一種轉(zhuǎn)速遙測儀的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

劉全順，曾祥楷，朱志雄，陳 陽

(重慶理工大學光電信息學院，重慶 400054)

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一種轉(zhuǎn)速遙測儀的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

劉全順，曾祥楷，朱志雄，陳 陽

(重慶理工大學光電信息學院，重慶 400054)

根據(jù)空間濾波轉(zhuǎn)速遙測原理和數(shù)據(jù)處理方法，設(shè)計了轉(zhuǎn)速遙測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，構(gòu)建了一個轉(zhuǎn)速遙測儀。用兩個平行排列且相距一定距離的光電池陣列構(gòu)成雙空間濾波傳感器，雙空間濾波傳感器輸出兩個與轉(zhuǎn)速相關(guān)的準正弦信號S1和S2。每個準正弦信號通過波形變換轉(zhuǎn)換為兩個互補的矩形信號，用可編程計數(shù)器8254-2測量矩形信號的高電平脈寬，用高性能微處理器S3C2440采集矩形信號的脈寬計數(shù)值，根據(jù)矩形信號多個脈寬的平均值求出準正弦信號的中心頻率。根據(jù)S1和S2的中心頻率及其變化計算出旋轉(zhuǎn)中心點位置，再根據(jù)旋轉(zhuǎn)中心點位置和S1、S2的中心頻率計算出旋轉(zhuǎn)速度并顯示。設(shè)計結(jié)果表明：該數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速遙測儀中多路相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與處理。

空間濾波；旋轉(zhuǎn)速度；中心頻率；可編程計數(shù)器；ARM9微控制器

0 引言

旋轉(zhuǎn)機械是一種普遍存在的機械結(jié)構(gòu)形式，如各類加工機床的傳動鏈、風力發(fā)電機等，旋轉(zhuǎn)速度是確定這些旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和運動特性的重要參數(shù)之一。旋轉(zhuǎn)速度的精確測量是機械檢測技術(shù)的重要組成部分，在機械行業(yè)中有著極其廣泛的應用?，F(xiàn)有轉(zhuǎn)速測量方法主要有光電編碼[1]、磁電感應[2-4]、光柵[5]或光電反射式[6-7]等方法。磁電感應、光柵和光電編碼型測量方法一般要求在被測體上同軸安裝精密的測量基準分度盤。對精確設(shè)計的機械機構(gòu)而言，附加的測量基準會改變原有的結(jié)構(gòu)及其特性，影響其系統(tǒng)性能。而傳統(tǒng)的光電反射式方法分辨率和精度較低。為克服上述缺點，根據(jù)雙空間濾波轉(zhuǎn)速遙測原理和數(shù)據(jù)處理方法，本文設(shè)計了一種轉(zhuǎn)速遙測儀的多路數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

1 轉(zhuǎn)速遙測原理

基于雙空間濾波器的轉(zhuǎn)速遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其測量原理是:用一定強度的普通光源照射被測旋轉(zhuǎn)體表面，旋轉(zhuǎn)體表面的隨機分布圖像經(jīng)放大倍數(shù)為M的光學系統(tǒng)成像到空間濾波器1和空間濾波器2(分別記為SF1和SF2)上,SF1和SF2具有同樣的柵距P。SF1和SF2的輸出光分別匯聚到光電探測器1和光電探測器2并輸出電信號S1和S2?？臻g濾波器具有空間窄帶通效應，故電信號S1和S2是其中心頻率與旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速成正比的準正弦信號。設(shè)被測體以轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)中心O到SF1及SF2中心線在物平面上的共軛線的距離分別為R1和R2。根據(jù)空間濾波線速度測量原理[8]知，轉(zhuǎn)速ω與信號S1和S2的中心頻率f1及f2的關(guān)系為ωMR1=Pf1和ωMR2=Pf2。由幾何光學可知，當旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)中心的成像點O′在SF1和SF2之間時，M(R1+R2)=L；當O′在SF1和SF2的同側(cè)時，M|R1-R2|=L，L是SF1和SF2之間的距離。因此，可得轉(zhuǎn)速ω為

