專利名稱：多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振動(dòng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，確切地說(shuō)一種多通道振動(dòng)信號(hào)的同步采集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
振動(dòng)是廣泛存在于自然界和人類社會(huì)生活中的一種動(dòng)態(tài)物理現(xiàn)象，是我們觀察到的某一平衡位置上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。許多情況下，機(jī)械振動(dòng)會(huì)造成危害，它影響精密儀器設(shè)備的功能、降低加工零件的精度和表面質(zhì)量，也加劇了構(gòu)件的疲勞破壞和磨損，導(dǎo)致構(gòu)件損壞造成事故。另外，隨著高層柔性建筑的不斷涌現(xiàn)，超低頻、大幅值、多參量的振動(dòng)測(cè)量也愈來(lái)愈引起工程界的重視。對(duì)這些振動(dòng)特性的研究均屬于超低頻振動(dòng)的研究范疇。在工程上，振動(dòng)測(cè)量是一個(gè)十分重要的工作，通過(guò)振動(dòng)測(cè)量可以確定振動(dòng)的加速度、速度和位移等數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計(jì)、故障的檢測(cè)與預(yù)防提供依據(jù)。在實(shí)際的結(jié)構(gòu)件振動(dòng)測(cè)量中需要測(cè)量很多點(diǎn)數(shù)據(jù)，少則十幾個(gè)，多則上百個(gè)，為了進(jìn)一步理論分析的需要，這些信號(hào)必須是同步采集，要求采集系統(tǒng)對(duì)信號(hào)要做到同步觸發(fā)、同步采集。在一些特殊應(yīng)用中還需要測(cè)量一些瞬態(tài)信號(hào)，比如沖擊爆炸，這就要求采集儀的采集速度很高，而且具有存儲(chǔ)和回放功能。振動(dòng)測(cè)量使用的傳感器也有很多種類，就測(cè)量種類之分有加速度傳感器，速度傳感器和位移傳感器；就傳感器輸出信號(hào)類型有電壓型和電荷型，相應(yīng)的采集系統(tǒng)要具備不同的前端信號(hào)處理裝置來(lái)匹配不同
類型的傳感器。如電荷輸出型傳感器，在使用時(shí)需要配備電荷放大器使用，目前市面上的多通道電荷放大器大多體積較大，價(jià)格昂貴；多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多是電壓輸入型，很少具備電荷型傳感器輸入接口。
現(xiàn)有技術(shù)中，目前主要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究大致如下，(1)郭宏，基于USB2.0多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006 (5): 496-499;提供了一種同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立方法，但是其只有四個(gè)采樣通道，無(wú)法滿足振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域的需要。(2)李春梅，基于USB2.0的多路高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制，電子科技大學(xué)碩士論文，2007;給出了數(shù)據(jù)采集的總體方案和前端模擬信號(hào)處理的模型電路，其模擬處理電路設(shè)計(jì)不具備程控功能，無(wú)法滿足不同的傳感器類型；其采集通道只有8個(gè)，而且是采用輪詢的方式實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的采集，采集到的不是同步信號(hào)。(3)發(fā)明人為趙珞成，李曉明，曾偉民，多通道數(shù)據(jù)采集方法及裝置，中國(guó)專利文獻(xiàn)，公開(kāi)號(hào)為CN 1584815，
公開(kāi)日為2005年2月23日；其介紹了一種多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用模塊化設(shè)計(jì)，將模擬信號(hào)處理部分，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分，控制部分做成一個(gè)個(gè)模塊， 一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊可以連接兩個(gè)或兩個(gè)以上模擬信號(hào)處理模塊，利用模擬開(kāi)關(guān)切換各個(gè)模擬通道的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)通道信號(hào)的采集；總控制器可以連接多個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)這種級(jí)聯(lián)方式可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道信號(hào)的釆集，而且模塊可以根據(jù)需要擴(kuò)展，更換；但是這都局限于異步信號(hào)的采集，不能實(shí)現(xiàn)同步采集，并且數(shù)據(jù)采集速度不高，無(wú)法滿足振動(dòng)信號(hào)采集的要求。(4)發(fā)明人為蔡遠(yuǎn)文，張迎新，陳勝等，多通道數(shù)據(jù)采集方法系統(tǒng)及方法，中國(guó)文獻(xiàn)公開(kāi)好為CN101169635，
