（物理电子学专业论文）基于片上数采芯片的数据采集系统的研究.pdf

摘要 片上数采系统研究的主要内容是根据测量车间的发电机组或空压机等大型 旋转机械的振动信号对设备进行分析。在该系统中，数据采集系统能将模拟振 动信号以适当的频率进行采样，转换成数字量，并及时的送给计算机进行分析 和处理。根据项目的要求，设计并制作了一套基于旋转机械故障诊断的数据采 集系统。主要研究内容和工作如下： ( 1 ) 设计了2 种针对不同信号的调理电路，引入了电压i c p 信号复用的设计 减少了元器件，节省了成本。 ( 2 ) 采用s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 单片机( c 8 0 5 1 f 0 2 0 ) 作为数据采集系统 的中央处理单元，提高了系统的可靠性和经济性。根据项目的要求扩展了外部 存储器模块、液晶显示模块、串口通信模块、键盘模块、电源模块、a d 采样模 块、电池电量测量模块。 ( 3 ) 在系统方面完成了相应扩展模块的底层驱动的设计，实现了两种不同的 信号分析方式：数字方式和图形方式成功实现了片上数采系统采集到的信号 能通过u 删串口及时地传送给上位机行较复杂的信号分析。 ( 4 ) 探讨了片上数采系统所需要考虑的抗干扰问题。研究了在工业现场的电 磁环境下，片上系统的主要干扰来源及其解决方法，并着重在系统的设计角度 分析了电路板级的抗干扰问题。 关键词：数据采集c 8 0 5 1 f 0 2 0a i d 采集液晶串口通信 a b s t r a c t t h em a i nr e s e a r c h i n gc o n t e n to fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo nc h i pi st oa n a l y z e t h ee n g i n eo nt h eb a s i so ft h ev i b r a t i o ns i g n a lo ft h el a r g er o t a r ym a c h i n eo r a i r - p r e s s i n gm a c h i n e i nw o r k s h o p i nt h i ss y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc a n s a m p l e t h ev i b r a t i o na n a l o gs i g n a lw i t has u i t a b l es a m p l i n gf r e q u e n c y , c o n v e r ti tt o d i g i t a l v a l u e ，a n dt h e ns e n di tt oc o m p u t e rf o rc o m p l i c a t e da n a l y s i sa n dp r o c e s si r tt i m e f o l l o w i n gt h ep r o j e c t ，as e to fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do ne n g i n e sf a u l t d i a g n o s i n g a n da n a l y z i n gi s d e s i g n e d a n dp r o d u c e d t h em a i nr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ta r ed e s c r i b e da sf o l l o w i n g ( 1 ) t w os e t so fs e n s o rs i g n a lm o d u l a t i o nc i r c u i ta r e d e s i g n e d v o l t a g e i c p m u l t i p l e x i n gs i g n a ld e s i g n i n gi sa d o p t e dt or e d u c ec o m p o n e n t sa n ds a v ec o s t ( 2 ) s o cf s y s t e mo nac h i p ) s i n g l e c h i pi sa d o p t e da st h ec e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t o fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hh a si m p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma n ds a v e d c o s t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c t ，w ee x p a n dt h em o d u l e so fe x t e r i o r m e m o r i z e r , l c d ，s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n ，k e y b o a r d ，p o w e rs u p p l y i n g ，a d s a m p l i n g ，a n dm o d u l eo fb a t t e