ω=|f1±f2|P/L

(1)

由上述分析可知，在確定S1、S2的中心頻率f1和f2以及旋轉(zhuǎn)中心成像點O′的位置區(qū)域后，便可計算得到轉(zhuǎn)速ω。該轉(zhuǎn)速遙測值與旋轉(zhuǎn)半徑及成像系統(tǒng)放大倍數(shù)M無關(guān)，為瞬時轉(zhuǎn)速的遙測提供了可能。

圖1 基于雙空間濾波器的轉(zhuǎn)速遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過波形變換可得到與準正弦信號S1、S2準周期一致的矩形波信號，用高頻脈沖插補法獲取矩形波高電平的時間寬度，用多個高電平的時間寬度的平均值可計算出準正弦信號S1、S2的中心頻率f1和f2。O′的位置區(qū)域可用以下方法來判定：首先獲取信號S1和S2的中心頻率f1、f2，以較大的中心頻率作為f1；向f1對應的空間濾波器方向移動雙空間濾波傳感器，再次獲取f1和f2對應信號的中心頻率f1′和f2′，計算系數(shù)k=((f1-f2)(f1′+f2′))/((f1+f2)(f1′-f2′))；根據(jù)k值判定旋轉(zhuǎn)中心像點的位置區(qū)域，k<1表示O′點在SF1和SF2中心線之間，k>1代表O′點在SF1和SF2的下同側(cè)或上同側(cè)。當雙空間濾波傳感器的移動量δ滿足0<δ

2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述的空間濾波轉(zhuǎn)速遙測方法，設(shè)計了基于雙空間濾波傳感器的轉(zhuǎn)速遙測儀的信號預處理、數(shù)據(jù)采集及處理子系統(tǒng)，包括雙空間濾波傳感器、光電轉(zhuǎn)換、放大及波形變換、計數(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理等組成部分，如圖2所示。被測體表面圖像經(jīng)空間濾波、成像系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換后得到2路準正弦信號，每路信號經(jīng)放大、濾波和波形變換后得到2個互補的矩形波，用高頻脈沖插補法和8254-2計數(shù)器得到矩形波的高電平寬度；由高性能處理器S3C2440采集高電平寬度的脈沖計數(shù)值，并計算出信號的中心頻率；用信號的中心頻率及其變化確定旋轉(zhuǎn)中心位置以及轉(zhuǎn)速，并顯示在上位機上。

圖2 轉(zhuǎn)速遙測系統(tǒng)的信號預處理、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)圖

2.1 空間濾波器及光電探測器

空間濾波器的主要功能是將旋轉(zhuǎn)體表面隨機分布的寬空間譜運動圖像轉(zhuǎn)變?yōu)檎瓗盘?，光電探測器將窄帶信號轉(zhuǎn)換為準正弦電信號。本設(shè)計采用了A5V-38光電池陣列，該光電池陣列兼具空間濾波和光電轉(zhuǎn)換的功能，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。實驗系統(tǒng)采用兩個平行排列且相距為60 mm的兩個光電池陣列構(gòu)成空間濾波轉(zhuǎn)速遙測傳感器。

2.2 放大濾波電路

兩個光電池陣列輸出的短路電流與入射光強成線性關(guān)系。本設(shè)計采用短路電流作為信號載體，采用運放AD4500-2實現(xiàn)短路電流到電壓的轉(zhuǎn)換并進行多級放大，所用運放的失調(diào)電流最大為2 pA；再用四階巴特沃斯低通濾波器對放大后的信號進行濾波(通帶為0～10 kHz)。