公開(kāi)日為2008年4月30日；其介紹了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用在臺(tái)式計(jì)算機(jī)主板插槽上安裝采集卡的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，釆集卡上有多個(gè)ADC，可以實(shí)現(xiàn)多通道的同步信號(hào)采集，同時(shí)也有記錄分析和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能；但是受采集卡的體積和本身硬件資源的限制， 一塊采集卡上的通道數(shù)量有一定的限制，由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部資源的限制，采集卡的安裝個(gè)數(shù)也有限，這樣整個(gè)系統(tǒng)的同步采樣通道數(shù)有限，由于板卡需安裝于臺(tái)式計(jì)算機(jī)內(nèi)，體積龐大，不具備便攜式的要求?？傊F(xiàn)有技術(shù)中，還沒(méi)有能適應(yīng)于振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中，滿足振動(dòng)信號(hào)采集要求，并同時(shí)具有多個(gè)采樣通道和同步信號(hào)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并且現(xiàn)有振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不具備程控功能，無(wú)法滿足不同傳感器類型，采集速度不高，不具備瞬態(tài)采集功能；前端信號(hào)處理功能單一，智能化程度低，同步采集通道數(shù)量有限；而且每個(gè)處理模塊單獨(dú)做成一個(gè)系統(tǒng)，使用時(shí)需要將各個(gè)系統(tǒng)連接起來(lái)，導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)體積龐大，接線繁瑣，系統(tǒng)整體智能化降低，使用不方便，人為故障率提高，成本亦大幅提高。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種適應(yīng)于振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中，完全滿足振動(dòng)信號(hào)采集要求，同時(shí)具有多個(gè)采樣通道和能采集同步信號(hào)的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本發(fā)明還具有程控功能，能滿足不同傳感器類型需要；采集速度高，體積小，并且具有普通實(shí)時(shí)采集和瞬態(tài)采集兩種采集功能，不但能應(yīng)用于低頻振動(dòng)測(cè)試，也適合于沖擊、爆炸等高頻振動(dòng)測(cè)試。
本發(fā)明是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，其特征在于包括信號(hào)前端處理模塊，單片機(jī)集成控制模塊，數(shù)據(jù)通訊模塊和采集計(jì)算機(jī)；兩個(gè)前端處理模塊和一個(gè)單片機(jī)集成模塊形成一張采集卡，多個(gè)采集卡插接在共用的地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，數(shù)據(jù)通訊模塊的一端也插接在共用的地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，另一端經(jīng)USB通訊線與采集計(jì)算機(jī)連接；
所述信號(hào)前端處理模塊包括電荷放大器部分，儀表放大器部分，信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分，程控放大器部分，調(diào)零部分和程控低通濾波器部分，傳感器信號(hào)根據(jù)自身是電荷輸出型或電壓輸出型的類別分別輸入至電荷放大器部分或儀表放大器部分，程控放大器部分控制所述信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分切換選擇其中一種類別的信號(hào)進(jìn)入所述程控放大器部分，調(diào)零部分在零輸入狀態(tài)下對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和傳感器零點(diǎn)進(jìn)行修正，信號(hào)經(jīng)放大調(diào)零后輸入至程控濾波器部分處理；
所述單片機(jī)集成控制模塊，包括單片機(jī)壹，單片機(jī)壹包括與所述地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線相連的io接口壹，兩個(gè)獨(dú)立16位的ADC，分別為ADC0和ADC1，所述ADC上設(shè)有外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)引腳，經(jīng)一個(gè)信號(hào)前端處理模塊輸入的模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC0，經(jīng)另一個(gè)信號(hào)前端處理模塊輸入的模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC1，
和控制所述ADC0和ADC1的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式，轉(zhuǎn)換速度，數(shù)據(jù)的處理方式，同時(shí)控制所述IO接口的狀態(tài)的微控制器內(nèi)核；
所述數(shù)據(jù)通訊模塊，至少由集成USB2.0的控制器的單片機(jī)威組成，單片機(jī)貳經(jīng)10接口貳插接在地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，并連接所有所述單片機(jī)集成控制模塊上的ADC外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)引腳；
所述采集板為多個(gè)，多個(gè)前端處理模塊輸入的多個(gè)測(cè)試通道經(jīng)級(jí)聯(lián)組合。