r y sv o l t a g em e a s u r i n ga sw e l l ( 3 ) a sf o r t h es y s t e m ，d r i v e r so ft h ee x t e r i o re x p a n d i n gm o d u l eh a sb e e n c o m p l e t e da n dt w od i f f e r e n tm o d ef o rs i g n a la n a l y z i n g ，n a m e l yd i g i t a lm o d e la n d g r a p h i cm o d e lh a v eb e e nr e a l i z e d t h ef u n c t i o nf o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo nc h i pt o t r a n s m i tt h es a m p l i n gs i g n a lt om o n i t o rc o m p u t e rb yt h eu a r t 0s e r i a lp o r ti nt i m e f o rf u r t h e rc o m p l i c a t e dp r o c e s s i n gh a sb e e nr e a l i z e d ( 4 ) t h ea n t i - j a m m i n gq u e s t i o no fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo nc h i ph a sb e e n i n v e s t i g a t e d s o u r c e so fj a m m i n gf o rt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo nc h i pa n di t s s o l u t i o n sh a v eb e e ns t u d i e d ，a n da se m p h a s e so ft h i sw o r k ，a n t i - j a m m i n gq u e s t i o no f b o a r dl e v e li sa n a l y z e di nv i e wo fs y s t e md e s i g n i n g k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n , c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，a ds a t a p t i n g , l c d ，s e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文 中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得墨连墨些盘生或其他教育机构的学位或证二转而使用过的材料。与我一同1 2 作的同忐对本研究所做的任何贡献均已在论文中作r 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢淝建红签字嗽燃年邵曰 学位论文版权使用授权书 本学宣论文作者完全了解苤壅墨些盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权天 壅墨些叁鲎可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数据库进行检索，并采用影印、 缩印或扛 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送变 论史的复印件和磁盘。 l 保密的学位沦文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 潞枣红 删虢荡哆石 j ， 一 签字日期：呜年f 月2 d 日 签字目期：萨，胗日 学位论文的主要创新点 一、使用电压i c p 信号复用的设计。电压i c p 信道复用信道它 们共用一个传感器输入接口( 0 9 头) ，电压i c p 信道的选择是通过按 压开关控制继电器来实现的。当按压开关( 不按下) 处于初始状态时， 继电器也处于初始状态，选通的是电压信道。当按压开关按卜时，继 电器的控制端电位发生变化，继电器吸合，选通i c p 信道。 二、采用s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 单片机( c 8 0 5 1 f 0 2 0 ) 作为数 据采集系统的中央处理单元。c 8 0 5 1 f 0 2 0 片上资源丰富，包括5 个 1 6 位的计数器定时器、两个全双工u a r t 、s p i 口、s m b u s 口、2 5 6 字节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄存器( s f r ) 地址空间及8 个 i o 端口、6 4 k 字节可在系统编程的f l a s hf , j 存，真正1 2 位的1 0 0 k s p s 的8 信道a d c ，带p g a 和模拟多路开关，两个1 2 位d a c 。其丰富 的片上资源提高了系统的可靠性和经济性。 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 如今已经进入信息化社会，与以往相比，多数企业的内部网络已经建成。 