电机轴承外圈故障诊断装置的设计1

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1 引言

1．1 课题的研究背景

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设备故障诊断学是本世纪六七十年代产生并发展起来的一门综合性边缘学科,经过几十年的发展,理论研究取得了重大进展,按照所采用的技术手段可分为:振动分析法声学分析法，红外分析法!润滑油分析法!计算机辅助诊断及专家系统等方法等，按照诊断对象可分为:旋转机械故障诊断往复机械故障诊断!机械零件故障诊断!工程结构故障诊断!液压设备故障诊断!电气设备故障诊断等，在这些众多诊断分支中,旋转机械故障诊断是一个极为重要和引人注目的分支。

电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要，而作为电机核心部分的轴承的也担任着不可或缺的角色，轴承故障的诊断就显得尤为重要了。

1.2 发展状况

轴承在旋转机械中应用最为广泛，同时也是最易损坏的元件之一。旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关，轴承的工作好坏对机械的工作状态有很大影响，其缺陷会直接导致设备产生异常振动和噪声，严重时甚至损坏设备，它的运行状态是否正常往往直接影响到整台机器的性能，如精度、可靠性、寿命等。轴承的缺陷会导致机械设备的剧烈振动和产生强大刺耳的噪音，严重时会引起设备的损坏、生产的停止、甚至严重的机械事故。据统计，约30% 的旋转机械的故障是由于轴承的损坏所引起的。随着设备自动化程度和设备复杂程度的提高，以及工程领域大型旋转机械的广泛应用，都要求对设备有很高的安全性和故障预测性，同时也对新的故障诊断方法提出了要求。因而对作为运转机械最重要件之一的轴承，进行状态检测和故障诊断具有重要的实际意义，这也是故障诊断领域的重点。

故障监测和诊断技术发展到今天，已经初步形成一门跨学科的综合信息处理技术，鉴于此种情况，我们正着力于将故障监测和诊断技术与滚动轴承试验技术进行有效的结合，开发滚动轴承寿命强化试验系统技术，力图在进行轴承性能试验的同时，对其使用性能的劣化和潜在缺陷进行监测和诊断，指导试验的快速、有效地开展。滚动轴承寿命强化试验系统，属国内独创，该项目已产业化生产，并解决了关键技术问题，产品已系

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列化：ABLT-1A，ABLT-2，ABLT-3，ABLT-4，ABLT-5，ABLT-6，ABLT-7，已生产销售200余台，创产值2500余万元，替代进口产品，为国家节省外汇6000余万美元。已申请国家发明专利4项，而且均已公示，已授权2项。目前这一轴承寿命强化试验系统技术已被瓦房店轴承集团有限公司检测试验中心、中国·摩士集团宁波轴承技术研究院等国内、外众多用户广泛认可并应用。

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2 各模块的方案选择及论证

2.1 轴承故障诊断的主要环节

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滚动轴承诊断技术概括的说就是以轴承故障振动原理为基础，通过采集跟检测反映轴承各种状态的振动信号，并利用现代信号处理方法将采集到的振动信号经相应的变换，找到反映轴承状态的特征信息频率，然后根据现有的故障特性频率跟参数判断故障原因，并预测故障的发展跟设备的使用寿命。

一个完整的轴承故障诊断系统大概包括五个环节：

1 信号的提取 根据轴承的工作环境跟工作性质，量取并选择能够反映轴承工作状态信息的特征信号。

2 特征抽取 从得到的信号数据中以一定的数据分析与处理方法抽取能够反映轴承状态的数据信息。

3 状态识别 根据征兆，以一定的状态识别方法识别轴承的状态信息，即简单的认识到轴承的工作是否正常或者有无故障。

4 诊断分析 根据情况进一步分析相关的状态及其发展趋势，当轴承有故障时，详细的分析出故障的类型，性质，部分，原因和趋势等等。 5 决策干预 根据状态跟情况做出相应的应对措施。

2.2 轴承的振动类型

轴承的振动类型复杂多样，它所造成的振动大致分为三类:

1．与轴承变形相关的振动：轴承作为一种弹性变体。轴承负载时，由于负载滚动体的不断变换使得轴承在运行状态时发生弹性振动。它与轴承的一场状态无关。 2．与轴承加工有关的振动：轴承各元件在加工中不可避免的出现加工失误。如表面波纹，轻微的擦痕，装配误差等都会引起轴承振动。

3．轴承在工作时发生故障引起的振动：轴承在实际工作中，由于发生破碎，断裂，剥落等故障而产生振动。这些振动反映了轴承的损伤情况，所以是应该注意的，这类振动所产生的振动信号是监测分析的对象。

2.3 轴承诊断各模块的的方案选择

2.3.1 单片机的选择

C8051F340单片机是就是顺应这种需求而推出的一种新型USB控制器，ＵＳＢ功能

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控制器，符合ＵＳＢ规范２．Ｏ版．集成时钟恢复电路，无需外部晶体；支持８个端点；１ＫＢＵＳＢ缓存；集成收发器。无需外部电阻。C8051F340单片机的这些特点。使其在设备设计开发中具有极强的竞争力，特别是在ＵＳＢ通讯设计中。