所述單片機(jī)集成控制模塊還包括外擴(kuò)內(nèi)存，所述ADC上設(shè)有DMA，ADC的采樣率為1M， ADC0， ADC1與微控制器內(nèi)核和DMA相連接，單片機(jī)壹經(jīng)外部存儲(chǔ)器接口與所述外擴(kuò)內(nèi)存連接，所述DMA經(jīng)外部存儲(chǔ)器接口直接寫(xiě)所述外擴(kuò)內(nèi)存。
所述測(cè)試通道為128個(gè)，每16個(gè)測(cè)試通道為一組，每組單獨(dú)使用或通過(guò)級(jí)聯(lián)任意組合使用。
所述程控放大器部分由兩組程控運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)而成，用于實(shí)現(xiàn)1， 2,4， 8， 10， 20， 40， 80， 100， 200，魏800， 1000， 2000, 4000， 8000，共16種放大倍數(shù)。
所述程控低通濾波器部分是由實(shí)現(xiàn)截止頻率為1HZ-3KHZ的低通濾波，和實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)為1HZ的截止頻率調(diào)節(jié)的程控低通開(kāi)關(guān)電容濾波器組成。其截止頻率是由外部信號(hào)的頻率決定，單片機(jī)集成控制模塊通過(guò)IO接口壹給所述程控低通濾波器提供一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)截止頻率為1HZ-3KHZ的低通濾波，并可以實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)為1HZ的截止頻率調(diào)節(jié)。
信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分是單刀雙擲的繼電器。
所述地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線具體是指地址和數(shù)據(jù)總線，時(shí)鐘線和ADC的公共觸發(fā)總線。
所述信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分，程控放大器部分，調(diào)零部分和程控低通濾波器部分的控制是通過(guò)所述單片機(jī)集成模塊實(shí)現(xiàn)的。
所述ADC即模數(shù)轉(zhuǎn)換器的英文簡(jiǎn)寫(xiě)，所述DMA即存儲(chǔ)器直接訪問(wèn)的英文簡(jiǎn)寫(xiě)。
與以背景技術(shù)中所羅列的為代表的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)
在
1、本發(fā)明由于采用"前端處理模塊，單片機(jī)集成控制模塊，數(shù)據(jù)通訊模塊和采集計(jì)算機(jī)相連，并且多個(gè)前端處理模塊和單片機(jī)集成控制模塊形成的多個(gè)采集卡都插接在一個(gè)共用的地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，多個(gè)測(cè)試通道經(jīng)級(jí)聯(lián)組合，數(shù)據(jù)通訊模塊上的單片機(jī)貳經(jīng)10接口貳連接所有單片機(jī)集成控制模塊上的ADC外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)引腳"這樣的技術(shù)方案，能完全滿足振動(dòng)信號(hào)的采集要求，并同時(shí)具有多個(gè)采樣通道和實(shí)現(xiàn)了所有測(cè)試通道的同步觸發(fā)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了同步采集的功能；在地址總線和帶寬容許的情況下可以根據(jù)需要任意擴(kuò)展測(cè)試通道的個(gè)數(shù)；除此之外，本方案還具有程控功能，能滿足不同傳感器類型需要，即可采用電荷輸出型傳感器，也可采用電壓輸出型傳感器；將電荷放大器部分，儀表放大器部分，程控放大器部分和程控低通濾波器部分集成到前端處理模塊中；以及將普通釆集功能和瞬時(shí)采集功能都集成在單片機(jī)集成控制模塊中，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性，使本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
2、 本發(fā)明采用"單片機(jī)集成控制模塊還包括外擴(kuò)內(nèi)存，ADC上設(shè)有DMA, ADC的采樣率為1M，單片機(jī)壹經(jīng)外部存儲(chǔ)器接口與外擴(kuò)內(nèi)存連接，DMA經(jīng)外部存儲(chǔ)器接口直接寫(xiě)所述外擴(kuò)內(nèi)存"這樣的技術(shù)方案，硬件自動(dòng)將ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)直接通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口寫(xiě)到外擴(kuò)內(nèi)存中，這個(gè)過(guò)程不需要微控制器內(nèi)核的干預(yù)，由于整個(gè)過(guò)程都是純硬件操作，速度非常快，非常適合瞬態(tài)采集，因此，使得本系統(tǒng)不但能應(yīng)用于低頻振動(dòng)測(cè)試，也適合于沖擊、爆炸等高頻振動(dòng)測(cè)試。另外本發(fā)明不僅可以應(yīng)用在振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域，還可以通過(guò)匹配其它類型的傳感器應(yīng)用于其它測(cè)試領(lǐng)域，如壓力測(cè)量，位移測(cè)量，溫度測(cè)量，濕度測(cè)量，具備一機(jī)多用的功能。
