專利名稱：精確測量相位的嵌入式數據采集器的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過利用直接傳導到檢測器測量固體中的振動裝置，特別是涉及一種精確測量相位的嵌入式數據采集器。
背景技術：
本發明是在專利《大型旋轉機組在線狀態監測與故障診斷系統(發明專利號ZL97102397.2)》(下稱專利一)和《一體化振動信號整周期等相位同步數據采集系統高速采集系統(發明專利申請號02145406.x》(下稱專利二)的基礎上提出的。
目前，一般采用電渦流或壓電傳感器，測量旋轉機械的振動信號，可分為幅值和相位兩部分。其中幅值能較精確地測量，可滿足故障診斷的要求，但是因為振動信號、鍵相信號的預處理電路以及鍵相倍頻電路都會影響信號的相位，在實際的數據采集器中，相位測量的精度并不高。相位信息主要有兩種1，振動信號與鍵相信號之間的相位差；2，振動信號不同諧波之間的相位差。第一種相位差還可用于旋轉機械的整機動平衡技術，因此倍受重視。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠精確測量相位的嵌入式數據采集器(這里所說的相位是指振動信號與鍵相信號之間的相位差)，它由預處理電路、A/D轉換電路、FIFO存儲器、鍵相信號倍頻電路和微處理器構成。
為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下本發明的精確測量相位的嵌入式數據采集器，包括預處理電路、A/D模數轉換電路、FIFO先進先出存儲器、鍵相信號倍頻電路、微處理器。其中1)，預處理電路分為振動信號預處理和鍵相信號預處理兩部分，其中振動信號預處理電路的一端和電渦流傳感器相連，信號輸入到分壓電路，分壓電路的輸出分為兩路，一路經低通濾波輸出直流分量，另一路經隔直電路和低通濾波輸出交流分量；鍵相信號預處理電路的一端和電渦流傳感器相連，信號輸入到隔直流電路，經可編程放大器、低通濾波、施密特觸發器輸出數字電平的脈沖信號，可編程放大器、低通濾波器、峰值保持器和比較器還構成一個閉合的自動增益控制回路；
2)，鍵相信號倍頻電路一端連接預處理電路，信號輸入到加法計數器，經預測器、加法器、鎖存器和減法計數器輸出倍頻脈沖信號，輸出信號經第二分頻器輸入到鑒相器中，同時鍵相信號也輸入鑒相器，鑒相器的輸出端連到加法器中，時鐘提供的時鐘信號輸入到減法計數器，并且經第一分頻器輸入到加法計數器。
本發明具有的有益效果是振動信號預處理電路的濾波器采用相位特性好的一價濾波電路，而且振動信號和鍵相信號的預處理電路的參數盡量一致，振動信號的相位誤差減小。AGC電路的引入提高了鍵相信號預處理電路的穩定性。在鍵相倍頻電路中引入了預測環節和鑒相環節，并且用FPGA和軟件結合的方式實現，改善了倍頻電路的性能，同時減小了振動信號的相位誤差。
圖1是數據采集模塊電路框圖；圖2是振動信號預處理電路框圖；圖3是振動信號預處理電路原理圖；圖4是鍵相信號預處理前后波形示意圖；圖5是鍵相信號預處理電路框圖；圖6是倍頻電路框圖；圖7是鍵相信號預處理電路原理圖；圖8是倍頻電路系統圖；圖9是改進后倍頻電路框圖；圖10是鑒相器原理；圖11是倍頻電路改進后系統圖。
具體實施例方式
如圖1所示，精確測量相位的嵌入式數據采集器，包括預處理電路1、A/D模數轉換電路2、FIFO先進先出存儲器3、鍵相信號倍頻電路4、微處理器5。其中1)，預處理電路分為振動信號預處理和鍵相信號預處理兩部分，其中振動信號預處理電路的一端和電渦流傳感器相連，如圖2所示，信號輸入到分壓電路6，分壓電路6的輸出分為兩路，一路經低通濾波7輸出直流分量，另一路經隔直電路8和低通濾波9輸出交流分量；鍵相信號預處理電路的一端和電渦流傳感器相連，如圖5所示，信號輸入到隔直流電路10，經可編程放大器11、低通濾波12、施密特觸發器13輸出數字電平的脈沖信號，可編程放大器11、低通濾波器12、峰值保持器14和比較器15還構成一個閉合的自動增益控制回路；2)，鍵相信號倍頻電路4一端連接預處理電路1，如圖9所示，信號輸入到加法計數器16，經預測器21、加法器22、鎖存器19和減法計數器20輸出倍頻脈沖信號，輸出信號經第二分頻器24輸入到鑒相器23中，同時鍵相信號也輸入鑒相器23，鑒相器23的輸出端連到加法器22中，時鐘18提供的時鐘信號輸入到減法計數器20，并且經第一分頻器17輸入到加法計數器16。