企业在市场的巨大压力下，信息共享、快速传达、快速决策显得愈来愈重要。 对于设备监测诊断来说也是如此。目前设备点检网络化系统越来越为人们认识 和接受，与此相关的网络化设备监测产品市场正在形成。现实的和潜在的用户 越来越多，因此建立该系统非常必要。 在产品定位方面，它是一个主要面向车间级设备监测的系统，主要目的是 控制设备的劣化状态，尽早发现设备缺陷和设备故障。因此，要求系统制造成 本低，操作和维护简单。 作为设备管理信息系统的一个子系统，设备状态监测网络化系统的主旨是： ( 1 ) 以网络化方式促进设备状态监测工作的深入开展，促进设备监测工作的标 准化，实现监测信息共享；( 2 ) 通过长期积累监测数据，提高对设备状态和趋 势的控制能力，保证生产经营顺利进行。 因此实现信息共享、规范化实施和以劣化性倾向管理为系统的主要目的。 它的用户可以分为三部分： 控制层：以数据采集人员为主，主要是一线操作岗人员。主要工作是采 集数据，存储到底层工作计算机中，掌握设备劣化趋势。 管理层：数据分析和故障诊断为主，主要是故障专业人员、设备( 区域、 专业、维修计划) 管理工程师等。 管理决策层：浏览设备状态为主，根据劣化趋势和故障分析结果，作出 设备运行和维修决策，安排生产计划、检修计划、物流等。 本论文主要完成控制层的数据采集器的部分，要求具有操作简单、可靠性 高，故障率低、功能简单实用，数据可靠、重量轻、便携。 本课题拟以片上数据采集芯片为核心，研究基于片上数采芯片的数据采集 技术和分析方法。研究中以车间级设备等作为主要测量和分析对象，实现对设 备振动信号的在线状态监测。同时能够存贮设备的状态信息，传输到计算机进 行进一步分析。 第一章绪论 1 ，2 国内外研究概况 目前数据采集系统按可携带性大致可分为两种：台式数据采集系统和便携 式数据采集系统。台式数据采集系统基于p c 机，其软硬件的发展均己十分成熟， 而便携式数据采集系统的发展则是方兴未艾。本文主要针对便携式数据采集系 统的应用研究，因此下面从国内和国外两个方面讨论其发展现状。 1 国外研究与应用现状 在便携式数据采集领域，丹麦的b & k 公司，美国爱默生公司、福禄克公司， 日本理音公司等都先后推出了自己的产品。总结起来，这些产品具有如下特点： 多数是基于工业计算机( p c i 0 4 ) ，再加上信号调理和采集模块： 软件功能强大，存贮容量大，速度快，可扩展性好； 具有u s b 、l a n 、r s 一2 3 2 或并口等通信功能，能与计算机通信，传输数 据； 但这些产品也存在不足，体现在： 由于基于工业计算机，因此价格昂贵： 输入信号类型较少，一般只能采集电压、温度和转速信号，而不能使用 i c p 等传感器采集信号； 在线分析、诊断功能较弱。 2 国内研究与应用现状 当前，有多家国内研究机构和公司已经或正在研制便携式数据采集系统， 如东方振动研究所、西北工业大学、天津大学、上海航空测绘技术研究所、北 京航天测控技术研究所等。但总体上还处于起步阶段，仅四川拓普等极少数厂 家实现了产品化。总结起来特点如下： 同国外一样，多数是基于工业计算机( p c i 0 4 ) ； 具有u s b 、l a n 、r s 一2 3 2 或并口等通信功能，能与计算机通信， 传输数据； 这些产品的不足之处体现在： 软件功能不够强大； 由于基于工业计算机，因此价格昂贵： 在线分析、诊断功能较弱。 第章绪论 1 3 课题目的和意义 随着科技的发展，在机械化生产日益发达的今天，机械设备的状态监测和 故障预测、诊断已成为企业生产中的一个重要环节，越来越受到企业生产管理 人员的重视。当前的故障诊断多为台式设备，灵活性较差。进口便携式诊断仪 不仅价格昂贵，监测和诊断的针对性也不强。 本课题针对广泛使用的旋转机械，以基于片上数据采集芯片的数据采集与 分析作为研究内容，研究一种具有较强针对性、采集功能较强、携带方便的数 据采集系统。该系统在满足功能要求的同时，成本将远低于基于工业计算机的 便携式数据采集系统。 第二章c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 2 1 系统概述 第二章c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 我们习惯于将各厂家生产的与5 1 兼容的形形色色的单片机系列称之为 8 0 c 5 1 系列。它们都采用c m o s 工艺，并与m c s 一5 1 兼容。与m c s 。5 1 相比较， 8 0 c 5 1 已有很大发展。然而，当前c y g n a l 公司发展的c 8 0 5 1 f 系列，在许多方 面已超出当前8 位单片机水平，有许多新的技术概念需要学习与更新。采用 c i p 5 l 内核大力提升c i s c 结构运行速度。迄今为止，m c s 一5 1 已成为8 位帆中 运行最慢的系列。为了提升速度，d a l l a s 公司和p h i l i p s 公司采用传统的改 变总线速度的办法，将机器周期从1 2 个缩短到4 个和6 个，速度提升有限。 c y g n a l 公司在提升8 0 5 1 速度上采取了新的途径，即设法在保持c i s c 结构 及指令系统不变的情况下，对指令运彳亍实行流水作业，推出了c i p 一5 1 的c p u 模 式。在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平 均每个时钟可以执行完1 条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。