3、 高智能化，將嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)，可以在計(jì)算機(jī)上通過(guò)軟件系統(tǒng)設(shè)置每個(gè)測(cè)試通道的信號(hào)選擇，放大倍數(shù)，濾波截止頻率。另外不同的軟件模塊亦可以實(shí)時(shí)顯示，存儲(chǔ)并分析各個(gè)采集通道的數(shù)據(jù)，得出振動(dòng)測(cè)試需要的參數(shù)。高精確度，在計(jì)算機(jī)的控制下，按照設(shè)定參數(shù)運(yùn)行，不需要人工干預(yù)，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性；系統(tǒng)采用的16位的高精度的ADC，從硬件上提高了系統(tǒng)的整體測(cè)量精度。高可靠性，本系統(tǒng)使用的器件大多采用高集成度可編程器件，簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)調(diào)試工作，提高可靠性。易擴(kuò)展性，在地址總線和帶寬容許的情況下可以根據(jù)需要任意擴(kuò)展通道數(shù)， 一個(gè)采集卡上是集成兩個(gè)通道，如需要32個(gè)通道就需要16張采集卡。用戶不僅可以匹配數(shù)據(jù)采集的采集卡也可以匹配其它的功能的采集卡，如控制功能的釆集卡，通訊功能的采集卡。另外在采集計(jì)算機(jī)上使用的軟件部分還具有較高的通用性，兼容性，容錯(cuò)性和可維護(hù)性，用戶只要對(duì)軟件稍加改動(dòng)就可以增加本系統(tǒng)的功能，為以后的擴(kuò)展留有較大的平臺(tái)。


下面將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)
明，其中
圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框2為前端處理模塊的結(jié)構(gòu)框3為單片機(jī)集成控制模塊內(nèi)部框4為放大倍數(shù)譯碼參數(shù)表具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
參照說(shuō)明書(shū)附圖1、 2和3，本發(fā)明公開(kāi)了一種多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，包括信號(hào)前端處理模塊，單片機(jī)集成控制模塊，數(shù)據(jù)通訊模塊和采集計(jì)算機(jī)；兩個(gè)前端處理模塊和一個(gè)單片機(jī)集成模塊形成一張采集卡，多個(gè)采集卡插接在共用的地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，數(shù)據(jù)通訊模塊的一端也插接在共用的地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，另一端經(jīng)USB通訊線與采集計(jì)算機(jī)連接；所述信號(hào)前端處理模塊包括電荷放大器部分，儀表放大器部分，信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分，程控放大器部分，調(diào)零部分和程控低通濾波器部分，傳感器信號(hào)根據(jù)自身是電荷輸出型或電壓輸出型的類別分別輸入至電荷放大器部分或儀表放大器部分，程控放大器部分控制所述信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分切換選擇其中一種類別的信號(hào)進(jìn)入所述程控放大器部分，調(diào)零部分在零輸入狀態(tài)下對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和傳感器零點(diǎn)進(jìn)行修正，信號(hào)經(jīng)放大調(diào)零后輸入至程控濾波器部分處理；所述單片機(jī)集成控制模塊，包括單片機(jī)壹，單片機(jī)壹包括與所述地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線相連的10接口壹，兩個(gè)獨(dú)立16位的ADC，分別為ADCO和ADC1，所述ADC上設(shè)有外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)引腳，經(jīng)一個(gè)信號(hào)前端處理模塊輸入的模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC0，經(jīng)另一個(gè)信號(hào)前端處理模塊輸入的模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC1，和控制所述ADC0和ADC1的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式，轉(zhuǎn)換速度，數(shù)據(jù)的處理方式，同時(shí)控制所述IO接口的狀態(tài)的微控制器內(nèi)核；所述數(shù)據(jù)通訊模塊，至少由集成USB2.0的控制器的單片機(jī)貳組成，單片機(jī)貳經(jīng)10接口貳插接在地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，并連接所有所述單片機(jī)集成控制模塊上的ADC外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)引腳；所述采集板為多個(gè)，多個(gè)前端處理模塊輸入的多個(gè)測(cè)試通道經(jīng)級(jí)聯(lián)組合。本實(shí)施例可適用于普通采集實(shí)時(shí)采集模式。
實(shí)施例2
在實(shí)施例l的基礎(chǔ)上，所述單片機(jī)集成控制模塊還包括外擴(kuò)內(nèi)存，所述ADC上設(shè)有DMA, ADC的采樣率為1M， ADCO， ADC1與微控制器內(nèi)核和DMA相連接，單片機(jī)壹經(jīng)外部存儲(chǔ)器接口與所述外擴(kuò)內(nèi)存連接，所述DMA經(jīng)外部存儲(chǔ)器接口直接寫(xiě)所述外擴(kuò)內(nèi)存。本實(shí)施例可適用于普通實(shí)時(shí)采集模式和瞬態(tài)采集模式。
實(shí)施例3
