［摘 要］ 介绍了采用fft的振动分析方法的基本原理，详细讨论了系统采用dsp（tms320vc5402）为核心的硬件和软件设计，通过采用低功耗、微型化设计达到便携式要求。该仪器已方便地用于机械设备的振动检测，并取得满意的效果。
［关键词］ dsp；高速ad；fft；故障诊断
atms320vc5402－based portable vibration analyser
liubin，guyue－zhou
（instituteof mechatroniccontrol engineering ofzhejiang university，zhejiang－hangzhou 310027，china）
abstract：this paper presents an fft－based vibration analyser，the design of the systemhardware andsoftware based on dsp（tms320vc5402）．the systemis portable by designing micromation with lowpowerconsumption．the instrument has been used to check machine vibration very conveniently at a working field．the resultis satisfying．
key words：dsp；high speed ad；fft；fault diagnosis
1 引 言
振动信号是机械状态检测和诊断的基本信息来源，是机械运行状态信息的载体。振动信号分析是工程结构强度分析、机械状态检测和故障诊断的重要手段，以傅里叶变换为核心的频谱分析方法是振动信号分析的基础和主要手段。对于某一特定的机械部件而言，它正常工作的时候会对应着某一近似稳定的频率特性，而当机械部件发生结构或材料上的故障时，它的频率特性就要发生改变，这种频率特性的改变常被用来进行故障诊断。目前，有各种频谱分析仪用来做振动分析，但这些仪器一般都比较大，而且有时需要与计算机通信，这对于现场检测极为不便，开发便携式振动分析仪会有明显的优越性，而高性能的dsp为此提供了硬件基础。
2 fft简介
对时域信号进行频谱分析常用的是傅里叶变换，傅里叶变换函数常以连续函数得出，要用dsp实现这种转换，首先要对信号进行离散化处理再进 行离散傅里叶变换即dft。若信号为x（t），则其傅里叶变换为：x（f）＝
离散化且进行离散傅立叶变换得到：其中直接计算dft的工作量相当大，在忽略加减法运算的情况下，当数据点数为n时，需要n2次乘法，而采用它的快速算法即fft时，计算量降为n/2 log2n。当n的数值很大时，其效果相当明显。fft算法主要采用了蝶式运算，n＝4的fft运算示意图如图2—1所示。
3 系统设计
系统以dsp为主控制器，要完成数据采集、1024点fft运算、频谱分析以及人机接口等几个方面的功能，由于有fft运算，dsp必须有极高的性能，并且该仪器还需有便携式的要求，因而芯片的选择要考虑功耗，同时整个系统的结构要紧凑，实现微型化。
3.1 系统结构
整个系统的结构如图3-1所示。它由信号的预处理、a/d采样、傅立叶变换及故障诊断和结果显示4部分组成。信号预处理部分主要完成电荷—电压转换、信号放大和抗混叠滤波等功能；a／d采样部分通过高速ad转换芯片完成信号的数字化；傅立叶变换及故障诊断部分对a／d采样得到的数字信号进行fft运算，得到信号的数字化频谱，并与参考频谱进行比较，对振动源的工作状态作出诊断；结果显示部分主要是把计算得到的频谱值以图形的方式直观地显示出来，并以简单的文字描述出工作设备的工作状态。
3．2 硬件设计
系统硬件可以分为4个模块：dsp核心控制模块、信号预处理模块、a／d采样模块和人机接口模块。整个系统的硬件连接关系如图3—2所示。
（1）dsp核心控制模块
dsp是一种具有特殊结构的微处理器，内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供一些高效的指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法，并且指令都是单周期运行。dsp已广泛地应用在语音、图像、通信、仪器仪表等领域。54x系列dsp是专门用于定点运算的dsp芯片，主要的特点是运算速度快、功耗低，文中采用ti公司的tms320vc5402（以下简称5402）为主控制器，它不仅有上述特点，而且价格便宜，是性价比很高的一款dsp芯片。
系统要成为一个便携式的测试仪器首先在功能方面必须完善，人机接口成为系统一个不可缺少的部分，由于5402的通用i／o很少，不能用线控的方 法完成键盘、显示等接口功能，所以可以把这些外围的部分映射到dsp的i／o空间去，以后对外围模块的控制相当于在dsp的i／o空间进行读写操作，具体实现可以通过一块cpld（xc95144）完成，同时它还可以完成地址译码、数据锁存等功能。dsp与cpld的连接关系如图3—3所示。
dsp的设计原则是尽量使用dsp内部自带的dar