即与 8 0 5 1 相比，在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的1 2 倍；整个指令集平均 运行速度为原来8 0 5 1 的9 5 倍，使8 0 5 1 兼容机系列进入了8 位高速单片机行列。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 ( 简称f 0 2 0 ) 是美国德州c y g n a l 公司推出的一种混合信号s o c 型8 位单片机。它属于c 8 0 5 1 f 系列中的f 0 2 x 子系列。其性能价格比在目前应 用领域极具竞争力。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 器件是完全集成的混合信号系统级m c u 芯片，具有6 4 个数字 i o 引脚。下面列出了一些主要特性： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) 真正1 2 位( c 8 0 5 1 f 0 2 0 ) 、1 0 0 k s p s 的8 信道a d c ，带p g a 和模拟 多路开关。 两个1 2 位d a c ，可编程更新时序 6 4 k 字节可在系统编程的f i a s h 内存 4 3 5 2 ( 4 0 9 6 x r a m + 2 5 6 r a m ) 字节的片内r a m 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和两个u a r t 串行接口 4 第二章c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 5 个通用的1 6 位定时器 具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器数组 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 0 2 0 是真正 能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件配置为使能或禁 止。f l a s h 内存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8 0 5 1 固件。 片内j t a g 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵 入式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改内存 和寄存器，支持断点观察点、单步及运行和停机命令。在使用j t a g 调试时，所 有的模拟和数字外设都可全速运行。 每个m c u 都可在工业温度范围( 4 5 。c 到8 5 。c ) 内用2 7 v 到3 6 v 的电 压工作。端口i ，o 、r s t 和j t a g 引脚都允许5 v 的输入信号电压。c 8 0 5 1 f 0 2 0 为1 0 0 脚t q f p 封装。 2 1 1 与8 0 5 1 完全兼容的1 2 8 0 5 1 f 0 2 0 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系列器件使用c y g n a l 的专用c i p ，5 1 微控制器内核。c i p 一5 1 与 m c s 指令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编和编译器进行软件开发。 c i p 一5 1 内核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括5 个1 6 位的计数器定时器、 两个全双工u a r t 、指令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编和编译器 进行软件开发。c i p 一5 1 内核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括5 个1 6 位的 计数器定时器、两个全双工u a r t 、2 5 6 字节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄 存器( s f r ) 地址空间及8 个i o 端口。c 8 0 5 1 f 0 2 0 原理框图如图2 - 1 所示。 第二章 c 8 0 5 1 p 0 2 0 系统橛述 2 1 2 速度提高 图2 - 1c 8 0 5 1 f 0 2 0 原理框图 c i p 5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大的提 高。在一个标准的8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有指令都需要1 2 或2 4 个系 统时钟周期，最大系统时钟频率为1 2 2 4 m h z 。而对于c i p 5 1 内核，7 0 的指 令的执行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系 统时钟周期。 c i p 一5 t 工作最大系统时钟频率2 5 m h z 时，它的峰值速度达到2 5 m i p s 。图 2 - 2 给出了几种8 位微控制器内核工作在最大系统时钟时的峰值速度的比较关 系： 6 耄|耄黧 一 巍銎黧篡 第二章c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 图2 2 峰值执行速度比较 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系列m c u 在c i p 一5 1 内核和外设有几项关键性的改进，提高了 整体性能，更易于在最终应用中使用。 