2.3 波形變換和計數(shù)電路

根據(jù)轉(zhuǎn)速遙測原理知，通過測量兩個光電池陣列輸出信號的中心頻率可計算出轉(zhuǎn)速值。頻率測量可采用高頻脈沖插補法或頻譜法。頻譜法的高分辨率需要較長時間的采樣數(shù)據(jù)，且運算量大。用高頻脈沖插補法測量頻率比較簡單，通過提高脈沖頻率可達到高的分辨率。本設(shè)計用高頻脈沖插補計數(shù)法測量準正弦信號S1和S2的中心頻率。圖3為波形變換和高頻脈沖計數(shù)電路：用比較器AD8561將經(jīng)放大和濾波后的信號S1和S2轉(zhuǎn)換成矩形波信號，該矩形信號再用D觸發(fā)器二分頻得到兩個互為反相的、電平寬度與準正弦信號準周期一致的兩路矩形信號；用高頻脈沖插補法測量二分頻后矩形信號的電平寬度，得到原準正弦信號的每個準周期，用多個準周期的平均值計算出準正弦信號的中心頻率。

圖3 波形變換及計數(shù)器電路

用可編程計數(shù)器8254-2設(shè)計高頻脈沖插補計數(shù)電路。8254內(nèi)部有3個完全相同而又獨立的16位減法計數(shù)器，每個計數(shù)器有6種工作方式，可按編程設(shè)定的方式工作。用2片8254-2計數(shù)器測量信號S1和S2的中心頻率，信號S1經(jīng)二分頻電路輸出的2路矩形信號Q0、Q1分別連接到第一片計數(shù)器的GATE0和GATE1，信號S2經(jīng)二分頻電路輸出的2路矩形信號Q2、Q3分別連接到第二片計數(shù)器的GATE0和GATE1，2片計數(shù)器的高頻計數(shù)脈沖由外部有源晶振提供。

2.4 數(shù)據(jù)采集和處理

信號S1和S2的準周期值經(jīng)8254-2計數(shù)器計數(shù)后，需要將2片8254-2中4個計數(shù)器的值無丟失地采集到計算機系統(tǒng)中去，并由計算機中的旋轉(zhuǎn)中心判定算法確定旋轉(zhuǎn)中心；根據(jù)旋轉(zhuǎn)中心的位置區(qū)域，再用信號中心頻率f1和f2計算出轉(zhuǎn)速值。在比較多種微處理器系統(tǒng)的性能后，本設(shè)計采用ARM9的S3C2440為主控制器。S3C2440是最高頻率達400 MHz的ARM9微控制器，其功能接口豐富，被廣泛應用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療系統(tǒng)等的開發(fā)。

在S3C2440的中斷邏輯中，各外部中斷源以邏輯“或”的方式連接到中斷控制器的一個中斷口。當外部中斷到來時，中斷源寄存器SRCPND的對應位置1，優(yōu)先邏輯電路判斷出優(yōu)先處理中斷源后將中斷寄存器INTPND對應位置1，并引起外部中斷。INTPND寄存器中的0、1、2、3位分別對應外部中斷源0、1、2、3。S3C2440的外部中斷源與2片8254-2計數(shù)器的連接如圖4所示，第一片8254-2的GATE0和GATE1分別與外部中斷源0和1連接，第二片8254-2的GATE0和GATE1分別與外部中斷源2和3連接。S3C2440分配給8254-2的端口地址為：#1:8000000H～8000006H，#2:10000000～10000006H。

圖4 計數(shù)器與主控制器的連接電路圖

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程圖如圖5和圖6所示。圖5是主程序流程，首先是初始化操作，包括設(shè)置8254工作方式為方式2，設(shè)初始計數(shù)值為0xffff，Ostart、Oend、k和ωc的初始值為0，建立4個字的數(shù)組F1和F2，開外部中斷，顯示角速度ωc值；當表示移動空間濾波傳感器的按鍵按下時，移動開始鍵按下則置Ostart為1，移動結(jié)束鍵按下則置Oend為1，再循環(huán)等待外部中斷。

