【導讀】在機器健康診斷系統中，便攜式信號采集發(fā)揮了很高的價(jià)值。本文中主要深入研究了操作簡(jiǎn)單而且成本低廉的低頻便攜式信號采集。設計中以單片機PIC18F1320作為核心，設計出能夠實(shí)現信號采集并保存的信號采集電路。系統采用的芯片是串行電可擦除芯片24LC32A，該芯片能夠保存數據，經(jīng)過(guò)有線(xiàn)通信，將信號數據從串行口輸送到微型計算機接受并保存，最后繪制出信號的波形。微型計算機程序采用Visual Basic編程，研究結果表明成功采樣頻率為3KHz的復雜信號。
信號采集設備廣泛使用于機器健康診斷系統中用來(lái)記錄、監視和診斷。機器情況數據經(jīng)常由非便攜式或者帶導線(xiàn)的設備收集。對于一些重要的應用，比如危險或者遙遠的地點(diǎn)，尤其是在航空上，提供可以方便地攜帶或者讀取的設備是必要的。另外，機器健康診斷尤其是機床振動(dòng)信號診斷經(jīng)常處理低頻信號，這值得關(guān)注。
本文研究一種微控制器為基礎的信號采集系統，以滿(mǎn)足信號采集的低成本和靈活模式。開(kāi)發(fā)系統的主要硬件包括一臺微型計算機、一個(gè)以PIC18F1320為基礎的微控制器電路板以及串行通訊鏈接設備。EEPROM 24LC32A被用來(lái)進(jìn)行存儲器擴展。微型計算機運行控制程序。一旦用戶(hù)在微型計算機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。微型計算機和微控制器通過(guò)特定的協(xié)議通信。微型計算機告知微控制器模-數轉換的采樣間隔、采樣次數與采樣通道。電路板的設計考慮了開(kāi)放式結構。該系統采用了24引腳易于插拔的插座來(lái)容納Micro-chip微控制器。微處理器將調制的信號轉換成數據直接輸送到微型計算機或者存儲于EEPROM以便將來(lái)讀取。不同的命令與反饋代表系統的不同操作。電路板通過(guò)串行電纜在采集完信號后連接到微型計算機交互，也可以即時(shí)連接和傳送。
一、系統硬件設計
系統的主要原理圖如圖1所示。其中PIC18F1320控制器采用5 V電源供電，支持在線(xiàn)串行編程，最高時(shí)鐘頻率達到40 MHz，通訊波特率可以自動(dòng)檢測。端口A(yíng)是雙向輸入／輸出復用管腳，ANO等管腳被定義成模擬輸入，由用戶(hù)進(jìn)行采樣通道的選擇?？偣灿?3個(gè)模／數轉換通道且采樣時(shí)間可以編程。通道輸入的被測信號經(jīng)過(guò)電子電路調制成符合微控制器電氣要求的信號。調制信號經(jīng)過(guò)轉換變成寄存器內的數據，模數轉換的參考電壓為+5 V。電路板可在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(xiàn)設置與終端用戶(hù)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)標準級的MAX232芯片被使用以保證正確的數據傳輸(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1 μF。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。微控制器的存儲器擴展使用了32 k的I2C串行EEPROM(見(jiàn)圖3)，數據可以保持200年。EEPROM的地址線(xiàn)A0、A1、A2被接地。串行數據線(xiàn)SDA和串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL被分別連接到微控制器的B端口相應管腳。寫(xiě)保護WP接+5 V。
二、系統軟件設計
1、微型計算機控制程序
微型計算機通過(guò)用戶(hù)友好命令程序或者M(jìn)icrosoft超級終端程序與用戶(hù)交互。兩種程序都有效地與微控制器交換命令和操作數據。
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(hù)命令選擇以及轉換的數據。讀入的數據可以用文本的形式保存。信號波形繪制例子如圖5所示。用戶(hù)應該選擇正確的采樣間隔以保證采樣過(guò)程的準確性。一般來(lái)說(shuō)，通信設置的修改由用戶(hù)負責進(jìn)行。
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、采樣次數和采樣通道的決定。算法采用正確的過(guò)程以保證滿(mǎn)足產(chǎn)品手冊的要求從而獲得更好的模-數轉換和數據記錄成功。在采樣過(guò)程結束后，數據轉換信息通過(guò)串口以48 00、9 600或者19 200 b／s波特率輸送給微型計算機。該波特率由用戶(hù)和編程者給定。
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。為了驗證程序和芯片上的EEPROM數據，MPLAB IDE 6．5被采用。該軟件描述了微控制器部分內存消耗情況，這有助于用戶(hù)了解內存的使用百分比以及EEPROM和RAM是如何被安排來(lái)存儲程序算法和轉換的數據。
結語(yǔ)：本文深入研究了新型的操作簡(jiǎn)單且成本低廉的信號采集系統，對其制作過(guò)程以及編程方面都進(jìn)行分析，方案設計的結果證明機器健康診斷信號采集做到簡(jiǎn)單低成本的設計思路是可行的。但是精度及容量擴展方面還需進(jìn)一步完善。
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