扩展的中断系统向c i p 5 1 提供2 2 个中断源( 标准8 0 5 1 只有7 个中断源) ， 允许大量的模拟和数字外设中断微处理器。一个中断驱动的系统需要较少的 m c u 干顸，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加 的中断源是非常有用的。 m c u 可有多达7 个复位源：一个片内v d d 监视器、一个看门狗定时器、 一个时钟丢失检测器、一个由比较器0 提供的电压检测器、一个软 串强制复位、 c n v s t r 引脚及l i s t 引脚。r s t 引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生 的上电复位信号输出到瓜s t 引脚。除了v d d 监视器和复位输入引脚以外，每 个复位源都可以由用户用软件禁止；使用m o n e n 引脚允许禁止v d d 监视 器。在一次上电复位之后的m c u 初始化期间，w d t 可以被永久性使能。 m c u 内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如 果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、 陶瓷谐振器、电容、r c 或外部时钟源产生系统时镑。时钟切换功能在低功耗系 统中是非常有用的，它允许m c u 从一个低频率( 节电) 外部晶体源运行，当需 7 第二章 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统橇述 要时再周期性地切换到高速( 可达1 6 m h z ) 内部振荡器。 2 1 3 片内存储器 c i p 一5 1 有标准的8 0 5 t 程序和数据位址配置。它包括2 5 6 字节的数据r a m ， 其中高1 2 8 字节为双映像。用间接寻址访问通用r a m 的高1 2 8 字节，用直接寻 址访问1 2 8 字节的s f r 地址空间。片内存储器组织如图2 3 所示。 礁烊群穰禧 f l a 8 h 翁对舟髅嚣 t 域孵jr 教捌) 乏醚誊 ? - 、 f l a s h f 配系穗uj 铺张。 科5 1 2 警袖 匀如盛曩) 激辩卷秣器 瓣端数糍地燃警潮 勰1 2 8 晕节r a 触 祷肄功髓篱薛髂 f h 巍 神挺社划。1 雉眺蓖糍葶妊， l 馥陵鞠阐接魁) 、皓1 2 , 9 f 轴r a 1 冀童鼻葡懿潞鲻颦鹣i 鬟誊 ，5 妻接毫删继善 ) 霉：i 拶憋篓藜鬻 图2 - 3 片内存储器组织 数据r a m 的低1 2 8 字节可用直接或间接寻址方式访问。前3 2 个字节为4 个通用寄存器区，接下来的1 6 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 还有位于外部数据存储器地址空间的4 k 字节的r a m 块和一个 可用于访问外部数据存储器的外部内存接口( e m i f ) 。这个片内的4 k 字节r a m 块可以在整个6 4 k 外部数据存储器地址空间中被寻址( 以4 k 为边界重叠) 。外 部数据存储器地地址空间可以只映像到片内存储器、只映像到片外内存、或两 者的组合( 4 k 以下的地址指向片内，4 k 以上的地址指向e m i f ) 。e m i f 可以被 配置为地址数据线复用方式或非复用方式。 f 0 f 0 f o f o 晰 眦辫 丌阼阡 裟篓一 第二章c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 m c u 的程序内存包含6 4 k 字节的f l a s h 。该内存以5 1 2 字节为一个扇区， 可以在系统编程，且不需要特别的编程电压。从0 x f e 0 0 到0 x f f f f 的5 1 2 字节 被保留，由工厂使用。还有一个位于地址0 x 1 0 0 0 0 0 x 1 0 0 7 f 的1 2 8 字节的扇区， 该扇区可作为一个小的软件常数表使用。图2 7 给出了m c u 系统的存储器结构。 2 1 4j t a 6 调试和边界扫描 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系列具有片内j a t g 边界扫描和调试电路，通过4 脚j a t g 接e l 并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统 调试。该j t a g 接e l 完全符合i e e e l l 4 9 1 规范，为生产和测试提供完全的边界 扫描功能。 c y g n a i 的调试系统支持观察和修改内存和寄存器，支持断点、观察点、堆 栈指示器和单步执行。不需要额外的目标r a m 、程序内存、定时器或通信信道。 在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当m c u 单步执行或遇到断点而停 止运行时，所有的外设( a d c 和s m b u s 除外) 都停止运行，以保持同步。 2 1 5 可编程数字i 0 和交叉开关 该系列m c u 具有标准8 0 5 1 的端e l ( 0 、1 、2 、和3 ) 。在f 0 2 0 中有4 个附 加的端口( 4 、5 、6 和7 ) ，因此共有6 4 个通用端e li o 。