C8051F340具有片内上电复位、VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F340器件是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

片内Silicon Labs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。

每种器件都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-5.25V的电压工作。电源电压大于3.6V时，必须使用内部稳压器。对于USB通信，电源电压最小值为3.0V。端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F340采用48脚TQFP封装或32脚LQFP封装。

由于本系统对CPU运算速度要求很高，需要执行很复杂的运算，故采用上述方案。

2.3.2振动传感器的选择

一. 机械监测系统测振传感器的选择必须从两个方面考虑:首先要考虑被监测设备的机械方面的因素。传感器的选择除了考虑监测系统的机械因素外，还应注意如下几点：

1.对用接触式传感器进行振动测量时，应尽量避免对被测试件增加质量负载，即传感器的质量应远小于被测物体或试件的质量，防止或避免因安装传感器造成被测物体或试件动态特性的改变。非接触式传感器无此缺点，但其灵敏度与初始安装间隙有关，使用时应加以注意。

2.测量前应估计出被测量的频率范围，并检查它是否落在传感器的幅频曲线的上作频带内，即幅频曲线的平直段内。当测量由多种频率成分组成的复杂波形时，必须选择相移与频率成线性关系(相频曲线为过坐标原点的斜直线)的传感器，否则将会产生波形

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失真。

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3.事先估计被测系统的最大振级，并检查它是否超过所采用传感器最大冲击值的三分之一。一般说来低灵敏度传感器可用于高振动量级测量，反之，低量级振动应采用高灵敏度传感器，以提高信噪比。

4.估计被测点振动方向，以便于正确安装传感器，减小横向灵敏度等带来的测量误差。如不能精确估计，可采用受方向影响较小的传感器。

5.估计传感器的上作环境，如温度、瞬时温度、磁场、声场等，并检查所采用传感器能否满足使用环境的要求，是否要采用必要的防范措施。

二 . 根据上述内容，本系统采用压电式加速度传感器，从性能价格比的角度考虑选用北京测振仪器厂生产的YD一12型压电式加速度传感器，其参数如下：

图2.3 传感器原理图

1.电压灵敏度:40一60mv/g; 2.横向灵敏度:<5%; 3.频率响应:1一10000Hz; 4.电荷灵敏度:40~60pe/g; 5.引出方向:侧向; 6.最大可测加速度:5009;

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7.电容:1000pF; 8.重量:2590g

2.3.3转速传感器选择

1.工作原理

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转速传感器选用非接触光电式转速传感器，它分为投射式和反射式两类。投射式光电转速传感器的读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙，从光源投射到光敏元件上的光线产生一次明暗变化,光敏元件即输出电流脉冲信号（图1）。反射式光电转速传感器在被测转轴上设有反射记号，由光源发出的光线通过透镜和半透膜入射到被测转轴上。转轴转动时，反射记号对投射光点的反射率发生变化。反射率变大时，反射光线经透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲信号；反射率变小时，光敏元件无信号。在一定时间内对信号计数便可测出转轴的转速值。

2.具体型号的选用

具体型号选用LG--916光电式转速传感器，制造商为小野（ONO SOKKIONO SOKKI） LG--916是从传感器发出 (红外线)，照到旋转轴上产生反射光,再检测这个反射光的非接触式转速传感器。在旋转轴上通常要贴反射标签，LG--916是在其尖端部使用玻璃纤维束，其玻璃纤维束发出红外线光，同时接受反射回来的光。传感器内装小型放大器，对波形整形为矩形波输出重量只有150g，非常紧凑轻便。

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3.系统的硬件设计

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系统的硬件主要包括电源模块、C8051F340单片机、数据采集模块，数据传输电路等对轴承故障诊断及检测。

3.1 电源模块

电源电路负责给硬件电路提供工作电源。本电路直接使用3节干电池供电，这样增加了设备的可移动性，同时也减小了设备的体积。

3.2 轴承故障诊断的理论与方法

轴承故障诊断中, 采用共振解调法, 基本原理为: 当轴承某一元件表面产生局部损伤时, 在轴承受载运行时要撞击与之相互作用的其它元件表面, 产生一系列的冲击脉冲力. 这些冲击力会激起轴承系统的高频固有振动. 根据实际情况, 可选择其中一个高频固有振动作为研究对象, 通过带通滤波的方法, 把它从其中的高频振动中分离出来. 这个高频固有振动的振幅受轴承元件故障特征频率的调制. 利用包络检波器解调得到反映故障的包络信号, 对此包络信号进行分析, 即可诊断出滚动轴承的故障. 振动信号的分析处理分为时域处理和频域处理两类. 时域处理主要指标为振动信号的均方根值和峰值, 可以通过均方根值硬件电路和峰值保持电路得到. 当利用时域指标监视发现某轴承有故障, 要判断到底是什么类型的故障、故障发生在哪个元件上, 以及故障的严重程度等比较精确的信息时, 需要对滚动轴承的信号进行频谱分析, 即进行频域处理. 根据频谱图中的频率成分以及各有关频率成分处的幅值大小进行精确诊断.如图所示：

