便攜式振動信號采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

鄧傳加，李兆廠

（1.91550部隊 93分隊，遼寧 大連 116023；2.哈爾濱工程大學 水聲技術國防科技重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001）

隨著加工技術的不斷發(fā)展，設備的結構越加精密巧妙，機器趨向于快速復雜，與其相關的振動問題日益增多[1]。通常不受控制的振動會產(chǎn)生噪聲，引起機械應力，而且可能會導致結構發(fā)生故障，從而引發(fā)各種問題[2]。如今人們越來越關注噪聲和振動對人類以及對產(chǎn)品工作壽命的影響[3]。例如，對混凝土泵車容易發(fā)生故障的部位進行監(jiān)測；對電廠設備、石化裝備等設備的檢修，都需要對振動信號的采集和分析[4]。通過對振動信號分析，不僅能夠找到已壞設備的故障原因，而且還可以提前預警故障的發(fā)生，從而避免造成重大的生命和財產(chǎn)損失。為了能對振動信號進行正確的診斷分析，準確穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集設備就是不可或缺的。本文中給除了一種便攜式振動信號采集裝置的設計方案，并通過實物測試，證明了方案的可行性。

圖1 總體構成框圖Fig.1 The overall structure diagram

1 硬件電路構成

如圖1所示，硬件電路系統(tǒng)由連接加速度傳感器的四路信號調理單元、模數(shù)轉換單元、以DSP器件為核心的控制單元和采用USB接口的與上位機通信單元構成。其中信號調理單元包括電荷放大器[5]和數(shù)控濾波放大器兩部分。

振動信號首先經(jīng)加速度傳感器轉化為微弱的電信號。電荷放大電路和數(shù)控濾波電路負責將微弱的電信號放大到適應模數(shù)轉換器輸入電壓范圍的電信號?？刂茊卧墓δ苤饕?個方面：1）控制數(shù)控濾波放大器調節(jié)對輸入電壓信號的放大倍數(shù)，同時程控濾除工作頻帶外的噪聲信號；2）控制AD轉換器實現(xiàn)模數(shù)轉換；3）將模數(shù)轉換得到的數(shù)字信號傳輸給上位機，同時接收來自上位的參數(shù)配置命令。與上位機通信單元以滿足USB接口芯片為核心，負責將DSP外部擴展總線發(fā)送來的數(shù)據(jù)轉換為上位機可以識別的USB2.0協(xié)議格式數(shù)據(jù)。

為了保證系統(tǒng)可采用USB接口通過上位機進行供電，在設計制板前，對將用到的主要芯片進行了獨立的耗電電流測量。實測工作電流值如表1所示。其中運放AD745、OPA227和LTC6910用于信號調理單元，AD7865為模數(shù)轉換芯片，CY7C68013A為USB2.0接口芯片，TMS320F28335為TI公司生產(chǎn)的浮點DSP芯片[6]。

表1 工作電流統(tǒng)計Tab.1 Operating current statistics

整個系統(tǒng)的供電框圖如圖2所示，其中所選用的電壓轉換芯片工作效率均高于85%。因此，考慮到表中所列器件所消耗電流占總電流量的90%以上，理論總電流量將不會超過500mA，即系統(tǒng)能夠滿足USB接口供電的條件[7]。

圖2 電源供電框圖Fig.2 Power supply block diagram

2 軟件程序設計

為了完成預定數(shù)據(jù)采集的功能，需要完成四組程序，如圖3所示，且需要各組程序之間緊密配合。

圖3 程序構成圖Fig.3 Program configuration diagram

2.1 DSP程序

DSP芯片TMS320F28335是系統(tǒng)的控制核心。它通過GPIO高低電平組合實現(xiàn)對數(shù)控濾波放大器的控制，通過啟動內部定時器，產(chǎn)生符合AD轉換器芯片控制要求的時序邏輯信號。以上功能的編程實現(xiàn)相對簡單。而將模數(shù)轉換獲得的數(shù)字信號傳送給USB接口芯片則是編程難點。

系統(tǒng)通過DSP的XINTF接口與CY7C68013A的并行總線連接，且配置CY7C68013A工作在SLAVE FIFO模式。它們之間數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)如圖4所示。