这些端口i o 的工作情 况与标准8 0 5 1 相似，但有些改进。 每个端口i o 引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8 0 5 1 中固 定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提出了迸一步节电的能力。 可能最独特的改进是b l 入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络， 允许将内部数字系统资源映像到p 0 、p 1 、p 2 和p 3 的端e li o 引脚。与具有标 准复用数字i o 的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。 可通过设嚣交叉开关控制寄存器将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、 a d c 转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字元信号配置为出 现在端口i o 引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口i o 和 所需数字资源的组合。数字交叉开关原理框图如图2 4 所示。 第二章c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 2 1 6 串行端口 图2 - 4 数字交叉开关原理框图 ；饿驰宠蠊 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系列m c u 内部有两个增强型全双工u a r t 、s p i 总线和 s m b u s 1 2 c 。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向c i p 5 1 产生中断，因此 需要很少的c p u 干预。这些串行总线不“共享”定时器、中断或端口i o 等资 源，所以可以使用任何一个或全部同时使用。 2 1 71 2 位模数转换器 c 8 0 5 1 f 0 2 0 有一个片内1 2 位s a ra d c ( a d c 0 ) ，个9 信道输入多路选 择开关和可编程增益放大器。该a d c 工作在1 0 0 k s p s 的最大采样速率时可提供 真正的1 2 位精度。a d c 0 的电压基准可以在d a c 0 输出和外部v r e f 引脚之间 选择。对于c 8 0 5 1 f 0 2 0 器件，a d c 0 有其专用的v r e f 0 输入引脚。片内1 5 p p m o c 的电压基准可通过v r e f 输出引脚为其它系统部件或片内a d c 产生基准电 压。 a d c 完全由c 口5 1 通过特殊功能寄存器控制。有一个输入信道被连到内 l o 礤邂嬲一j 霉 一一 第二章c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 部温度传感器，其它8 个信道接外部输入。8 个外部输入信道的每一对都可被配 置为两个单端输入或一个差分输入。系统控制器可以将a d c 置于关断状态以节 省功耗。 可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可以用软件设置，从o 5 到1 6 以2 的整数次幂递增。当不同a d c 输入信道之间输入的电压信号范围差 距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时( 在差分方式，d a c 可用于 提供直流偏移) ，这个放大环节是非常有用的。 a i d 转换有4 种启动方式：软件命令、定时器2 溢出、定时器3 溢出和外 部信号输入。这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号或周期性的定时器溢 出信号触发转换。一次转换完成可以产生一个中断，或者用软件查询一个状态 位来判断转换结束。在转换完成后，1 2 位转换结果数据字被琐存到两个特殊功 能寄存器中。这些数据字可以用软件控制为左对齐或右对齐。1 2 位a d c 原理框 图如图2 5 所示。 图2 - 5 1 2 位a d c 原理框图 窗口比较寄存器可被配置为当a d c 数据位于一个规定的范围之内或之外 时向控制器申请中断，a d c 可以用后台方式监视一个关键电压，当转换数据位 于规定的窗口之内时才向控制器申请中断。 第二章c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 2 2 总体直流电气特性 c 8 0 5 1 f 倪0 的总体直流电气特性妇表2 。1 所示。 表2 - 1 总体直流电气特性表 参数条件最小值 典型值 最大值 单位 模拟电源电压【注1 )2 73 03 6v 内部r e f 、a d c 、d a c 、比 模拟电源电压 1 7 m a 较器都工作 模拟电源电流内部r e f 、a d c 、d a c 、比 ( 模拟子系统不较器都不工作；振荡器被禁o - 2ua 工作) 止；v d d 监视器被禁止 模拟与数字电源 压之差 0 5v ( 1 v d d a v + i ) 数字电源电压2 73 o 3 6 v 数字电源电流 v d d = 2 7 v ，c l k = 2 5 m h z1 0 m a v d d _ 2 ，7 v ，c l k = 1 m h z 0 5 m a c p u 工作 v d d = 2 7 v ，c l k = 3 2 k h z2 0ua 数字电源电流v d d = 2 ，7 v ，c l k = 2 5 m h z5m a c p u 工作( 不访v d d = 2 ，7 v ，c l k = 1 m h zo 2m a 问f l a s h )v d d = 2 7 v ，c l k = 3 2 k h z 1 0 ua 数字电源电流v d d = 2 7 v ，振荡器不运行， ( 停机方式)v d d 监视器被禁止 o 2 ua 数字电源( r a m 数据保持电源) 1 5 v 额定工作 温度范围 一4 0+ 8 5o c 注l ：模拟电源a v + 必须大于1 v 才能使v d d 监视器工作。 