元件损伤 冲击 高频 固有振动 传感器拾取振动信号 低通滤波器 包络信号 带通滤波放大 频谱分析 频谱

图3.1 检测流程图

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轴承的故障特性分析

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滚动轴承的不同类型的故障会引起不同类型的特征振动信号，按照振动信号的不同可以将故障区分为一下几个类型：

1.滚动轴承的构造故

当轴承上面加上一定的负载时，旋转轴的中心随着滚动体的位置变动，这是因为负载使轴承的内外圈跟滚动体发生了弹性形变，同时产生的振动叫做滚动体的传输振动，这个振动的主要频率是zfc（z为滚动体数，fc为滚动体频率），对于旋转轴弯曲，轴承跟轴装歪，或者滚动体的直径不一致的故障会产生如下表中的振动：

表3.1 构造故障频率

异常原因 特征频率 备注

轴弯曲或轴装歪 ?fc??f f为旋转频率，不能引起高频衰减振动 滚动体直径不一致 fc以及nfc=f f为旋转频率，不能引起高频衰减振动

2.滚动轴承的表面损伤 表面损伤的类故障是轴承最常见的故障，常表现为元件表面疲劳导致剥落，压痕，裂痕，烧伤，划伤等。当轴承存在局部损伤时，损伤点通过轴承元件表面时要产生突变的冲击脉冲力，该脉冲是一个宽带信号，所以必然覆盖轴承系统的高频固有振动频率而引起谐振，从而产生冲击振动由于滚动轴承的匀速回转，使冲击具有周期性，对发生在不同位置的损伤，丛集具有不同的频率，通常称为特征频率，故障特征频率一般在1KHz以下，股东轴承不同元件损伤故障特征频率各不相同，损伤故障特征频率计算公式，如下表：

为简单起见，设轴承外圈固定，内圈旋转，表中，d为滚动体直径，D为轴承节圆直径。a为接触角，z为滚动体个数，fx为内圈的旋转频率，fc为外圈的旋转频率，N为工作转速。

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表3.2 滚动轴承的表面损伤

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异常情况 特征频率 备注

外圈损伤 ???????1?(1?dcos?)?? 能引起高频衰减振动

2D内圈损伤 ????????????1?(1?dcos?)?? 能引起高频衰减振动

2D 滚动体损伤 ??????

Ddcos?(1/()2)?? 能引起高频衰减振动 2dD3.精加工面波纹

制造时如在滚道或者滚动体的精加工上面留有波纹，当凸起数达到某一数值时就会引起如下表的振动：

表3.3 波纹频率

异常原因 特征频率 备注

内圈波纹 ????? 波纹凸起数为????，发生左栏中频率振动 外圈波纹 ???? 波纹凸起数为????，发生左栏中频率振动 滚动体波纹 ??????? 波纹凸起数为2n时，发生左栏中振动 4.滚动轴承不同轴

当轴承不对中或者轴承装配不良时都会发生一些低频振动，如下表：

表3.4 滚动轴承不同轴时的频率

异常原因 特征频率 备注

两个轴承不对中，轴承架 表面划伤或进入异物轴承支

球轴承发生振动 ?/2 发生左栏中的振动，

架装配松动，轴承本身装配不良

内圈面的圆度差，轴径圆度差 轴径面划伤或进入异物

2?

同上

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轴承的故障特征频率的实际值跟测量值有偏差，这是因为轴承元件并非绝对的刚性体，滚动体与内外滚道之间也会有相对滑动，再加上瞬时转速的波动跟测量仪器的误差，使得滚动轴承的实际值跟测量值的存在误差，实测值在计算值附近的某频带范围内，轴承型号不同或者元件不同，这种误差也不同。

3.3 轴承故障诊断的硬件结构设计

轴承诊断装置主要是由模拟硬件电路，9通道数据采集电路及自带USB控制器和A/D转换器的混合信号微处理器C8051F340等组成，其主要硬件电路结构图是：

被检测的 轴承设备 压式速传器 电加度感

包络检波电路 USB C8051F340单片机 A/D 转速传感器 串口 PC机

图3.2 硬件电路结构图

电路的设计采用共振解调的原理，利用加速度传感器采集震动信号，获取故障信息，实现对滚动轴承的震动信号的处理，发现轴承的故障后，判断是什么类型的故障，故障发生在哪个元件上，以及故障的严重程度等比较精确的信息时，需要对滚动轴承的信号的信号惊醒频谱分析，即进行频域处理。滚动轴承的故障特性的频率计算需要知道内圈的旋转频率，所以有必要知道旋转体的速度，采用非接触式光电式传感器。 3.3.1信号放大电路

在测量时，由传感器传来的信号一般都是比较弱的低电平信号，不适合直接进去ADC，放大器的作用等同于放大电路，将微弱信号惊醒放大，一边能充分的利用ADC的满刻度分辨率，同时还可以要求放大器能抑制干扰跟降低噪声。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用

