便攜式多通道振動(dòng)信號(hào)分析儀數(shù)采模塊設(shè)計(jì)

張 峰，趙慧昌，石現(xiàn)峰

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710032）

旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛應(yīng)用于化工、冶金、船運(yùn)等部門(mén)，是相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)的核心設(shè)備[1]。旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的故障通常易造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至災(zāi)難性后果，因此，采用振動(dòng)信號(hào)分析儀對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷是十分重要的。在一些應(yīng)用場(chǎng)合，往往需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集及處理多路信號(hào)，這就對(duì)采集系統(tǒng)提出了非常高的要求[2]。傳統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)分析儀在滿足便攜的同時(shí)一般無(wú)法滿足多通道振動(dòng)信號(hào)的同步高速實(shí)時(shí)采集。本文就是基于此背景設(shè)計(jì)的振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)設(shè)備，既滿足了便攜及實(shí)時(shí)性的要求，又能保證多通道振動(dòng)信號(hào)同步高速采集。

1 振動(dòng)信號(hào)分析儀整體設(shè)計(jì)方案

結(jié)合某項(xiàng)目對(duì)分析儀的設(shè)計(jì)需求，提出的需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為

（1）能夠同步采集24路振動(dòng)信號(hào)和1路鍵相信號(hào)；

（2）轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍為 0～30000 r/min，振幅測(cè)量范圍為 0～2000μm；

（3）轉(zhuǎn)速測(cè)量精度為0.1 r/min，振幅測(cè)量精度為0.1μm；

（4）傳感器選用渦流傳感器，其靈敏度為7.99 mV/μm。

基于以上分析儀的技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)出了如圖1所示的方案。該設(shè)計(jì)方案采用分布式結(jié)構(gòu)，振動(dòng)信號(hào)采集單元和振動(dòng)信號(hào)處理單元選用不同處理器分布處理，數(shù)據(jù)采集單元處理器負(fù)責(zé)控制1路鍵相信號(hào)和24路振動(dòng)信號(hào)的采集，并將采集到的振動(dòng)信號(hào)寫(xiě)入共享內(nèi)存，數(shù)據(jù)處理單元處理器通過(guò)從共享內(nèi)存讀采集到的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口將處理后的數(shù)據(jù)傳向PC機(jī)的上位機(jī)界面進(jìn)行顯示。分布式的處理方式一方面能夠降低單處理器的任務(wù)量和軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，另一方面提高了數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)采集單元處理器的處理速率，保證了振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。共享內(nèi)存的設(shè)計(jì)保證了數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元二者間高吞吐量的數(shù)據(jù)通信[3]。

圖1 振動(dòng)信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme of the vibration signal analyzer

2 分析儀數(shù)據(jù)采集原理及設(shè)計(jì)方案

2.1 分析儀數(shù)據(jù)采集原理

所設(shè)計(jì)的分析儀采用固定頻率和倍頻采樣兩種采樣方式。固定頻率采樣由系統(tǒng)時(shí)鐘控制采樣，采樣頻率為一個(gè)預(yù)設(shè)的固定頻率，采樣信號(hào)在相位上與鍵相信號(hào)沒(méi)有任何關(guān)系。倍頻采樣是由鍵相信號(hào)啟動(dòng)采樣過(guò)程，采樣速率由軟件控制，通過(guò)處理器的定時(shí)器控制實(shí)現(xiàn)。這種方案通過(guò)定時(shí)器中斷的控制方式，利用定時(shí)器的捕獲功能，不斷地捕捉外部的鍵相信號(hào)，處理器實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和倍頻后的采樣點(diǎn)間隔時(shí)間，由定時(shí)器匹配功能實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)的高精度倍頻信號(hào)，控制啟動(dòng)每一次的模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)高精度的倍頻采樣。

2.2 數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計(jì)方案

圖2為分析儀數(shù)據(jù)采集功能模塊的框架結(jié)構(gòu)，振動(dòng)信號(hào)通過(guò)振動(dòng)傳感器將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)供分析儀進(jìn)行處理；分析儀接收到的振動(dòng)信號(hào)為模擬信號(hào)，需對(duì)模擬信號(hào)做一定調(diào)理，以適應(yīng)后續(xù)A/D芯片的輸入電壓量程；調(diào)理后的模擬信號(hào)需經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便處理器對(duì)信號(hào)的調(diào)度；處理器讀取轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)，并將信號(hào)寫(xiě)入共享內(nèi)存；共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集單元與信號(hào)處理單元兩者間的高速數(shù)據(jù)交換。

圖2 分析儀數(shù)采功能模塊框架結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame structure for data collection function module of analyzer

