基于LPC1768的聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

王化格

摘要：基于LPC1768和高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1278設(shè)計了一種24位分辨率、16通道同步采集的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由Cortex-M3處理器LPC1768、聲發(fā)射傳感器、信號調(diào)理與采集、以太網(wǎng)和上位機等部分組成。LPC1768使用SPI接口讀取ADS1278的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)模塊聯(lián)入以太網(wǎng)。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗低等特點。

關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射；數(shù)據(jù)采集；以太網(wǎng)；LPC1768；ADS1278

中圖分類號：TN64 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）05-0242-02

Abstract：This paper introduced a Acoustic Emission Monitoring System that have 24-bit resolution and 16-channel synchronous data acquisition based on LPC1768 and ADS1278. The system is composed of LPC1768， Acoustic emission sensors， Signal conditioning and acquisition， Ethernet and upper level ，etc. LPC1768 using the SPI interface to read the ADS1278 data. Be linked into the Ethernet by itself Ethernet controller module. This design has the advantages of simple structure， low cost， low power consumption.

Key words：acoustic emission；data acquisition； ethernet； LPC1768；ADS1278

固體在受壓和破壞過程中會產(chǎn)生聲發(fā)射，提供了固體內(nèi)部缺陷的有關(guān)信息，通過對這些聲發(fā)射信號的采集，可以對固體內(nèi)部缺陷狀況進行實時監(jiān)測和分析預(yù)測[1]。在聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)方面，國內(nèi)已有多人做了相關(guān)工作：姚靜毅采用DSP和片上AD采樣單元設(shè)計了高速聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2]。熊慶國、賀風(fēng)云等采用快速A/D轉(zhuǎn)換器、DSP和FPGA技術(shù)研制出具有16位精度的單通道數(shù)字式聲發(fā)射檢測儀[3]。馮國金等采用DSP和高精密AD采樣芯片設(shè)計了具有24位分辨率、16通道同步數(shù)據(jù)采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)芯片W5100與上位機相連[4]。

本文采用NXP公司的Cortex-M3芯片LPC1768和TI公司的高精密ADC芯片ADS1278，設(shè)計了一種低成本、高性能的聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由聲發(fā)射傳感器、信號調(diào)理與采集、LPC1768系統(tǒng)、以太網(wǎng)、上位機等組成，總體結(jié)構(gòu)見圖1。

聲發(fā)射傳感器用來拾取固體發(fā)出的聲發(fā)射信號，信號調(diào)理電路對傳感器接收到的模擬信號進行放大、濾波等處理。REF5025電壓基準電路為ADC芯片ADS1278提供2.5V的參考電壓，PCA9535為I/O口擴展芯片。LPC1768通過I2C總線擴展了2片PCA9535，來完成對2片ADS1278的配置。

LPC1768具有豐富的片上外設(shè)。本系統(tǒng)通過同步串行接口SPI與ADS1278數(shù)據(jù)線相連，接收來自ADS1278的數(shù)據(jù)。采用片上以太網(wǎng)模塊外接以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DP83848C接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，與上位機進行通信。

上位機為PC機，通過以太網(wǎng)將各種相關(guān)指令發(fā)給作為監(jiān)測分站的LPC1768，接收來自LPC1768的聲發(fā)射信號監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行實時顯示，存儲和分析。

2硬件電路設(shè)計

2.1 LPC1768主板

LPC1768是基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，主頻最大為100 MHz，有512 Kbyte的 FLASH和64 KByte的SRAM，內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)資源。

LPC1768主板主要由最小系統(tǒng)、晶振電路、復(fù)位電路、電源電路、JTAG電路和以太網(wǎng)電路。

2.2 LPC1768與ADS1278控制接口電路設(shè)計

AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1278是通過操作相應(yīng)的I/O來設(shè)定。為了避免占用過多的MCU引腳，采用LPC1768的I2C模塊控制兩片I/O擴展PCA9535來完成對ADS1278的配置，配置工作包括工作模式、開啟通道數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和格式等。