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在各种电路中。

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LM 324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。 每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

图 3.3 一组放大器图 图3.4 引脚排列

将LM324接入电路图为：

图3.5信号放大电路

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3.3.2 单片机最小系统电路

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单片计算机应该是一个最小的应用系统，但由于应用系统中有一些功能器件无法集成到芯内部，如晶振、复位电路等，需要在片外加接相应的电路。 1. 时钟电路 MCS-51单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。MCS-51单片机的时钟产生方式有两种： 晶振 XTAL2 XTAL1 外部时钟信号 TTL VCC XTAL2 XTAL1 图3.6 使用片内振荡电路的时钟电路 图3.7 HMOS型单片机的外部时钟电路

（1） 内部时钟方式：利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激震荡器，晶体可在1.2～12MHz之间选择。MCS-51单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体，而12MHz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。对电容值无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1和C2可在20～100pF之间取值，一般取30pF左右。

（2） 外部时钟方式：在有些系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的合用外部振荡脉冲作为各单自片机的时钟。外部时钟方式中是把外部振荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2。由于HMOS和CHMOS单片机外部时钟进入的引线不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMOS型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL2，而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地，如图3.9所示。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还要接一上拉电阻。CHMOS型单片机由XTAL1进入，外部振荡信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地，如图3.10所示：

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不 接地 XTAL2 第 13 页 共 35 页

外部时钟 XTAL1 图3.8 CHMOS型单片机的外部时钟电路

2. 复位电路

在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。无论用户使用哪种类型的单片机总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单

片机系统并在实验室调试成功后在现场却出现了死机程序走飞等现象这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。

图3.9 复位电路

3. 电源电路

为单片机工作提供稳定的电源,采用LM1117电压调节器。LM1117是一个低压差电压节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、

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2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。LM1117提供电流限制和热保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%内。电路图如下：

图3.10 电源电路

4. A/D转换电路

由于C8051F340是一个混合控制器，本身包含10位ADC转换模块部分。C8051F340的ADC0子系统集成了两个通道模拟多路选择器（合称AMUX0）和一个200ksps 的10位逐次逼近寄存器型 ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。AMUX0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功能寄存器来配置。 5. C8051F340介绍及引脚功能说明

在整个硬件设计中C8051F340 单片机是系统重要的组成部分。C8051F340单片机是S ilicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信号片上系统型MCU。具有高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核( 可达48M IPS ); 通用串行总线(USB )功能控制器, 有8 个灵活的端点管道, 集成收发器和1K FIFO RAM; 真正10位200ksps的单端/差分ADC, 带模拟多路器; 片内电压基准和温度传感器; 精确校准的12MH z内部振荡器和4 倍时钟乘法器; 多达64KB 的片内FLASH 存储器; 多达4352字节片内RAM ( 256+ 4KB ); 多达40个端口I/O (容许5V 输入)采集系统的电路设计。

C8051F340使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、两个具有扩展波

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殊功能寄存器（SFR）地址空间及多达40个I/O引脚。

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特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、多达4352字节的内部RAM、128字节特

由于C8051F340本身集成众多硬件电路的特性, 硬件接口设计变得非常简单, 不需要再添加额外的电子元器件就能实现USB的数据传输和AD转换等, 使得系统的硬件结构简单, 集成度高, 可靠性好。C8051F340上的P2. 0~ P2. 6引脚作为数据采集的输入端口, 接受来自预处理电路输送过来的数据, 最后通过单片机的模拟多路选择器( AMUX) 最终决定进入AD 转换的通道。其引脚图如下：

图3.11 C8051F340的引脚分布

MAX232串口通信功能

RS一232C是美国电子工业协会EIA(EleetronieIndus 抑Assoeiation)制定的一种串行物理接口标准。RS-232C总线标准规定了21个信号和25个引脚，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道。完整的RS-232C接口采用标准的25芯插头；对于一般双工通信，常用9芯插头，仅需几条信号线就可实现，最简单的通讯方式只需3根引线，包括一条发送线、一条接收线和一条地线。

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由于RS-232C的逻辑0电平规定为+5~+15V，逻辑1电平规定为-15~ -5V，因此，在与TTL电路接口时必须经过电平转换。下面简单介绍一下常用的RS-232C电平转换芯片MAX232。 MAX232是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的RS-232C电平转换芯片，适用于各种232通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS-232C输出电平所需的+10V或-10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的＋5V电源就可以了。由于其适应性强，加之价格低廉，硬件接口简单，所以被广泛采用。

MAX232引脚功能说明

第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC(+5v)。

图3.12 串口接入电路图

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3.3.3采集模块的设计

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由硬件电路获得所需的振动信号以后，需进行A/D采集，通过串口通讯传入PC机中，使用上位机程序进行后续处理。A/D采集功能及传输功能采用C8051F340单片机上集成的USB和10位ADC转换模块来实现。