圖6是外部中斷程序流程圖。INTPND寄存器的EINT0、EINT1、EINT2、EINT3位分別對應外部中斷源0、1、2、3。在外部中斷程序中，讀取INTPND寄存器，查詢并判斷外部中斷請求源；根據(jù)中斷源判斷結(jié)果讀取對應計數(shù)器的計數(shù)值并存儲到數(shù)組F1或F2中；當Ostart為1時，根據(jù)F1和F2中的計數(shù)值計算空間濾波傳感器移動前的中心頻率f1、f2；當Ostart不為1且Oend為1時，計算空間濾波傳感器移動后的中心頻率f1′、f2′，根據(jù)f1、f2、f1′、f2′計算k；當Ostart和Oend都不為1時，根據(jù)F1和F2中的計數(shù)值計算當前的中心頻率f1、f2，并根據(jù)k值符號用式(1)計算當前角速度ωc。

圖5 主程序流程圖

圖6 外部中斷處理流程圖

4 設(shè)計結(jié)果

根據(jù)空間濾波轉(zhuǎn)速遙測方法，設(shè)計并制作了其信號預處理電路、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)，設(shè)計并編程實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理軟件及上位機通訊軟件，建立了如圖7所示的轉(zhuǎn)速遙測裝置；其雙空間濾波傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：柵距P=1.98 mm，L=60 mm，用PC機實時顯示旋轉(zhuǎn)速度的測量值。該裝置可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速參量的非接觸式或遠距離測量，其測量誤差可在5%之內(nèi)，滿足轉(zhuǎn)速遙測的基本要求。該裝置的測量精度還可通過設(shè)計專用的光學成像系統(tǒng)、更準確和實時地獲取信號的中心頻率等方法，來進一步提高測量精度。

5 結(jié)束語

本文在闡述了雙空間濾波轉(zhuǎn)速遙測原理后，設(shè)計了轉(zhuǎn)速遙測儀中的信號預處理、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)，建立了旋轉(zhuǎn)速度遙測裝置，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的遠距離或非接觸式測量。設(shè)計結(jié)果表明：該信號預處理、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)光電探測器輸出信號的處理、多路數(shù)據(jù)的采集與處理；基于該子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速遙測裝置可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的非接觸式測量。該裝置不需在被測體上安裝任何測量基準，對徑向和軸向晃動不敏感，使用簡單方便，可廣泛用于旋轉(zhuǎn)機械、氣液固多相混合物等的轉(zhuǎn)速或渦旋速度的遙測。

圖7 旋轉(zhuǎn)速度遙測裝置

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Design of Data Acquisition and Processing System for Remote Rotation Velocimeter

LIU Quan-shun,ZENG Xiang-kai,ZHU Zhi-xiong,CHEN yang

(School of Optoelectronic Information,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

According to the spatial filter velocimetry and its data processing method,the design of data acquisition and processing subsystem for the remote measurement system of rotational velocity,in which a remote rotation velocimeter has been constructed was presented in this paper.Two parallel photovoltaic arrays arranged with a certain interval form a double spatial-filtering sensor (DSFS) which output two quasi-sinusoidal signals S1and S2.Each of the two quasi-sinusoidal signals was converted into two complementary rectangular signals by use of waveform transform.The programmable counters of 8254-2 were applied to measuring the high-level width of the rectangular signals.The microprocessor S3C2440 with high performances was employed to collect the values of the counters.The central frequency of one quasi-sinusoidal signal was obtained by averaging out several high-level widths of the rectangular signal that is from the quasi-sinusoidal signal.The location of the imaged rotational-center of the measured object was determined by the central frequencies and their variations of S1and S2.Then the rotational velocity was calculated and displayed with the rotational center location and the central frequencies of S1and S2.The experimental results show that the designed subsystem is able to acquire and process multichannel data in the remote rotation velocimeter.

spatial filtering;rotational velocity;central frequency;programmable counter;ARM9 microprocessor

曾延安(1964—),副教授，博士，主要研究方向為光電成像技術(shù)。E-mail:zya401@126.com 張超(1988—)，碩士研究生，主要研究方向為光電成像技術(shù)。E-mail：czhang2012@126.com

重慶市時柵傳感及先進檢測技術(shù)重點實驗室基金(2013TGS006);重慶理工大學研究生創(chuàng)新基金(YCX201303)

2014-12-31 收修改稿日期：2015-06-17

O439

A

1002-1841(2015)10-0027-03