第三章片上数采系统硬件件瑷计 第三章片上数采系统硬件设计 3 1 旋转机械的测量选型及其适用范围 3 1 1 概述 对旋转机械尤其是大型旋转机械的振动历来被广大用户所重视，因为机组 振动大轻者产生噪声，影响机组寿命，重者会造成机组的毁灭性灾难，造成机 组振动大的原园相当多。如：轴承损坏，动静摩擦，转子裂纹，气蚀现象，齿 轮损伤，电磁振动，导向叶片振动，轴系不对中，轴不对称，不平衡，转子热 弯曲，中心偏斜，非线性齿隙游移，油膜振动，气流旋涡激振，喘振等等，上 述诸多原因都会产生机组振动大，对于究竟是哪一种原因造成振动大，常规的 办法是：对振动的波形进行分析，即所谓的频谱分析，相谱分析，轴心轨迹分 析等，通过这些分析，有经验的专家和技术人员可以估算出绝大部分的造成振 动大的原因，从而对机组有针对性的维护，保养，从而达到延长机组寿命提高 效率，降低嗓声等目的。具有很高的经济性和实用性，所以广大大机组用户纷 纷安装在线或离线的振动测量装最，但是由于振动的测量方法比较多，用户不 知道如何选择，往往用户选型不妥，造成达不到应有的目的，本文针对性地介 绍了振动的各种测量方法和应用范围。 3 1 2 振动的测量原理 在市场上振动传感器的生产厂家，规格型号相当多，但归结起来主要有： 涡流式位移传感器，电磁式速度传感器( 俗称地震式速度传感器) 和压电式加 速度传感器三大类：涡流式位移传感器、磁电式速度传感器、压电式加速度传 感器。我们使用压电式加速度传感器。其测量原理介绍如下。 如果有一个外界的力作用在石英晶体或罗谢尔盐晶体( r o c h e i l e ) 上，就会 有一个与外界力成正比的电荷产生，这种现象就称之为压电效应，面晶体就称 之为“压电元件”如图有一个带有电极的压电元件的低端其两端接触并固定在 壳体上，而其高端加一重块，如果发生振动时则元件就会反复向下压缩和向上 拉伸，产生一个与振动加速度成正比的电荷，压电式加速度传感器就是用该原 第三章片上数采系统硬件件设计 理制成的。电荷产生在两个电极之间并且要用一根低噪声的电缆和一个电荷放 大器，但是，这种形式的传感器很容易被从电缆中来的噪声所影响，因此在工 业上应用一般就采用一个带有电荷放大器的双线制系统，用恒流源给传感器来 输出电流。图3 - 1 所示为压电式加速度传感器的工作原理。 罩壳主体 图3 - 1 压电式加速度传感器 e 涡流式位移传感器具有频晌范围广( 从d c 到1 0 k h z ) ，而且输出电压直接 反应了振动的振幅，而且灵敏度较高( 8 v m m ) ，没有相位移动，所咀它很适用 于振动分析，对于那种低频大幅度的振动监视尤为合适，磁电式速度传感器， 它是由一个惯性质量系统组成了一个二阶阻尼系统，由于二阶阻尼系统具有固 定频率的低频段，其相频特性变得更差，其相移最大甚至可达到1 8 0 度，而且 由于惯性质量系统的结构在制造工艺上很难保证一致性，使得在后续线路进行 的补偿处理带来很大的难度对振动分析如频谱、相谱的分析造成困难，但是由 于其传感器本身能产生电动势，不需供电电源，抗干扰好。使用方便，还有一 个最大的优点是结构本身带有一个所谓的“静止”参考点，使得测量绝对振动 提供了可能，由于具有上述各优点，所以这种测量方法被广大用户普遍采用和 接受；压电加速度传感器，近年来由于其关键技术电荷放大器技术有了很大的 突破，加上其结构简单，寿命长，体积小，频响宽，没有相位移动，适用于振 动分析，所以近来也被用户所采纳。 3 1 3 各种应用场合的选型分析 我们在讨论应用场合的选型分析之前，必须简单地介绍一下振动信号的数 学模型和振动的位移、速度及加速度的相互关系。振动信号可以用一个正弦波 1 4 第三章片上数采系统硬件件设计 曲线加以描述，如图3 - 2 所示。 ft 殛土空峰l l 图3 - 2 振动信号正弦波模型 实际上的振动信号波形不可能象图3 2 那样标准，但根据傅立叶变换原理 可以将实际波形分解成有无数个不同频率的标准正弦波形，我们在实际分析振 动时，也即分析各种频谱，图3 2 中各种参数的关系如下： 峰峰值= 2 峰值 有效值= o 。7 0 7 峰值 平均值= o 6 3 7 峰值 振动的位移与时间的数学关系式为：s = s 0 s i n 2 “f t 式中：s o = 振动的峰值位移 f - 振动的频率( 单位：h z ) 振动可以用振动信号的位移，振动信号的速度和振动信号的加速度来描 述，相互之间的关系用数学式表述如下： s = s 0 s i n 2 n f t ( 位移1 v = s 0 2 n f c o s 2 n f t ( 速度) a = 一s o ( 2 n f ) 2s i n 2 z c f l ( 加速度) 也可用下述式子来代表，他们之间的相互关系 d v d 。s ”面2 万 从计算公式和表格得出以下结论： 1 振动的位移、速度和加速度是相互关联的，他们之间是微分和积分的关系， 只要知道其中一个参数即可通过计算的办法求得另外2 个参数。 