基于單片機(jī)的信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

信號(hào)采集設(shè)備廣泛使用于機(jī)器健康診斷系統(tǒng)中用來(lái)記錄、監(jiān)視和診斷。機(jī)器情況數(shù)據(jù)經(jīng)常由非便攜式或者帶導(dǎo)線的設(shè)備收集。對(duì)于一些重要的應(yīng)用，比如危險(xiǎn)或者遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)，尤其是在航空上，提供可以方便地?cái)y帶或者讀取的設(shè)備是必要的。另外，機(jī)器健康診斷尤其是機(jī)床振動(dòng)信號(hào)診斷經(jīng)常處理低頻信號(hào)，這值得關(guān)注。

　　本文研究一種微控制器為基礎(chǔ)的信號(hào)采集系統(tǒng)，以滿足信號(hào)采集的低成本和靈活模式。開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的主要硬件包括一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)、一個(gè)以PIC18F1320為基礎(chǔ)的微控制器電路板以及串行通訊鏈接設(shè)備。EEPROM 24LC32A被用來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行控制程序。一旦用戶在微型計(jì)算機(jī)界面上決定采樣輸入，信息便通過(guò)RS-232端口送往微控制器。微型計(jì)算機(jī)和微控制器通過(guò)特定的協(xié)議通信。微型計(jì)算機(jī)告知微控制器模-數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣間隔、采樣次數(shù)與采樣通道。電路板的設(shè)計(jì)考慮了開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用了24引腳易于插拔的插座來(lái)容納Micro-chip微控制器。微處理器將調(diào)制的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)直接輸送到微型計(jì)算機(jī)或者存儲(chǔ)于EEPROM以便將來(lái)讀取。不同的命令與反饋代表系統(tǒng)的不同操作。電路板通過(guò)串行電纜在采集完信號(hào)后連接到微型計(jì)算機(jī)交互，也可以即時(shí)連接和傳送。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的主要原理圖如圖1所示。其中PIC18F1320控制器采用5V電源供電，支持在線串行編程，最高時(shí)鐘頻率達(dá)到40MHZ，通訊波特率可以自動(dòng)檢測(cè)。端口A是雙向輸入/輸出復(fù)用管腳，AN0等管腳被定義成模擬輸入，由用戶是行采用通道的選擇?？偣灿?3個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道且采樣時(shí)間可以編程。通道輸入的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)電子電路調(diào)制成符合抽控制器電氣要求的信號(hào)。調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變成寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓為+5V。電路板可以微控制器重新編程后方便地插入；同時(shí)，電路板可通過(guò)跳線設(shè)置民終端用戶進(jìn)行電纜連接。由于微控制器與串行電路的電氣特性不同，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的MAX232芯片被使用以保證正確的數(shù)據(jù)傳輸（見(jiàn)圖2）。該芯片和PIC18F1320一樣適用于低功耗場(chǎng)合。MAX232上連接的電容采用的是電解電容，電容值為1UF。MAX232的11腳或者10腳接微控制器的USART輸出端，12腳或者9腳接微控制器的USART輸入端。微控制器的存儲(chǔ)器擴(kuò)展使用了32K的I2C串行EEPROM（見(jiàn)圖3），數(shù)據(jù)可以保持200年。EEPROM的地址線A0、A1、A2被接地。串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘一SCL被分別連接到微控制器的B端口相應(yīng)管腳。寫(xiě)保護(hù)WP接+5V。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 微型計(jì)算機(jī)和PIC18F1320的串行連接

圖3 使用24LC32A進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 微型計(jì)算機(jī)控制程序

　　微型計(jì)算機(jī)通過(guò)用戶友好命令程序或者M(jìn)icrosoft超級(jí)終端程序與用戶交互。兩種程序都有效地與微控制器交換命令和操作數(shù)據(jù)。

　　命令程序界面如圖4所示，采用Visual Basic編程。界面顯示了通信握手與反饋、用戶命令選擇以及轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。讀入的數(shù)據(jù)可以用文本的形式保存。信號(hào)波形繪制例子如圖5所示。用戶應(yīng)該選擇正確的采樣間隔以保證采樣過(guò)程的準(zhǔn)確性。一般來(lái)說(shuō)，通信設(shè)置的修改由用戶負(fù)責(zé)進(jìn)行。

圖4 命令程序界面

圖5 被采樣到的增長(zhǎng)式正弦和sinx/x波

　　2.2 微控制器算法

　　一旦采樣變量值被確定，信息交換模塊接手整個(gè)工作。該模塊的算法如圖6所示。模塊接收采樣間隔、采樣次數(shù)和采樣通道的決定。算法采用正確的過(guò)程以保證滿足產(chǎn)品手冊(cè)的要求從而獲得更好的模-數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄成功。在采樣過(guò)程結(jié)束后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信息通過(guò)串口以48 00、9 600或者19 200 b／s波特率輸送給微型計(jì)算機(jī)。該波特率由用戶和編程者給定。

圖6 信息交換模塊流程

　　由于微控制器算法用MPLAB C18或者匯編語(yǔ)言編程，將編譯過(guò)的程序下載到微控制器是必要的。為了驗(yàn)證程序和芯片上的EEPROM數(shù)據(jù)，MPLAB IDE 6.5被采用。該軟件描述了微控制器部分內(nèi)存消耗情況，這有助于用戶了解內(nèi)存的使用百分比以及EEPROM和RAM是如何被安排來(lái)存儲(chǔ)程序算法和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文討論了新型簡(jiǎn)易低成本信號(hào)采集系統(tǒng)的制作及編程，說(shuō)明了機(jī)器健康診斷系統(tǒng)信號(hào)采集的低成本和簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)是可行的。整個(gè)實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)成本不超過(guò)100元人民幣而且開(kāi)發(fā)周期為兩個(gè)星期，包括微型計(jì)算機(jī)編程。系統(tǒng)成功地采樣了3 kHz的復(fù)雜信號(hào)。在微控制器被重新編程之后，電路板可以被分離成為一個(gè)獨(dú)立的可便攜和讀取的裝置。該系統(tǒng)已經(jīng)被證實(shí)有效和新穎，在機(jī)床刀具振動(dòng)分析系統(tǒng)中得到應(yīng)用驗(yàn)證，較好地采集了刀具的振動(dòng)信號(hào)，這可以通過(guò)示波器加以比較。由于采樣算法和調(diào)制電路的局限性，該研究項(xiàng)目的精度有待于提高。同時(shí)，信號(hào)數(shù)據(jù)保存的容量可以進(jìn)一步擴(kuò)展。另外，使用時(shí)請(qǐng)注意將測(cè)量信號(hào)調(diào)制成+5 V以內(nèi)。
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