在實(shí)施例1和2的基礎(chǔ)上，所述測(cè)試通道為128個(gè)，每16個(gè)測(cè)試通道為一組，每組單獨(dú)使用或通過(guò)級(jí)聯(lián)任意組合使用。所述程控放大器部分由兩組程控運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)而成，用于實(shí)現(xiàn)l， 2， 4， 8， 10, 20, 40， 80，100， 200， 400， 800， 1000， 2000， 4000， 8000，共16種放大倍數(shù)。所述程控低通濾波器部分是由實(shí)現(xiàn)截止頻率為1HZ-3KHZ的低通濾波，和實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)為1HZ的截止頻率調(diào)節(jié)的程控低通開(kāi)關(guān)電容濾波器組成。其截止頻率是由外部信號(hào)的頻率決定，單片機(jī)集成控制模塊通過(guò)10接口壹給所述程控低通濾波器提供一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)截止頻率為1HZ-3KHZ的低通濾波，并可以實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)為1HZ的截止頻率調(diào)節(jié)。信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分是單刀雙擲的繼電器。所述地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線具體是指地址和數(shù)據(jù)總線，時(shí)鐘線和ADC的公共觸發(fā)總線。所述信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分，程控放大器部分，調(diào)零部分和程控低通濾波器部分的控制是通過(guò)所述單片機(jī)集成模塊實(shí)現(xiàn)的。所述ADC即模數(shù)轉(zhuǎn)換器的英文簡(jiǎn)寫(xiě)，所述DMA即存儲(chǔ)器直接訪問(wèn)的英文簡(jiǎn)寫(xiě)。實(shí)施例4
本發(fā)明一較佳實(shí)施方式如下
參見(jiàn)圖l所示，本發(fā)明所示的采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用子插板和背板(集控板)的總體結(jié)構(gòu)。 一張子插板即是一張采集卡，包含兩個(gè)所述的信號(hào)采集通道；采集卡上集成的模塊包括兩個(gè)前端處理模塊和一個(gè)單片機(jī)集成控制模塊。背板(集控板)將每張采集卡接插在同一地址，數(shù)據(jù)，時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，與數(shù)據(jù)通訊模塊連接。背板(集控板)上有一定數(shù)量的插槽，對(duì)應(yīng)相應(yīng)數(shù)量的采集卡，進(jìn)而對(duì)應(yīng)的采集通道數(shù)亦就是采集卡數(shù)量的兩倍；另外背板還具有擴(kuò)展功能，在總線帶寬允許的條件下可以將兩個(gè)或更多的背板通過(guò)級(jí)聯(lián)方式連接在一起構(gòu)成更多采集通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通訊模塊負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)和每張采集卡的通訊工作(數(shù)據(jù)的分發(fā)和收集)，還負(fù)責(zé)為各通道ADC提供觸發(fā)信號(hào)，其通過(guò)USB電纜與計(jì)算機(jī)連接。
參見(jiàn)圖2所示，為前端處理模塊的結(jié)構(gòu)框圖，電荷放大器部分對(duì)應(yīng)的是電荷輸出型的傳感器，儀表放大器部分對(duì)應(yīng)的是電壓輸出型傳感器，而后經(jīng)過(guò)一個(gè)單刀雙擲的繼電器選擇兩部分信號(hào)之一進(jìn)入后面的程控放大濾波和調(diào)零部分處理后進(jìn)入單片機(jī)集成模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。這幾部分的控制由單片機(jī)集成控制模塊控制。
參見(jiàn)圖3所示，單片機(jī)集成控制模塊包含微控制器內(nèi)核，IO接口壹，ADCO， ADC1， DMA，外部存儲(chǔ)器接口和外擴(kuò)內(nèi)存；ADC0， ADC1與微控制器內(nèi)核和DMA相連接。DMA可以通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口直接寫(xiě)外擴(kuò)內(nèi)存。微控制器內(nèi)核可以控制ADC0和ADC1的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式，轉(zhuǎn)換速度，數(shù)據(jù)的處理方式，同時(shí)控制IO接口壹的狀態(tài)；ADC的采樣分辨率為16位。
實(shí)施例5
作為一較佳的普通實(shí)時(shí)采集模式如下
普通實(shí)時(shí)采集模式就是每個(gè)測(cè)試通道按照既定的頻率釆集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分批實(shí)時(shí)傳回至采集計(jì)算機(jī)的模式。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，配置完成后便可以進(jìn)行采集。
參數(shù)配置具體操作流程和系統(tǒng)工作原理介紹如下
91. 在計(jì)算機(jī)的軟件上選擇普通實(shí)時(shí)采集模式，設(shè)置相應(yīng)的釆集參數(shù)， 并通過(guò)USB接口發(fā)送至數(shù)據(jù)通訊模塊。所述參數(shù)包括采集通道號(hào)，信號(hào) 類型，放大倍數(shù)，濾波截止頻率，采樣率。采集通道號(hào)表示需要進(jìn)行采集 的通道在系統(tǒng)中的物理標(biāo)號(hào)；信號(hào)類型表示前端處理模塊配接的傳感器的 類型，分為電荷輸出型和電壓輸出型兩種；放大倍數(shù)如前面所述的一樣有 16種；濾波截止頻率可以從1HZ 3KHZ實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；采樣率為1秒中 采集多少個(gè)樣本點(diǎn)，從1K到IOK可以任意設(shè)置，因?yàn)楸景l(fā)明的是同步系 統(tǒng)，每個(gè)通道的采樣均是同步的，所有通道只能使用一個(gè)采樣率。