采集模块的总体电路原理图

图3.13 采集模块的原理总图

本系统主要有两大部分：上位机微处理器控制系统和下位机测量系统。上位机微处理器控制系统是控制系统的核心，是负责与下位机通信并完成信息收集和与计算机串口通信功能的，具体由通过单片机内部集成的USB与计算机的连接部分、单片机和信号分析三部分组成。下位机测量系统负责对测量点的振动信号测量，上位机控制系统的主要组成硬件有： C8051F340单片机、下位机信息采集系统的硬件组成有振动信号传感器、C8051F340单片机、74CH14信号处理芯片。

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AD544L 74CH14 第 18 页 共 35 页

C8051F340单片机 PC机 MAX232

图3.14 下位机结构图

PC机 MAX232 C8051F340单片机 AD544L 74CH14 图3.15 上位机结构图

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4 系统软件设计

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系统的软件主要是根据单片机对振动信号的分析，利用C语言和汇编语言在MATLAB软件中实现的通过导入数字信号中实现轴承故障的诊断跟检测。

4.1主程序方案

主程序调用三个子程序，分别是振动信号采集程序、特征故障频率选择程序、数据上传程序。

（1） 振动信号采集程序：对信号采集模块送过来的数据进行处理，进行判断。 （2）数据上传程序：检测采集过来的含有故障特性频率的数字信号。 （3） 系统框图见附录

4.2主要流程图介绍

按照模块化设计的思想，系统中各主要功能模块均编成独立的函数在主程序中加以调用，程序主要由以下功能模块组成：基于74CH14触发器震动信号采集函数、AD转换程序、基于MAX232的串口通信程序。数据处理程序对接收到的有效数据进行简单的计算处理后将其通过串口发送到计算机，进一步的分析和处理。

根据硬件整体设计方案，本系统的软件设计采用模块化、结构化得设计方法，整个系统为上位机程序设计部分和下位机程序部分，其中下位机主要包括信号监测模块、数据转换模块，上位机主要包括数据处理模块。软件的整体设计流程如图。整个系统的各个部分都是服务于数据处理这个目的。所以，在整个系统的软件设计中，数据处理是关键

。

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初始化 信号采集 第 20 页 共 35 页

发送数据 送pc 数据处理 接收数据 图4.1整体数据处理过程

4.2.1 主程序流程图

由于轴承的振动产生的振动频率经振动传感器转换为振动信号，由于信号的电压很低，需要基于AD554L放大芯片的放大电路进行放大，然后再由滤波电路进行滤波，才能获得A/D转换器所需要的具有特征振动频率的模拟信号，由A/D转换器进行模转数，获得数字信号。

由于本系统不需要电脑与单片机进行反馈，C8051F340单片机用于对轴承故障诊断中测试信号的采集, 由于C8051F340单片机内部集成了高精度时钟源、电压调节器、A/D转换器以及用于A/D转换的参考电压源等丰富的片上外设, 因此在对数据采集模块硬件设计时, 无需扩展上述模块, 使得硬件结构简单, 集成度高. 通过片上MAX232接口, C8051F340单片机与PC机连接; REGIN为内部电压调节器输入端, 可以外接5V电源, 也可以与VBUS连接, 单片机由USB供电. 此时, C8051F340单片机的VDD端可看作+3. 3V电源, 可给外部器件供电. P2. 0~ P2. 3为四路模拟输入通道. C8051F340单片机片内10位A/D测量的输入范围为0~VREF* 1023/1024,选择内部参考电压VREF=2. 44V, 因加速度传感器电压输出范围为- 12~ + 12V, 需加处理电路，使其达到单片机A/D的可测量范围。

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初始化YD-12 设备启动 第 21 页 共 35 页

初始化AD544L Pc机 初始C8051F340 内部的10位AD 转换模块 MAX232口 串 图4.2 信号采集及传输的流程图

4.2.2 AD采集

使用C8051F340单片机内部集成的10位ADC对四路信号采样. 经过滤波和检波之后, 振动信号为包含故障特征的低频信号, 频率范围仅为数KHz, 故由采样定理知采样频率选择25KHz已足够。 ADC0转换启动方式为定时器2溢出启动,定时器2工作于16位自动重装载模式, 其重装载值决定ADC0的采样频率. 使用C8051F340单片机内部模拟多路选择器AMXU0配置ADC0为单端输入方法, 选择P2. 0~P2. 3脚作为四路模拟输入通道。上位机( PC机)决定对哪一路信号采样,通过USB发送该通道号到单片机中, 修改多路选择器AMXU0的正输入通道选择寄存器AMX0P的值, 指向相应的模拟输入通道, AD开始对该通道采样。

传感器 信号放大器 AD转换模块 PC机 图4.3 AD采集流程图

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4.2.3串口通信

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要完成通信, 需要PC端与C8051F340单片机端共同协作. 在单片机端, 单片机C8051F340是整个系统的核心，10位ADC转换模块对输入的模拟信号进行采集，转换结果由单片机通过P3.5（9脚）接收，AD芯片的通道选择和方式数据通过P3.4（8脚）输入到其内部的一个8位地址和控制寄存器，单片机采集的数据通过串口（3、2脚）经MAX3232转换RS232电平向上位机传输,对采集/传输的数据进行监测。