2.3 LPC1768與ADS1278數(shù)據(jù)采集接口電路設(shè)計

ADS1278通過FORMAT[2：0]來選擇傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。本設(shè)計采用SPI接口協(xié)議。

兩片ADS1278級聯(lián)。ADS1278的時鐘基準由LPC1768的定時器提供以方便靈活設(shè)置采樣率。ADS1278的[DRDY]連接LPC1768的外部中斷引腳；LPC1768的P0.7引腳用于產(chǎn)生同步脈沖，連接ADS1278的SYNCn引腳。

2.4 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計

LPC1768的以太網(wǎng)模塊包含一個功能齊全的 10Mbps 或 100Mbps 以太網(wǎng) MAC。外接以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DP83848C接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

3下位機軟件設(shè)計

下位機軟件包括三個模塊：系統(tǒng)配置，數(shù)據(jù)采集，以太網(wǎng)通信。

（1）系統(tǒng)配置：系統(tǒng)配置又可分為兩個模塊，一是對LPC1768自身的初始化；二是對ADS1278的設(shè)置。

（2）數(shù)據(jù)采集工作由SPI控制器來完成，其工作流程如下：ADS1278啟動后，前端傳感器采集的固體聲發(fā)射信號經(jīng)過預(yù)處理后送入ADS1278進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，在中斷函數(shù)中啟動SPI控制器來讀取AD轉(zhuǎn)換值。

（3）以太網(wǎng)程序中移植了LwIP。本系統(tǒng)采用RAW API接口函數(shù)。以太網(wǎng)上傳工作主要由tcp_write（）函數(shù)來完成；接收上位機指令的工作主要有tcp_recv（）函數(shù)來完成。

軟件流程如圖2所示。系統(tǒng)上電后，LPC1768首先完成對自身資源的配置，然后等待PC發(fā)來的指令。系統(tǒng)收到PC的發(fā)送來的指令，首先對指令進行解析，判斷是開始采集指令、數(shù)據(jù)上傳指令或者停止采集指令。如果該指令是開始采集指令，LPC1768會按照接收到指令重新給ADS1278進行配置，然后重新啟動ADS1278進行采集；如果該指令是上傳指令，LPC1768就把ADS1278采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳至上位機；如果該指令是停止采集指令，LPC1768就關(guān)閉相應(yīng)的外設(shè)，從而停止采集工作，隨后等待新的指令到來。

4系統(tǒng)測試

4.1以太網(wǎng)通信測試

通過PC機CMD終端下的PING命令可測試以太網(wǎng)通信是否正常。

4.2系統(tǒng)綜合測試

綜合測試時，將聲發(fā)射傳感器放在桌子上，用小錘敲打桌面。下位機將采集到的多路聲發(fā)射信號通過以太網(wǎng)傳輸給PC機。圖3為PC機屏幕上顯示的多路聲發(fā)射信號波形圖。

5結(jié)論

針對聲發(fā)射信號采集的需要，采用基于Cortex-M3內(nèi)核的LPC1768處理器和ADS1278設(shè)計了一種具有24位分辨率、16通道同步數(shù)據(jù)采集功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。充分利用LPC1768的片上資源進行設(shè)計，結(jié)構(gòu)較為簡單。

參考文獻：

[1] 曾毅.聲發(fā)射信號不同界面?zhèn)鞑ヌ匦缘脑囼炑芯縖D].廣西南寧：廣西大學(xué)，2010.

[2] 姚靜毅.基于 DSP的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[J].廈門理工學(xué)報， 2006（3）：40-43.

[3] 熊慶國，賀風(fēng)云.數(shù)字式聲發(fā)射檢測儀的設(shè)計[J]. 工礦自動化， 2004（3）：25-27.

[4] 馮國金，趙洪亮，閆吉領(lǐng)，等.基于DSP的16通道煤巖聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2012，20（8）：59-61，64.