3 器件選型及電路設(shè)計(jì)

3.1 處理器選型及電路設(shè)計(jì)

基于嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的分析儀，嵌入式處理器將是系統(tǒng)的核心器件。設(shè)計(jì)結(jié)合處理速度、定時(shí)功能、引腳數(shù)及分析儀便攜性、低功耗的需求，選用ARM處理器，數(shù)據(jù)采集單元處理器選用NXP公司的LPC1768處理器，該處理器采用Cortex-M3內(nèi)核，用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式[4]應(yīng)用，工作頻率可達(dá)100 MHz，LPC1768處理器有4個(gè)通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器，共有8個(gè)捕獲輸入和10個(gè)匹配輸出，相比于常規(guī)DSP芯片，在定時(shí)功能上有明顯的優(yōu)勢(shì)。12位的A/D轉(zhuǎn)換器和10位D/A轉(zhuǎn)換器可以使處理器對(duì)鍵相信號(hào)進(jìn)行控制，保證倍頻采樣的準(zhǔn)確性。該處理器外設(shè)組件包含高達(dá)512 KB的Flash存儲(chǔ)器和64 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。處理器工作于3.3 V的電壓下，為主振蕩器配置12 MHz的晶振。

3.2 AD器件選型及電路設(shè)計(jì)

A/D處理器件的選取主要結(jié)合系統(tǒng)對(duì)多路、采樣精度和采樣速率的需求，選用了TI公司的ADS8365芯片，這是一款6通道16位分辨率具有同步采樣功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器[5]。該芯片采用差分輸入方式，可通過(guò)3個(gè)保持信號(hào)控制6路信號(hào)的同步采集，4片即可滿足24路信號(hào)同步采集的要求；在最高轉(zhuǎn)速30000 r/min，128倍頻采樣下，采樣頻率為64 kHz，該芯片250 kHz的最大采樣速率，能夠保證系統(tǒng)指標(biāo)要求；振動(dòng)信號(hào)的電壓范圍是0～±20 V，傳感器靈敏度為7.99 mV/μm，ADS8365的16位分辨率使系統(tǒng)的測(cè)量精度為0.038μm（≤0.1μm），滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

圖3為一片ADS8365轉(zhuǎn)換器的電路圖，該圖中的6個(gè)通道輸入6路調(diào)理好的差分信號(hào)，16位的數(shù)字信號(hào)接處理器，通過(guò)處理器控制讀寫(xiě)引腳位讀取振動(dòng)信號(hào)。外部配置5 MHz的有源晶振提供時(shí)鐘，分別給芯片提供5 V的模擬電壓和3.3 V的數(shù)字電壓，H OLDA、HOLDB、HOLDC三引腳連在一起接處理器，控制6路信號(hào)的同步采樣。分析儀采用4個(gè)圖3所示的A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)24路振動(dòng)信號(hào)的采集。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)Fig.3 Circuit design of A/D conversion

3.3 振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路

傳感器輸出的振動(dòng)信號(hào)電壓量程為0～±20 V，而A/D器件要求輸入的電壓為0～5 V差分信號(hào)，為了使ADS8365能夠?qū)φ駝?dòng)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換就需要設(shè)計(jì)出合理的調(diào)理電路，圖4為分析儀的其中1路信號(hào)調(diào)理電路，其他通道與此相同。調(diào)理電路選用LT1990差分運(yùn)算放大器，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓1或10倍增益可選功能。精密電阻R1和R25對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分壓，分壓后的電壓為0～2.5 V。為其提供2.5 V的參考電壓，則調(diào)理輸出的電壓為0～5 V。T1和T2為輸出電壓1或10倍增益控制端口，通過(guò)將T1和T2開(kāi)路或接地實(shí)現(xiàn)其功能。R49和C1與R50和C2為濾波電路。

圖4 分析儀模擬信號(hào)調(diào)理電路Fig.4 Analog signal conditioning circuit of analyzer

3.4 鍵相信號(hào)整形電路

想實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的倍頻采樣就需要得到整形較好的鍵相信號(hào)波形，這就需要設(shè)計(jì)整形電路對(duì)原始的鍵相信號(hào)進(jìn)行整形。