如圖3所示，所說的振動信號預處理電路的分壓器6包括兩個電阻RP2A、RP2B和穩壓二極管D2構成無源分壓電路，運算放大器U18D連接成電壓跟隨器形式，低通濾波7包括電阻R1、電容C13構成一階無源低通濾波器，運算放大器U18C、電阻RP2C、電位器W2構成同相放大器，隔直電路8包括電容C17、電阻R4為一階無源高通濾波器，運算放大器U18B、電阻RP2D、電位器W1構成同相放大器，低通濾波9包括電阻RP2E、電容C19構成一階無源低通濾波器，運算放大器U18A連接成電壓跟隨器。
如圖7所示，所說的鍵相信號預處理電路的隔直流電路10包括電容C12、電阻R16、電阻R11構成無源低通濾波器，運算放大器U12A連接成電壓跟隨器，可編程放大器11包括數模轉換電路U11、運算放大器U12B和電阻R5構成一個反相放大器，數模轉換電路U11的8腳為輸入，并從數模轉換電路U12B的7腳輸出，數模轉換電路U11的D10～D17連接到微處理器上，低通濾波12包括電阻R6、電容C15構成一階無源低通濾波器，數模轉換電路U12D、電阻R10、R12構成同相放大器，施密特觸發器13包括由電阻R14、二極管D2和施密特電路U2F構成，峰值保持器14包括從運算放大器U1B的5腳輸入，經電阻R1、二極管D1輸出，電容C1和電阻R3構成一個電壓保持器，比較器15包括電阻R4、R13、R15對電源電壓進行分壓，作為運算放大器U1A、U1C的基準電壓，電阻R17和二極管D5構成限幅電路，電阻R18和二極管D6構成限幅電路。
本發明提出的數據采集器是嵌入式故障診斷系統的一部分。這個故障診斷系統以嵌入式微控制器(MCU)和嵌入式操作系統(RTOS)為基礎。按功能有3部分組成數據采集、數據分析和Web服務器。
1、數據采集器結構如圖1所示，預處理電路為模擬電路，振動信號和鍵相信號都需要經過預處理，但電路并不一樣。振動信號為4路，鍵相信號1路。鍵相信號倍頻電路對鍵相信號進行倍頻并觸發模/數(A/D)轉換，另一個功能是測量轉速。
A/D轉換電路的芯片信號為MAX125，是一種高速多通道的數據采集芯片，14位字長，每個通道的轉換時間為3uS。片上帶有4個采樣/保持電路，每個采樣/保持電路可復用于2路輸入。這樣可同步采樣4路信號，然后按順序分別進行A/D轉換，將一片MAX125用于4路振動信號的交流和直流部分，可實現交流信號的同步采樣，也充分利用了輸入通道。先進先出存儲器(FIFO)的容量為1K字，暫時保存A/D轉換的結果，由MCU成批讀取，這樣使系統效率大大提高。
對電路的分析可知，振動信號的相位誤差主要由兩個因素造成(1)，振動信號和鍵相信號經過濾波器時產生相移。
(2)，鍵相倍頻電路的倍頻誤差。
下面進一步分析如何減小這兩個因素的影響。
2、振動信號預處理電路如圖2和圖3所示，振動信號預處理電路的最大特點是交、直流分離。交流和直流信號都包含了有用信息，但是直流量為-8V左右，而交流量的有效值一般小于0.3V，直流量需要作衰減處理，而交流量需放大，因此交流量和直流量分開處理是比較合理的選擇。
低通濾波器7的截至頻率為0.034Hz，低通濾波器9的截至頻率為1.59kHz.低通濾波9的作用是抗混疊濾波，這是在A/D轉換之前必須進行的，專利二的相應部分是一個二階濾波器，本發明采用一階濾波器。這主要是考慮到一階濾波器的相位特性比二階濾波器好。
隔直流電路8實際上是一個高通濾波，截至頻率為0.034Hz.與專利二相比，本發明作了比較大的修改。交直流分離電路不再采用減法電路，而應用了更加穩定可靠的隔直流電路。