PC机端 单片机端 用户程序 用户应用程序 单片机 图4.4 串口通讯流程

PC机端串口通信

PC机端应用程序主要用于完成用户图形界面和基于MAX232串口通信程序两大功能, 从而实现人机交互, 并将用户输入的指令和采集模块采集的数据通过串口总线在PC机和C8051F340之间进行传递。在应用程序中, 分别读取C8051F340单片机通过串口传送过来的四路信号并作相应处理: 速度值显示处理; 均值和峰值绘制波形, 并计算出值; 滤波和检波之后的包络信号,通过FFT运算, 进行频域处理, 绘制出频谱图. 四路信号都可保存, 需要时可以回放。

主机驱动 MAX232 串口器件驱动 本 科 毕 业 设 计

4.2.4 上传到PC进行频谱分析

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FFT（Fast Fourier Transformation），即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的FFT算法图(Bufferfly算法)发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步。

设x(n)为N项的复数序列，由DFT变换，任一X（m）的计算都需要N次复数乘法和N-1次复数加法，而一次复数乘法等于四次实数乘法和两次复数加法，一次复数加法等于两次实数加法，即使把一次复数乘法和一次复数加法定义成一次“运算”（四次实数乘法和四次实数加法），那么求出N项复数序列的X（m）,即N点DFT变换大约就需要N^2次运算。当N=1024点甚至更多的时候，需要N2=1048576次运算，在FFT中，利用WN的周期性和对称性，把一个N项序列（设N=2k,k为正整数），分为两个N/2项的子序列，每个N/2点DFT变换需要（N/2）2次运算，再用N次运算把两个N/2点的DFT变换组合成一个N点的DFT变换。这样变换以后，总的运算次数就变成N+2*（N/2)^2=N+N^2/2。继续上面的例子，N=1024时，总的运算次数就变成了525312次，节省了大约50%的运算量。而如果我们将这种“一分为二”的思想不断进行下去，直到分成两两一组的DFT运算单元，那么N点的DFT变换就只需要Nlog2N次的运算，N在1024点时，运算量仅有10240次，是先前的直接算法的1%，点数越多，运算量的节约就越大，这就是FFT的优越性。

对于表面损伤累故障，要用共振解调法，通过检波器进行分拣，得到只含有故障特征频率的低频信号。对这一低频信号进行频谱分析从而诊断出轴承是否有故障。由于在实际应用中，滚动轴承的振动信号含有大量的随机成分，所以即使对该故障轴承，其特征频率成分在轴承中也不是很明显。为了能够使图谱比较清晰的表现出故障特征那部分的频谱，常采用先用模拟的或者数字的方法对信号进行检波跟滤波，以提高噪声比，突出故障特征信息。还有就是进行多次FFT运算然后取平均值。

FFT运算的源程序代码如附录。

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结论

本文详细的介绍了系统所需要的元器件，根据系统方案的要求详细的论证了实现轴承故障诊断的具体设计思路及系统的总体框架并详尽的阐述了系统的硬件结构和软件设计。

本设计是以单片机C8051F340为核心，集成了10位ADC转换模块，将采集到的振动模拟信号进行分析跟转换。通过振动传感器采集的带有故障特征频率的振动信号，通过lm324四集成的预算放大器将信号放大，因为采集到的振动信号的电压很低。电源电路利用LM117低压差调节器，将输送过来的电源电压调节成传感器跟单片机能用的合适电压，电源电路为整个系统的运转正常提供了稳定的供电保障。C8051F340作为一个微控制器，其指令与MCS51的指令完全兼容，其单片机的开发就用与MCS51的单片机开发相同的工具。

此次设计通过压电式传感器采集的振动信号，用74CH14触发器进行信号处理，将传感器传来的模拟信号进行分拣与提炼。用9孔的电平转换芯片，将准换到低压数字信号转换为高压电平，从而可以将信息上传到电脑上进行软件分析。本系统设计难免会存在一些纰漏和不足之处，在实际应用中，系统还有许多需要改进的地方，可以在以下几个方面进行的改进或升级。可以对单片机模块加以完善。对于单片机与PC机之间的通讯可以用其它的一些毕竟成熟的技术，比如USB直接传输更方便快捷。

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致谢

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经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的指导老师安国庆。安老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，到后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂，但是安老师仍然细心地纠正我学习中的错误。在跟老师的学习过程中，除了安老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下电器专业知识的基础。同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。 最后感谢我的母校—河北科技大学四年来对我的大力栽培。

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参 考 文 献

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1周立功等. 增强型80C51单片机速成与实战.北京: 北京航空航天大学出版社, 2003.7.

2马忠梅, 籍顺心, 张凯,马岩. 单片机的C语言应用程序设计(修订版). 北京: 北京航空航天大学出版社, 1998.10 .

3胡汉才. 单片机原理及接口技术. 北京: 清华大学出版社, 2004.2 .