圖5為鍵相信號(hào)的整形電路，通過(guò)遲滯型電壓比較器MAX913實(shí)現(xiàn)。傳感器輸出的鍵相信號(hào)KO為0～5 V，該信號(hào)接入電壓比較器待整形電壓輸入引腳，同時(shí)為處理器提供參考電壓。處理器的A/D通道量程為0～3.3 V，而鍵相電壓為0～5 V，為防止處理器過(guò)載，先經(jīng)過(guò)精密電阻R107和R108對(duì)電壓進(jìn)行衰減。處理器根據(jù)A/D檢測(cè)到的鍵相信號(hào)，通過(guò)D/A給電壓比較器配置相應(yīng)的參考電壓。U102組成同相放大器，對(duì)處理器輸出的參考電壓放大2倍。電壓比較器輸出的鍵相信號(hào)的波形整形較好，處理器通過(guò)捕獲整形信號(hào)的下降沿，準(zhǔn)確測(cè)定旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速。通過(guò)處理器檢測(cè)鍵相信號(hào)電壓配置電壓比較器的參考電壓，一方面增加了處理器對(duì)鍵相信號(hào)的判定功能，另一方面增強(qiáng)了對(duì)鍵相信號(hào)整形的適應(yīng)性和靈活性，可對(duì)不同量程的鍵相信號(hào)在不改動(dòng)硬件的同時(shí)只需配置軟件即可整形。

圖5 鍵相信號(hào)整形電路Fig.5 Waveshaping circuit for key-phase signal

3.5 共享內(nèi)存的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元二者間高效的數(shù)據(jù)通信是保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)。共享內(nèi)存的設(shè)計(jì)相比于處理器間的串口或并口通信，通信速度更快，吞吐量更大，可保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。另外，共享內(nèi)存的通信又不需要任何通信協(xié)議，降低了編程的難度[6]。再結(jié)合存儲(chǔ)容量、性價(jià)比等因素，最終選擇ISSI公司的高速靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器IS61LV51216作為共享內(nèi)存，它是3.3 V供電的512 K×16位存儲(chǔ)器，具有高速低功耗的特點(diǎn)。

共享內(nèi)存電路設(shè)計(jì)如圖6所示，數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)采集單元通過(guò)訪問(wèn)共享內(nèi)存進(jìn)行高速通信，但不可同時(shí)訪問(wèn)，為避免同時(shí)訪問(wèn)的沖突，電路通過(guò)設(shè)計(jì)“忙”信號(hào)電路來(lái)控制，兩處理器只有在BUSY信號(hào)為高電平時(shí)才能訪問(wèn)共享內(nèi)存，訪問(wèn)時(shí)通過(guò)控制BUSY-Y來(lái)使BUSY拉低，另一處理器便無(wú)法訪問(wèn)共享內(nèi)存，避免了兩處理器同時(shí)訪問(wèn)的沖突。

圖6 共享內(nèi)存設(shè)計(jì)方案Fig.6 Design scheme of shared memory

4 數(shù)采模塊軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)主要是基于嵌入式ARM處理器LPC1768的硬件平臺(tái)之上，采用層次化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]。軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

底層硬件驅(qū)動(dòng)程序?qū)又饕瓿蓪?duì)硬件模塊的直接操控，包括總線通道接口、定時(shí)器接口、A/D和D/A接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口等。嵌入式操作系統(tǒng)層是底層硬件和應(yīng)用軟件之間的過(guò)渡，管理調(diào)配系統(tǒng)的軟硬件資源。應(yīng)用程序?qū)又饕?fù)責(zé)控制采樣，通過(guò)捕獲鍵相獲取振動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)速，根據(jù)配置的倍頻數(shù)計(jì)算采樣間隔時(shí)間，設(shè)置匹配定時(shí)值，及何時(shí)讀取振動(dòng)信號(hào)，何時(shí)向共享內(nèi)存寫(xiě)數(shù)據(jù)等工作。在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，采用這種層次化的軟件設(shè)計(jì)，層次間功能劃分清晰，不僅方便程序的設(shè)計(jì)編寫(xiě)，也便于軟件的升級(jí)、更新和維護(hù)[3]。

圖7 數(shù)采模塊軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Soft structure diagram for data collection module

5 結(jié)語(yǔ)

文中所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的便攜式振動(dòng)信號(hào)分析儀在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了很好的應(yīng)用。分析儀設(shè)計(jì)及應(yīng)用的實(shí)踐表明：高性能A/D電路的設(shè)計(jì)、基于ARM處理器的嵌入式電路設(shè)計(jì)、鍵相信號(hào)整形電路的設(shè)計(jì)及采用“忙”信號(hào)控制的共享內(nèi)存電路設(shè)計(jì)，保證了多路振動(dòng)信號(hào)的同步采集、實(shí)時(shí)性較好、采樣速率和采樣精度較高；論文所設(shè)計(jì)的便攜式振動(dòng)信號(hào)分析儀在體積、重量、易攜帶方面達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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