2. 數(shù)據(jù)通訊模塊接收到配置數(shù)據(jù)，將每個(gè)通道配置數(shù)據(jù)發(fā)送至相應(yīng)通 道的單片機(jī)集成控制模塊，單片機(jī)貳通過(guò)給出不同的地址位選中不同的通 道，在此預(yù)留7位地址線，可以選擇128個(gè)通道，在選中通道后，將配置 數(shù)據(jù)通過(guò)公用數(shù)據(jù)總線發(fā)送至被選中單片機(jī)集成控制模塊。系統(tǒng)的采樣率 配置的實(shí)現(xiàn)是在單片機(jī)貳上實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)威根據(jù)具體的采樣率數(shù)值設(shè)置 其定時(shí)器的定時(shí)參數(shù)，以在其控制10上產(chǎn)生固定頻率，固定占空比的方 波，進(jìn)而給所有采集卡上ADC提供外部轉(zhuǎn)觸發(fā)信號(hào)，這樣就做到同步采 樣，滿足了振動(dòng)測(cè)試的要求，假設(shè)系統(tǒng)的采樣為1K，那么單片機(jī)武每lms 產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，所有通道的ADC都開(kāi)始轉(zhuǎn)換。 一般的振動(dòng)測(cè)試為低 頻振動(dòng)測(cè)試，本發(fā)明普通實(shí)時(shí)采集模式在128通道都被使用時(shí)提供0.5K的 采樣率，完全可以滿足采樣率的要求。
3. 單片機(jī)集成模塊接收到通道配置數(shù)據(jù)后，對(duì)通道進(jìn)行配置。由于一 個(gè)單片機(jī)集成控制模塊控制兩個(gè)通道的參數(shù)控制，根據(jù)其被配置的通道， 對(duì)配置數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，進(jìn)而在相應(yīng)通道控制10上輸出相應(yīng)的電平信號(hào)， 如圖2所示，若選中電荷型輸出傳感器，就在控制繼電器的10上輸出低 電平，電荷放大器輸出的信號(hào)被接通，反之，若是電壓輸出型傳感器就輸 出高電平，儀表放大器輸出的信號(hào)被接通；放大倍數(shù)由四根控制線控制， 其譯碼可以到16種放大倍數(shù)，具體譯碼參數(shù)如圖4所示，單片機(jī)壹根據(jù)具 體的放大倍數(shù)譯碼輸出電平即可實(shí)現(xiàn)對(duì)程控放大器的控制；程控低通濾波 器的截止頻率是由單片機(jī)壹控制10輸出的脈沖頻率決定，根據(jù)具體的頻 率通過(guò)定時(shí)器中斷的方式在10上輸出既定頻率的方波即可實(shí)現(xiàn)控制。調(diào) 零就是是否需要通過(guò)調(diào)零部分對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，系統(tǒng)自動(dòng)完成，其原理是， 單片機(jī)壹通過(guò)軟件啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)采樣值和設(shè)定的零點(diǎn)計(jì)算出誤差值， 再根據(jù)放大倍數(shù)計(jì)算出DAC的控制數(shù)據(jù)，輸出既定的補(bǔ)償電壓，在啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)采樣值和零點(diǎn)值進(jìn)行比較，若大于零點(diǎn)值調(diào)小DAC輸出的 補(bǔ)償電壓一個(gè)分辨位，相反則增加一個(gè)分辨位的補(bǔ)償電壓，如此反復(fù)循環(huán)， 直到采樣值與零點(diǎn)值的差在允許的范圍之內(nèi)。單片機(jī)壹中的ADC轉(zhuǎn)換方 式有幾種，有內(nèi)部軟件觸發(fā)，定時(shí)器觸發(fā)，外部觸發(fā)，輸出處理方式有兩 種，DMA模式和常規(guī)模式，在普通實(shí)時(shí)采集模式下要配置為常規(guī)模式，常 規(guī)模式就是用微控制器內(nèi)核通過(guò)軟件來(lái)處理ADC轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)上面所述的過(guò)程之后普通工作的配置模式完成，就可以完成采集， 接下來(lái)詳細(xì)介紹完成從啟動(dòng)采集到第一組數(shù)據(jù)被傳回計(jì)算機(jī)的原理和過(guò)程 方法在計(jì)算機(jī)的軟件上啟動(dòng)采集命令，軟件通過(guò)USB端口發(fā)送一個(gè)啟動(dòng) 指令，單片機(jī)威接收到采集指令后啟動(dòng)定時(shí)器，按照設(shè)定頻率中斷，在中 斷服務(wù)程序中，首先產(chǎn)生一個(gè)上升沿的啟動(dòng)信號(hào)，所有被選中通道的AD 同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，待轉(zhuǎn)換完成后，單片機(jī)貳依次輪流讀取各通道的數(shù)據(jù)，首 先單片機(jī)戴在地址線上給出第一個(gè)被選通道的地址譯碼，這樣被選單片機(jī)
