#STM32学习#6D加速度传感器测量风机震动

1、背景：

需要监测风机的启动与停止，希望通过测量其振动频率来辅助判定。

2、传感器：

传统的振动传感器如下图，其有两个缺点：一是测量精度低，对于微小的振动不敏感；二是无法测出分频信号。

选择使用LSM6DSL加速度/角速度传感器。传感器所在的板子为X-NUCLEO-IKSO1A2。如下图所示。

 LSM6DSL可以测量出三轴方向的加速度和角速度，而我们监测振动只需要加速度信息。

3、建工程：

首先使用的开发底板是ST官方的MB1136。所有相关的资料会在下方给出链接。

习惯使用Stm32cubeMX快速建立工程。根据选用开发板的主芯片型号以及传感器链接的引脚，占用的资源进行配置。最终一键生成工程。（关于如何使用stm32MX，可自行度娘，也可在下方讨论）

值得一提的是：

（1）配置I2C时，需要使用“快速模式”，速度设置为最大（400000Hz），这样可以加快和加速度传感器之间的通信。加速度传感器的输出频率也就可以尽可能提升。实际在测试时发现，在最快的IIC通信速度下，传感器最大可以设置的输出频率为3.33KHz。

（2）配置一个中断输入引脚，接收传感器数据准备好时发来的中断。（也可以自行去读取某状态位）

（3）ST下载口自带的串口，波特率为固定的9600.如果想要更高，需要单独接线。（我就是单独接线，设置为115200）

 

接下来是去工程里编写代码，相信大家都可以编出属于自己逻辑的代码。我的逻辑思路如下：

（1）初始化设备和传感器

（2）传感器启动，准备好一组加速度数据（3个数据，X,Y,Z），产生引脚中断。

（3）F401RE接收到中断，读取6个字节（3个加速度的值）。（直接读取的是补码的形式，而加速度值有正负，需要我们定义变量时使用int16）

（4）将一组数据（3方向加速度）进行矢量计算，求得其模长ACC。将ACC存入数组直到存满。（考虑到单片机存储空间有限，因而采用模长的数组，1024个double数据）

（5）存满后，不再存储，置为标志位，进行FFT快速傅里叶变换。相关知识参考自：https://blog.csdn.net/yga_airspace/article/details/86688278  。

该链接里面有C语言代码，可以直接运行。在使用时需要注意输入参数关系：

FFT需要定义多个与模长数组同样大小的数组，比较费空间。

double pr[NUM],pi[NUM],fr[NUM],fi[NUM];

 

（6）变换得到的结果被存在pr[1024]中，如果需要观察变换得到的结果，可以将这个数组里的double数据 打印到窗口助手中，再用excel观察变换结果。（打印时，单个数据接换行（\n\r），串口助手中打印的一列数据，直接复制到excel中）。得到的数据列表中第一个为直流分量，可以删除。另外因为某种原因，剩余数据构成的图像呈现左右对称的情况，我们在显示时只取一半就好。如下图所示，传感器放在电脑主机上，测量主机风扇的振动。共计1024个采样点。输出频率为833Hz。（提高采样点个数，横坐标会向右移动。提高输出频率，横坐标会向左移动）（同样是1024个采样点，833Hz输出频率对应145，1.66KHz输出频率对应72,     3.33KHz输出频率对应35）。

（7）横坐标与振动频率有着直接的关系。我通过模拟输入数据观察发现，采样点数为1024时，傅里叶变换后得到的峰峰极大值的很坐标与实际的频率一致(略有偏移，可以理解)。

 模拟输入pr[1024],包括10Hz，20Hz，30Hz，40Hz，50Hz，60Hz，70Hz，80Hz，90Hz。（参考频率和角速度之间的关系）

for(i=0;i<1024;i++) {
pr[i]=cos(2*PI*0.001*i*10)+cos(2*PI*0.001*i*20)+cos(2*PI*0.001*i*30)+cos(2*PI*0.001*i*40)+cos(2*PI*0.001*i*50)+cos(2*PI*0.001*i*60)+cos(2*PI*0.001*i*70)+cos(2*PI*0.001*i*80)+cos(2*PI*0.001*i*90);
}

下图只使用了其中的第1~128个点做图（采样点数还是1024）

4、编写上位机

上述显示的过程有点繁琐，因而考虑编写一个上位机用于实时调试。

下位机设备在进行转换之后，直接通过串口，将数据发送到电脑。（每个double数字都先被转换为字符串，以字符串的形式发送。每个数据发送之后，追加发送一个换行符\n,发送完所有数据之后，发送一个'#'）

 

上位机编写，使用的是Qt和C++。具体的实现和源代码感兴趣的童鞋可以问我要一下。

我最方案是，1024个采样点数组，传感器3.33KHz输出频率。电脑主机的频率被测为35Hz（2100转每分钟）。

 

纯属个人经验总结，如有错误，欢迎讨论！