4李光, 丛培田. 基于共振解调的滚动轴承故障诊断的研究与实现. 机械工程师, 2006.

5朱磊, 刘东. C8051F340与Labview基于API的USB通信. 单片机与嵌入式系统, 2007.

6屈梁生.机械故障的全息诊断原理[M].北京：科学出版社，2007.

7刘泽九,贺士荃,李兴林，等.滚动轴承应用手册[K].2版.北京:机械工业出版社，2006.

8温诗铸，黎明.机械学发展战略研究[M].北京：清华大学出版社，2003. 9周仲荣，雷源忠，张嗣伟.摩擦学发展前沿[M].北京：科学出版社，2006. 10斌.滚动轴承振动监测与诊断——理论·方法·系统[M].北京：机械工业出版社，1995.

11今培，肖健华.智能故障诊断与专家系统[M].北京：科学出版社，1997.

12 Hasan Ocak.Fault Detection， Diagnosis and Prognosis of Rolling Element Bearings: Frequency Domain Methods and Hidden Markov Modeling[D]. Ph.D. Dissertation, Case Western Reserve University,U.S.A.,2004.

13 LI Xing-lin, QUAN Yong-xin, JIN Xi-zhi. Monitoring Test of the Wear Condition of Rolling Bearing Friction Pairs[M]. Proceedings of the Japan International Tribology Conference，1990.

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海交通大学，2006.

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14周福昌.基于循环平稳信号处理的滚动轴承故障诊断方法研究[D].上海：上

15李兴林.点接触滚动摩擦副磨合过程的试验研究及其理论分析[D].杭州：浙江大学，1987.

16 HUANG Run-qing,XI Li-feng,LI Xing-lin,et al. Residual Life Predictions for Ball Bearings Based on Self-organizing Map and Back Propagation Neural Network Methods[J]. Mechanical Systems and Signal Processing， 2007(21)：193-207

17 梅宏斌，滚动轴承振动监测与诊断。北京：机械工业出版社，1995. 18 李海波，丛培田，C8051F340单片机在轴承故障诊断中的应用。沈阳理工大学学报，2008.

19 肖宛昂，嵌入式系统中FFT算法研究。单片机与嵌入式系统应用。2002. 20 张志勇等，精通MATLAB6.5版。北京，北京航空大学出版社，2003.

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附录

串口通信程序：

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#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #include \#include \ #include \ #include \

int UART1printf(const char *fmt, ...); sbit LED1 = P2^1; char Uart0Str[20]; uchar UartCnt = 0; int Time0Cnt = 0; void PORT_Init (void) {

XBR0 = 0x03; //使能UART0 XBR1 = 0x40; //使能交叉开关 XBR2 = 0x01; //使能UART1

P0MDOUT = 0x10; //配置端口P0.4(TX0)输出方式为推挽输出 P0SKIP = 0xC0; P1SKIP = 0xFF; P2SKIP = 0xFF;

P3SKIP = 0x03; }

void Timer_Init() {

TCON =0X50; //启动定时器0/1

TMOD = 0x22; //Time0及Time1都是自动重装8位计数器\\定时器 CKCON = 0x02; //系统时钟/48 TL0 = 0x64; TH0 = 0x30; TMR2CN = 0x20; TMR2RLL = 0xFF; TMR2RLH = 0xFF; }

void UART0_Init (void) {

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SCON0 |= 0x10;

TH1 = 0x98; //波特率为4800

TL1 = TH1; TR1 = 1; TI0 = 1; TR0 = 1; }

void UART1_Init (void) {

SBRLL1 = 0x3C; SBRLH1 = 0xF6;

SCON1 = 0x10; //允许UART1接收 SMOD1 = 0x0E; SBCON1 = 0x43; }

void Oscillator_Init() {

int i = 0;

FLSCL = 0x90; CLKMUL = 0x80;

for (i = 0; i < 20; i++); // Wait 5us for initialization CLKMUL |= 0xC0;

while ((CLKMUL & 0x20) == 0); CLKSEL = 0x03; OSCICN = 0x83; }

void Interrupts_Init() {

IP = 0x1A;

EIE1 = 0x08; //允许ADC转换结 EIE2 = 0x02; EIP2 = 0x02; IE = 0x92; }

void sleep(unsigned int count) //24.5M下延时1ms {

unsigned int i,j;

for(i=0;i

for(j=0;j<1361;j++) { ; } }

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}

void UART0SG(void) interrupt 4 //串口0中断(中断号4仅仅限于C8051F340,参考芯片pdf资料P82和Kill51用户手册 的中断函数P126) {

if (RI0) {

Uart0Str[UartCnt] = SBUF0; if(++UartCnt > 19) {

UartCnt = 0; } else {

Uart0Str[UartCnt] = '\\0'; }

RI0 = 0; } }

void Time0_Out(void) interrupt 1 //定时器0溢出中断(中断号1仅仅限于C8051F340,参考芯片pdf资料P82和

Kill51用户手册的中断函数P126) {

if(++Time0Cnt > 10000) {

Time0Cnt = 0; } }

void main() {

uchar UartCntOld = 99;