初始化：系統(tǒng)上電，DSP完成初始化后進入狀態(tài)1。

狀態(tài)1：配置DSP與CY7C68013A相連的引腳，設定FIFOADR0和FIFOADR1為0，此刻選擇EP2的FIFO與FD總線相連。SLWR置為高電平，SLCS置為低電平，PKTEND置高電平，F(xiàn)ULL和EMPTY引腳設為輸入引腳，等待USB2.0接口反饋信號，之后進入狀態(tài)2。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)圖Fig.4 Data transfer state diagram

狀態(tài)2：查看IN FIFO的狀態(tài)是否“滿”。若“不滿”，則轉向狀態(tài)3，若“滿”，則停留在狀態(tài)2。

狀態(tài)3：將要寫入的數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)線FD[15:0]上，當寫信號SLRW為低電平時，將數(shù)據(jù)寫入FIFO中，然后轉到狀態(tài)4。

狀態(tài)4：判斷有無新數(shù)據(jù)到達，若有轉入狀態(tài)2，若無，則等待。

這里將CY7C68013A的FIFO映射到DSP的ZONE7。為避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞現(xiàn)象，配置CY7C68013A主頻時鐘低于DSP主頻時鐘。

2.2 固件程序

固件程序是實現(xiàn)DSP與上位機通信所不可缺少的，它實現(xiàn)USB接口芯片初始化、USB設備請求等功能。本文中的固件程序采用KeiluV3編寫，其流程如圖5所示。

2.3 驅動程序

圖5 固件框架流程圖Fig.5 Firmware framework flowchart

驅動程序的編寫利用了 DDK2600、VC++6.0和 Driver Studio3.2。EZ-USB系列驅動程序分為通用驅動程序和設備驅動程序[8-9]，都有典型的例子。利用這些例子程序，代碼的編寫量大為降低，甚至不需要修改它們，就能直接使用。本設計就直接使用了這些例子，且做到了在設備接入后，程序從計算機自動下載到接口芯片。

2.4 上位機程序

完整的上位機程序是一套顯示控制軟件，包含有非常豐富的內容。這里只給出與數(shù)據(jù)接收相關的通信模塊的實現(xiàn)方法。

在程序開始運行后，首先初始化USB設備變量、控制端點變量和線程變量，再通過IsOpen函數(shù)檢測USB設備是否成功連接到上位機。確定連接成功后，將讀取設備的VID、PID、設備名稱等顯示到軟件界面。最后將USB接口芯片F(xiàn)IFO內的數(shù)據(jù)讀到主機緩沖區(qū)，實現(xiàn)文件存儲和抽樣顯示。

3 系統(tǒng)測試

對完成的的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實物進行了性能測試。利用信號源提供1 kHz的標準正弦信號，然后在DSP開發(fā)軟件CCS中觀察采集到的數(shù)據(jù)波形，如圖6所示。測試結果表明經(jīng)放大濾波后的信號經(jīng)模數(shù)轉換后能夠完好進入DSP芯片內部。

圖6 采集到的數(shù)據(jù)Fig.6 Data collected

進一步利用BUSHOUND軟件監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在運行時的最大數(shù)據(jù)傳輸速度，如圖7所示。注意，此時數(shù)據(jù)由DSP內部產(chǎn)生。根據(jù)圖7給出結果，最大傳輸速度能夠達到8MB/s。

本系統(tǒng)包括4各通道，最高采樣頻率為300 kHz，AD位寬為14位 （按2字節(jié)計算），需要的最高傳輸速率為2.4MB/s。因此，USB接口實際傳輸能力能夠滿足設計需求。

圖7 USB2.0傳輸速度Fig.7 USB2.0 transfer speeds

4 結束語

提出了一種實現(xiàn)便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案，并據(jù)此完成了一款試驗樣機。經(jīng)過測試，該樣機在上位機通過USB接口供電的情況下，可完成四通道最高300kHz的數(shù)據(jù)采集任務，且運行穩(wěn)定。本采集系統(tǒng)的研制成功為類似功能產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個很好的參考實例。

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