壹就會(huì)把ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線上，再給出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，單 片機(jī)貳就把數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)讀取并存儲(chǔ)在固定的存儲(chǔ)空間上，依次按照此 方法讀取另一通道，直到所有被選中通道被讀取完畢，這樣單片機(jī)貳就將 一次轉(zhuǎn)換的所有數(shù)據(jù)收集完成，在下一次中斷時(shí)重復(fù)這個(gè)過(guò)程。采集計(jì)算 上的軟件定時(shí)讀取單片機(jī)貳上的采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)貳會(huì)將這些數(shù)據(jù)打包通 過(guò)USB2.0接口發(fā)送至計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，這就是一次完成的 采集過(guò)程。依照上面的過(guò)程循環(huán)進(jìn)行采集就可以完成普通實(shí)時(shí)采集模式的 功能。
實(shí)施例6
作為一較佳的瞬態(tài)采集模式如下
瞬態(tài)采集模式是以高速采樣率采樣將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在每張采集卡上單 片機(jī)集成模塊上的外擴(kuò)內(nèi)存中，在瞬態(tài)采集結(jié)束后，數(shù)據(jù)通訊模塊將每個(gè)
外擴(kuò)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀取再通過(guò)USB2.0接口發(fā)送至計(jì)算機(jī)，完成一次瞬態(tài) 采集過(guò)程。
通道的參數(shù)配置流程和實(shí)施例5中的相同，在單片機(jī)壹對(duì)ADC轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)的處理有所不同，具體為單片機(jī)壹將ADC配置為外部啟動(dòng)模式， DMA模式；DMA模式是在每一次ADC轉(zhuǎn)換完成后，硬件自動(dòng)將ADC轉(zhuǎn) 換數(shù)據(jù)直接通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口寫(xiě)到外擴(kuò)內(nèi)存中，這個(gè)過(guò)程不需要CPU的 干預(yù)，如圖3所示，由于整個(gè)過(guò)程是純硬件操作，速度非?？欤浅＿m合 瞬態(tài)采集模式。若一張采集卡外擴(kuò)內(nèi)存為128K,采樣率為IOK,ADC轉(zhuǎn)換 的精度為16位(2字節(jié))，如果只對(duì)一個(gè)通道進(jìn)行瞬態(tài)采集，可以連續(xù)進(jìn) 行6.04s的瞬態(tài)采集，如果兩個(gè)通道都使用可以進(jìn)行3.02s的瞬態(tài)采集；若 提高采樣率，由于外擴(kuò)內(nèi)存容量的限制，瞬態(tài)采樣的時(shí)間會(huì)減少，若擴(kuò)充 外擴(kuò)內(nèi)存的容量，可以在高采樣率的條件下，延長(zhǎng)瞬態(tài)采集時(shí)間。ADC轉(zhuǎn) 換需要的外部觸發(fā)信號(hào)還是由單片機(jī)按實(shí)施例1中所述的方式提供既定頻 率的觸發(fā)信號(hào)。
瞬態(tài)采集完成后，計(jì)算機(jī)先將讀取的通道號(hào)發(fā)送至信號(hào)通訊模塊，單 片機(jī)貳在地址線上給出被選通道的地址譯碼，單片機(jī)貳讀取外擴(kuò)內(nèi)存中存 儲(chǔ)的一次ADC數(shù)據(jù)放置在總線上，單片機(jī)貳將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)讀取到 內(nèi)存中，再根據(jù)既定時(shí)序依次將存儲(chǔ)的所有ADC數(shù)據(jù)依次讀取到單片機(jī) 貳的內(nèi)存中，單片機(jī)壹也將外擴(kuò)內(nèi)存中數(shù)據(jù)按次序讀取出來(lái)放置在數(shù)據(jù)總線上；單片機(jī)貳將所有數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口發(fā)送至計(jì)算機(jī)。然后計(jì)算機(jī)在按 照相同的方法讀取下一個(gè)被選通道直到把所有的通道讀取完畢完成一次瞬 態(tài)采集過(guò)程。
本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，根據(jù)上述實(shí)施例的描述，本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員還可對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行任意組合和顯而易見(jiàn)的改變，但這并不脫離 本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，其特征在于包括信號(hào)前端處理模塊，單片機(jī)集成控制模塊，數(shù)據(jù)通訊模塊和采集計(jì)算機(jī)；兩個(gè)前端處理模塊和一個(gè)單片機(jī)集成模塊形成一張采集卡，多個(gè)采集卡插接在共用的地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，數(shù)據(jù)通訊模塊的一端也插接在共用的地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，另一端經(jīng)USB通訊線與采集計(jì)算機(jī)連接；所述信號(hào)前端處理模塊包括電荷放大器部分，儀表放大器部分，信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分，程控放大器部分，調(diào)零部分和程控低通濾波器部分，傳感器信號(hào)根據(jù)自身是電荷輸出型或電壓輸出型的類別分別輸入至電荷放大器部分或儀表放大器部分，程控放大器部分控制所述信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分切換選擇其中一種類別的信號(hào)進(jìn)入所述程控放大器部分，調(diào)零部分在零輸入狀態(tài)下對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和傳感器零點(diǎn)進(jìn)行修正，信號(hào)經(jīng)放大