PCA0MD &= ~0x40; //禁止看门狗定时器 Timer_Init(); PORT_Init(); UART0_Init(); UART1_Init(); Oscillator_Init();

Interrupts_Init();

//以下代码将VDD监视器设置为复位源-----------防止程序丢失得重要措施 VDM0CN |= 0x80; //使能VDD监视器

sleep(1); //延时1毫秒等待VDD监视器启动并稳定（VDD监视器启动时间为 100uS）

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RSTSRC = 0x02; //设置VDD监视器为复位源,代码中所有的对rstsrc的写操作均用直接赋值 方式完成（如rstsrc = 0x02）

//------------------------------------------ sleep(10);

printf(\ UART1printf(\ printf(\

UART1printf(\ printf(\中断UART0 \\r\\n\ UART1printf(\中断UART1 \\r\\n\

while(1) //重复循环显示 {

if(UartCnt != UartCntOld) {

if(UartCnt==0) {

printf(\ }

else {

printf(\ }

UartCntOld = UartCnt; }

if(Time0Cnt > 5000) {

Time0Cnt = 0;

LED1 = ~LED1;

UART1printf(\这是UART%d,波特率是9600\\n\ printf(\这是UART%d,波特率是4800\\n\ }

} }

/***************************************************************** *功能：串行接收 uart1中断服务函数

*****************************************************************/ void UART1_Interrupt(void) interrupt 16 {

while (SCON1&0x01) //接收到数据标志 RI1=1 {

EIE2 &= 0xfD; //禁止UART1中断

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Uart0Str[UartCnt] = SBUF1;

SCON1 = 0x30; //复位RI1、TI1=0 if(++UartCnt > 19) {

UartCnt = 0; } else {

Uart0Str[UartCnt] = '\\0'; } }

EIE2|= 0x02; //允许UART1中断 }

void dectostr(char *s, unsigned long datain) //将10进制数数字转换为10进制字符串 {

int i; char c;

unsigned long tmp = datain; if (tmp == 0) {

i=1; } else {

for (i=0;tmp>0;i++) {

tmp = tmp/10; } }

s[i--] = '\\0'; while(1) {

c= datain; s[i--] = c +'0';

if (datain < 10) break; datain = datain/10; } }

void UART1putchar (char c) {

SBUF1 = c;

while(!(SCON1&0x02));

SCON1 &= 0xFD; //复位TI1=0 }

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//UART1发送函数

int UART1printf(const char *fmt, ...) {

const char *s; int d;

char buf1[16]; va_list ap;

va_start(ap, fmt); while (*fmt) {

if ((*fmt != '%') && (*fmt != '\\0')) {

UART1putchar(*fmt++); continue; }

switch (*(++fmt)) {

case 's':

s = va_arg(ap, const char *); for ( ; *s; s++) {

UART1putchar(*s); }

break; case 'd':

d = va_arg(ap, int); dectostr(buf1,d);

for (s = buf1; *s; s++) {

UART1putchar(*s); }

break; default:

UART1putchar(*fmt); break; }

fmt++; }

va_end(ap);

return 1;

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MATLAB程序代码：

%*************************************************************************% % FFT实践及频谱分析 % %*************************************************************************% %***************1.正弦波****************% fs=100;%设定采样频率 N=128; n=0:N-1; t=n/fs;

f0=10;%设定正弦信号频率

x=sin(2*pi*f0*t); %生成正弦信号 figure(1); subplot(231);

plot(t,x);%作正弦信号的时域波形 xlabel('t'); ylabel('y');

title('正弦信号y=2*pi*10t时域波形'); grid;

%进行FFT变换并做频谱图 y=fft(x,N);%进行fft变换 mag=abs(y);%求幅值

f=(0:length(y)-1)'*fs/length(y);%进行对应的频率转换 figure(1); subplot(232);

plot(f,mag);%做频谱图 axis([0,100,0,80]); xlabel('频率(Hz)'); ylabel('幅值');

title('正弦信号y=2*pi*10t幅频谱图N=128'); grid;

%求均方根谱 sq=abs(y); figure(1); subplot(233); plot(f,sq);

xlabel('频率(Hz)'); ylabel('均方根谱');

title('正弦信号y=2*pi*10t均方根谱'); grid;

%求功率谱 power=sq.^2; figure(1); subplot(234); plot(f,power);

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xlabel('频率(Hz)'); ylabel('功率谱');

title('正弦信号y=2*pi*10t功率谱'); grid;

%求对数谱 ln=log(sq); figure(1); subplot(235); plot(f,ln);

xlabel('频率(Hz)'); ylabel('对数谱');

title('正弦信号y=2*pi*10t对数谱'); grid;

%用IFFT恢复原始信号 xifft=ifft(y);

magx=real(xifft);

ti=[0:length(xifft)-1]/fs; figure(1); subplot(236); plot(ti,magx); xlabel('t'); ylabel('y');

title('通过IFFT转换的正弦信号波形'); grid;

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ytz.html