于硬件电路无法实现的稳定频响带和理想的高低截止频率采用软件进行处理从而使振动测量仪具有精度高，抗干扰能力强，稳定性好结构简单，易于操作等特点。在本振动测量仪研制过程中，主要结论如下：
（1）最初的硬件调试中，使用的是信号源输出的正弦波信号，我们直接将信号输出端的两根信号线接在信号输入端，在放大端始终得不到理想的放大信号，进过反复思考终于找到原因：原来我们忽略了示波器和信号源的应该有共同的地，所以，在输入时我们将信号的负端输入端与地相接，从而实现了信号源和示波器存在共同的地。
（2）前期对于连接无误的电路，MAX921并不输出预期中的方波，分析原因可能为比较电压过大，调节与其反相输入端相连的电位器，调到适宜位置则可输出方波信号。
（3）硬件电路中分别需要±5V、±15V的电源电压，直接用直流电源供给的话，不能保证电源的稳定性，且根据实际组装成样机时空间最小化要求，综合考虑采用电源模块来产生±5V和±15V的电源电压，线路简单、输出电压稳定。
（4）前期现场使用中，有强电磁干扰源（如手机干扰）存在时，存在检流计指针摆动，工作不稳定的现场。经分析干扰源后，将单片机芯片改为飞思卡尔公司生产的MC9S12XS128，此单片机具有较强的抗干扰和滤波作用，从而既实现了抗干扰、滤波作用，又避免了使用价格昂贵的专用滤波芯片UAF42，减小了设计成本。
（5）对采集的数据进行分析的时候，前期的经过硬件处理的数据还是很难满足设计要求，精度上仍然有差异，后期采用软件滤波和标度变换算法，很好的解决了这个问题，使得最终的数据稳定可靠。
（6）为了提高测量精度，本振动测量仪采用16位高精度D/A转换芯片DAC714，有效地实现了测量结果的稳定性和可重复性。
6.2 展望
由于单片机具有高集成精度、高可靠性、体积小、控制功能强、低电压低功耗、易扩展、性价比高等特点，所以单片机的应用越来越广，同时随着智能化仪器仪表的快速发展，在工业控制和消费电子领域，也越来越多应用到单片机系统，其以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适用于对功能、可靠性、成本、体积以及功耗等有严格要求的专用计算机系统。并且随着网络技术的发展，仪器和设备的无人值守操作和监视对仪器的研制提出了更高和更新的要求。单片机技术的快速发展预示着自动控制领域新的研究方向，在将来的振动仪表改进和发展中，必然朝着此方向继续发展。
参 考 文 献
1黄XX;;无线传感器网络在机械振动监测中的应用[J];传感器与微系统;201年01期
2赵XX;;振动测试中传感器的选择和使用[J];仪器仪表用户;2011年01期
3戴XX;;虚拟仪器在振动测量系统中的应用[J];电子质量;2008年05期
致 谢
大学三年学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母、亲人们，我的老师和同学们表达我由衷的谢意。感谢我的家人对我大学三年学习的默默支持；感谢我的母校给了我在大学三年深造的机会，让我能继续学习和提高；感谢所以老师和同学们三年来的关心和鼓励。老师们课堂上的激情洋溢，课堂下的谆谆教诲；同学们在学习中的认真热情，生活上的热心主动，所有这些都让我的三年充满了感动。 这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老师黄XX老师对我的关心和支持尤为重要。每次遇到难题，我最先做的就是向黄老师寻求帮助，而黄老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。黄老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。这几个月以来，黄老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向黄老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时，本篇毕业论文的写作也得到了韦芳、谭冬柳等同学的热情帮助。感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！
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