調(diào)零后輸入至程控濾波器部分處理；所述單片機(jī)集成控制模塊，包括單片機(jī)壹，單片機(jī)壹包括與所述地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線相連的IO接口壹，兩個(gè)獨(dú)立16位的ADC，分別為ADC0和ADC1，所述ADC上設(shè)有外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)引腳，經(jīng)一個(gè)信號(hào)前端處理模塊輸入的模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC0，經(jīng)另一個(gè)信號(hào)前端處理模塊輸入的模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)ADC1，和控制所述ADC0和ADC1的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式，轉(zhuǎn)換速度，數(shù)據(jù)的處理方式，同時(shí)控制所述IO接口的狀態(tài)的微控制器內(nèi)核；所述數(shù)據(jù)通訊模塊，至少由集成USB2.0的控制器的單片機(jī)貳組成，單片機(jī)貳經(jīng)IO接口貳插接在地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，并連接所有所述單片機(jī)集成控制模塊上的ADC外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)引腳；所述采集板為多個(gè)，多個(gè)前端處理模塊輸入的多個(gè)測(cè)試通道經(jīng)級(jí)聯(lián)組合。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，其特征在于 所述單片機(jī)集成控制模塊還包括外擴(kuò)內(nèi)存，所述ADC上設(shè)有DMA， ADC 的采樣率為1M， ADC0， ADC1與微控制器內(nèi)核和DMA相連接，單片機(jī) 壹經(jīng)外部存儲(chǔ)器接口與所述外擴(kuò)內(nèi)存連接，所述DMA經(jīng)外部存儲(chǔ)器接口 直接寫(xiě)所述外擴(kuò)內(nèi)存。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，其特征 在于所述測(cè)試通道為128個(gè)，每16個(gè)測(cè)試通道為一組，每組單獨(dú)使用或 通過(guò)級(jí)聯(lián)任意組合使用。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，其特征 在于所述程控放大器部分由兩組程控運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)而成，用于實(shí)現(xiàn)l， 2， 4， 8， 10， 20， 40, 80， 100， 200， 400，羅，1000， 2000， 4000， 8000， 共16種放大倍數(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，其特征在于所述程控低通濾波器部分是由實(shí)現(xiàn)截止頻率為1HZ-3KHZ的低通濾波，和實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)為1HZ的截止頻率調(diào)節(jié)的程控低通開(kāi)關(guān)電容濾波器組成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，其特征在于信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分是單刀雙擲的繼電器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，其特征在于所述地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線具體是指地址和數(shù)據(jù)總線，時(shí)鐘線和ADC的公共觸發(fā)總線。
8、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)切換開(kāi)關(guān)部分，程控放大器部分，調(diào)零部分和程控低通濾波器部分的控制是通過(guò)所述單片機(jī)集成模塊實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，包括信號(hào)前端處理模塊，單片機(jī)集成控制模塊，數(shù)據(jù)通訊模塊和采集計(jì)算機(jī)；兩個(gè)前端處理模塊和一個(gè)單片機(jī)集成模塊形成一張采集卡，多個(gè)采集卡插接在共用的地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，數(shù)據(jù)通訊模塊的一端也插接在共用的地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和觸發(fā)總線上，另一端經(jīng)USB通訊線與采集計(jì)算機(jī)連接；本發(fā)明能完全滿足振動(dòng)信號(hào)采集要求，同時(shí)具有多個(gè)采樣通道和采集同步信號(hào)功能，本發(fā)明還具有程控功能，能滿足不同傳感器類型需要；采集速度高，體積小，并且具有普通實(shí)時(shí)采集和瞬態(tài)采集兩種采集功能，不但能應(yīng)用于低頻振動(dòng)測(cè)試，也適合于沖擊、爆炸等高頻振動(dòng)測(cè)試。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101566845SQ20091005950
公開(kāi)日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者李晉川, 樊瑜波, 王汝恒, 鄒遠(yuǎn)文, 陳國(guó)平, 黃學(xué)進(jìn) 申請(qǐng)人:西南科技大學(xué);四川大學(xué)