3、鍵相信號預處理電路如圖4所示實際鍵相信號為負電壓，和振動信號一樣有一個大約為-8.0V的直流分量，而且不可避免的有一些干擾脈沖。預處理電路的作用就是要將信號的電壓轉換成數字電路的電壓值，并且濾掉干擾。
如圖5和圖6所示，隔直流電路10同時也對輸入信號進行分壓。可編程放大器11實際上是一個DA轉換電路，將信號作為參考電壓(Vref)輸入，根據DAC0832的特點及具體電路，轉換輸出電壓為Vout=-VrefDin256,]]>其中Din為數字量輸入。施密特觸發器13型號為74HC14，根據Texas Instrument公司的產品說明，當電源電壓為4.5V時，觸發電壓上升沿觸發電壓2.38V，下降沿觸發電壓為1.4V。峰值保持器14和半波整流電路類似，在電容C1兩端的電壓基本上等于測點test1的峰值。比較器15實際上是由兩個電壓比較器組成，比較器的參考電壓由電源分壓得到，VCC＝5V，根據電阻R4、R13、R15的阻值，可計算得到這兩個比較器的參考電壓分別為3V和4V。這樣，就可判斷峰值電壓是大于4V、小于3V，還是在3V和4V之間。可編程放大器11、低通濾波器12、峰值保持器14、比較器15再加上MCU的干預即構成一個自動增益控制器(AGC)，很容易將信號峰值調節到3V和4V之間。這樣信號可正確無誤地觸發施密特觸發器13，另一方面，幅值較小的干擾信號則被有效地濾除了。
隔直流電路和低通濾波的參數選擇和振動信號預處理電路相應部分盡量一致。這樣振動信號和鍵相信號就會有一樣的相位差，可以相互抵消。
4、鍵相倍頻電路如圖7所示，在專利二中，提出一個用數字電路實現的倍頻電路，加法計數器對兩鍵相脈沖的間隔進行計數，得到鍵相信號的周期，并送入鎖存器。這個計數值也作為減法計數器的計數初值，減法計數器每次減到0就發出一個脈沖。假定時鐘頻率為fclk，分頻器進行K分頻，加法計數器的計數值為N，則輸入鍵相信號的周期為NgK/fclk，輸出脈沖的周期為N/fclk，所以實現了K倍頻。
如圖8所示，Fi(s)和Fo(s)分別為輸入和輸出信號的頻率。K即為倍頻系數，τ即延時。根據電路特點，鍵相信號每1個周期加法計數器向鎖存器送1次數據，會有1個周期的延時。從鎖存器到減法計數器同樣會有延時，如果這個電路由單片機實現，執行指令產生的延時也是很可觀的。這樣，倍頻電路抽象為2個環節延時環節和放大環節。
傳遞函數H(s)=Fo(s)Fi(s)=Ke-τs---(1)]]>這是一個開環系統，為了減小倍頻誤差，在延時環節前加了一個預測環節，然后再增加一個分頻和鑒相環節。
如圖9所示，加法器22、預測器21、鑒相器23由MCU和軟件實現，其他部件由FPGA硬件實現，型號為EPM7128。預測器算法如下ωx＝2ω1-ωc(2)其中ωx是下一轉的轉速，ω1是當前一轉的轉速，ωc是前一轉的轉速。ω1-ωc實際上是一種差分運算，表示鍵相信號在一個周期內的轉速變化。這種預測算法可以近似地看作一種比例、微分運算。當輸入頻率為線性函數，即轉子勻加速或勻減速時可以消除延時的影響。
如圖10所示，鍵相信號作為一個MCU的中斷輸入，在每一個上升沿即產生中斷，記下加法計數器的值N，并對加法計數器清零。輸出脈沖經第二分頻器分頻后也作為MCU的一個中斷輸入，同樣在波形的上升沿產生中斷，記下加法計數器的值N1。這樣，兩波形的相位差即為2πgN1/N。將π作為目標相位差，如果相位有偏移，就將偏移值乘一個適當的系數，加到鎖存器中。
如圖11所示，本圖是對圖10的抽象，與PID控制類似，有比例、微分、積分三個環節。對相應的三個系數比例系數Kp、微分系數Kd、積分系數Ki進行調整，將進一步改善倍頻電路的性能。
權利要求