2 在低频段( 即低转速机组) 采用以涡流式位移传感器直接测量机组振动的振 幅比较有利、实际上在1 0 h z 以下( 即6 0 0 转分) 根本无法用速度传感器( 因 为二阶阻尼系统在固有频率以下输出非线性) 和加速度传感器( 在低频段由 第三章片上数采系统硬件件设计 于信号太弱，信号的信嗓比太大，精度很差) 根本无法测量。 3 在中频段( 一股取2 0 - 1 k i - i z ) 三种测量办法都可取。 4 ，在高频段，特别是小振幅、高转速以力量性振动为主的振动测量场合，一般 选用加速度传感器更为合适，因为此时的加速度信号很强而且根据牛顿定 律，如果测量极组的加速度信号，更能直接反映力的大小，丽采用其他测量方 式经过几次转换，势必引入测量误差，根据测量的阿贝原则，直接获得信号，其 测量精度最高。 5 从振动分析角度考虑，人们最关一t l , 的是振动的幅频特性和轴- t l , 轨迹，而经过 积分后，引入相移给振动分析带来麻烦，所以用直接测量振动振幅的涡流传 感器来测取振动信号是最为理想的。 6 为了测量机组的绝对振动，采用带有“静止”参考点速度传感器具有独到的 优点。而采用位移式传感器是没法办到的。 典型传感器的主要特性参数如表3 1 所示。 表3 - 1 典型传感器的主要特性参数表 类型涡流式位移传感器磁电式速度传感器压电式加速度传感器 测量范围 20 0 0p m1 25 m m ( 峰值)50g ( 峰值) 灵敏度 7 87r f l v l0 0r t m19 7 m v m m s ( 峰值)1 00 m v g ( 峰值) 频晌直流到10k hz 10hz l0 oo hz2hz lok hz 各种测量方法所适用的机械类型： 1 ，涡流式位移传感器适用范围 气轮机，大中型泵，燃气轮机，发电机，风机，平面轴承的压缩机，电动机 齿轮箱等。 2 磁电式速度传感器适用范围 汽轮机，燃气轮机，泵，发电机，电动机，风机等。 3 压电式加速度传感器 高速旋转机械如航空发动机等，中小型装有滚动轴承的旋转机械如电动机， 泵，齿轮箱等，如果需要组戒手持便携式振动仪，只能选用后两类传感器。 第三章片上数采系统硬件件设计 3 2 片上数采系统硬件组成 根据车间级设备监测的系统的要求，片上数采系统主要用来测量中小型旋转 机械，我们选用压电式的加速度传感器。在片上数采系统的前半部分为模拟电 路模块，设置有2 路模拟量输入，第1 路为电压i c p 通道，第2 路为电池电量 检测通道；后半部分为m c u 主控电路数模混合模块。其系统原理框图如图3 3 所示。 里堡! ! 婴望壅! 鬯墼堡型望堕! 图3 - 3 片上数采系统的硬件总体框图 3 3 信号调理电路( 模拟模块) 电压f i c p 信道复用信道它们共用一个传感器输入接口( q 9 头) ，电压i c p 信道的选择是通过按压开关控制继电器来实现的。当按压开关( 不按一f ) 处于 初始状态时，继电器也处于初始状态，选通的是电压信道。当按压开关按下时， 继电器的控制端电位发生变化，继电器吸合，选通i c p 信道。 此电路的优点是：电压和i c p 信道共享一个传感器输入接口，并且共享低 通滤波电路，这样不仅节省了器件，从而节省了成本，而且也节省了空间；这 样正好符合便携式仪器小巧、价廉的要求。通过继电器选通电压或者i c p 信道， 使得电压信道电路和i c p 信道电路之间完全隔离，相互之间不会产生干扰，从 而使各信道的信号稳定。 3 3 。1 电压通道信号调理电路 当用户的传感器为声级计时，声级计直接产生电压信号，信号调理电路相 第三章片上数采系统硬件件设计 对比较简单，只需进行信号隔离及抗混叠低通滤波的处理，主要包括电压跟随 电路和低通滤波电路。 3 3 1 1 电压跟随器电路 信号隔离采用的是电压跟随器电路。电压跟随器的跟随误差很小，输出电 阻可降为1 0 。3o 。理论上输入电阻可高达1 0 1 2q ，所以它能真实地将输入信号传 给负载，而向信号源索取的电流极小，这样能减小后级电路对传感器输入信号 的影响。 我们选用a d 8 0 3 2 型双运放搭建电压跟随器电路，选用双运放的目的是既能 节省p c b 布线的空间，同时也节省了器件成本，从而使整个片上数采系统的成 本降低。 3 3 1 2 低通滤波电路 我们选择滤波器的目的是为了提供一个截止频率，这个截止频率能够滤除 a d c 的输入级所不需要的信号，或者使这些不需要的信号衰减到足够小的值，从 而不至于影响电路特性。抗混叠就是低通滤波器，就是用来实现上述目的的。 我们考虑一个低通滤波器的关键因素就是它的通带的平坦性及其频率响应的衰 减斜率以及转折频率附近的陡峭性。有四种基本类型的低痛滤波器：b e s s e ，、 b u t t e r w o r t h 、c h e b y s h e v 、e l l y p t l c 型。 b u t t e r w o r t h 型滤波器有最平坦的通带区域，它使信号在有用的频率区域 衰减最小。b e s s e l 型滤波器在通带区域有缓慢的衰减，但b e s s e l 型滤波器最大 的优点是它具有线性的相频响应特性，也就是说各种不同频率的信号通过滤波 器时会滞后有相同的时间。c h e b y s h e v 型滤波器有陡峭的下降沿，但在通带会内 有振荡纹波。e l l y p t i c 有最陡峭的下降沿，但是它在通带内也有振荡纹波。 抗混叠滤波器的设计不是仅仅考虑转折频率的位置，还有其它的解决办法。 例如，假如你需要最大的通带平坦性，仅仅需要把转折频率设计得更远些即 可。如果截止频带衰减得太慢，只需增加滤波器的阶数即可。另外一种办法是 滤波之后对信号进行放大，使信号达到期望的范围。四种基本类型的低通滤波 器频率响应图如图3 4 所示。 第三章片上数采系统硬件件设计 图3 r 4 四种基本类型的低通滤波器频率响应图 综合考虑各种滤波