1，精確測量相位的嵌入式數據采集器，包括預處理電路(1)、A/D模數轉換電路(2)、FIFO先進先出存儲器(3)、鍵相信號倍頻電路(4)、微處理器(5)，其特征在于1)，預處理電路分為振動信號預處理和鍵相信號預處理兩部分，其中振動信號預處理電路的一端和電渦流傳感器相連，信號輸入到分壓電路(6)，分壓電路(6)的輸出分為兩路，一路經低通濾波(7)輸出直流分量，另一路經隔直電路(8)和低通濾波(9)輸出交流分量；鍵相信號預處理電路的一端和電渦流傳感器相連，信號輸入到隔直流電路(10)，經可編程放大器(11)、低通濾波(12)、施密特觸發器(13)輸出數字電平的脈沖信號，可編程放大器(11)、低通濾波器(12)、峰值保持器(14)和比較器(15)還構成一個閉合的自動增益控制回路；2)，鍵相信號倍頻電路(4)一端連接預處理電路(1)，信號輸入到加法計數器(16)，經預測器(21)、加法器(22)、鎖存器(19)和減法計數器(20)輸出倍頻脈沖信號，輸出信號經第二分頻器(24)輸入到鑒相器(23)中，同時鍵相信號也輸入鑒相器(23)，鑒相器(23)的輸出端連到加法器(22)中，時鐘(18)提供的時鐘信號輸入到減法計數器(20)，并且經第一分頻器(17)輸入到加法計數器(16)。
2，根據權利要求1所述的精確測量相位的嵌入式數據采集器，其特征在于所說的振動信號預處理電路的分壓器(6)包括兩個電阻(RP2A、RP2B)和穩壓二極管(D2構成無源分壓電路，運算放大器(U18D)連接成電壓跟隨器形式，低通濾波(7)包括電阻(R1)、電容(C13)構成一階無源低通濾波器，運算放大器(U18C)、電阻(RP2C)、電位器(W2)構成同相放大器，隔直電路(8)包括電容(C17)、電阻(R4)為一階無源高通濾波器，運算放大器(U18B)、電阻(RP2D)、電位器(W1)構成同相放大器，低通濾波(9)包括電阻(RP2E)、電容(C19)構成一階無源低通波器，運算放大器(U18A)連接成電壓跟隨器。
3，根據權利要求1所述的精確測量相位的嵌入式數據采集器，其特征在于所說的鍵相信號預處理電路的隔直流電路(10)包括電容(C12)、電阻(R16、R11)構成無源低通濾波器，運算放大器(U12A)連接成電壓跟隨器，可編程放大器(11)包括數模轉換電路(U11)、運算放大器(U12B)和電阻(R5)構成一個反相放大器，數模轉換電路(U11)的8腳為輸入，并從數模轉換電路(U12B)的7腳輸出，數模轉換電路(U11)的D10～D17腳連接到微處理器上，低通濾波(12)包括電阻(R6)、電容(C15)構成一階無源低通濾波器，數模轉換電路(U12D)、電阻(R10、R12)構成同相放大器，施密特觸發器(13)包括由電阻(R14)、二極管(D2)和施密特電路(U2F)構成，峰值保持器(14)包括從運算放大器(U1B)的5腳輸入，經電阻(R1)、二極管(D1)輸出，電容(C1)和電阻(R3)構成一個電壓保持器，比較器(15)包括電阻(R4、R13、R15)對電源電壓進行分壓，作為運算放大器(U1A、U1C)的基準電壓，電阻(R17)和二極管(D5)構成限幅電路，電阻(R18)和二極管(D6)構成限幅電路。
全文摘要
本發明公開了一種精確測量相位的嵌入式數據采集器。它包括預處理電路、A/D轉換電路、FIFO存儲器、鍵相信號倍頻電路和微處理器。振動信號預處理電路的濾波器采用相位特性好的一價濾波電路，而且振動信號和鍵相信號的預處理電路的參數盡量一致，振動信號的相位誤差減小。可編程放大電路和峰值保持器、比較器構成一個簡單的放大倍數自動調節電路(AGC)，AGC電路的引入提高了鍵相信號預處理電路的穩定性。在鍵相倍頻電路中引入了預測環節和鑒相環節，并且用FPGA和軟件結合的方式實現，改善了倍頻電路的性能，振動信號的相位誤差也相應減小。
文檔編號G01M7/02GK1546972SQ20031010951
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月15日 優先權日2003年12月15日
發明者任達千, 楊世錫, 嚴拱標, 吳昭同 申請人:浙江大學