專利名稱：智能振動監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振動信號的現(xiàn)場測試、記錄與分析系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
振動信號監(jiān)測儀正向數(shù)字式自動記錄方式發(fā)展，利用最新的微電子集成技術(shù)、電 子線路技術(shù)和計算機技術(shù)，使振動記錄儀輕小、便攜，自帶電池供電，且功能齊全。我國早期 振動自記錄儀的研制開始于90年代初，應(yīng)用于爆破監(jiān)測和大型機電設(shè)備振動監(jiān)測等領(lǐng)域， 現(xiàn)已有多種類產(chǎn)品，發(fā)展成多家競爭的局面，國外的產(chǎn)品也不斷進入國內(nèi)市場。當(dāng)前大部分振動自記錄儀都基本能滿足一般振動測試要求，但是在輸入信號動態(tài) 范圍、小信號測試精度、數(shù)據(jù)存儲能力與數(shù)據(jù)處理的專業(yè)化等方面，產(chǎn)品的設(shè)計與性能水平 差異較大。為了匹配信號輸入幅度的范圍，現(xiàn)有的產(chǎn)品和技術(shù)方案往往需要事先預(yù)設(shè)量程或 者通道的放大倍數(shù)，以期最大可能的正確記錄監(jiān)測的振動波型。但在現(xiàn)場測試時，往往無法 事先準(zhǔn)確預(yù)估振動信號的大小，因而無法確保準(zhǔn)確設(shè)置量程；可能會是振動信號的幅度波 動范圍太大，導(dǎo)致信號超量程幅度失真，或者信號太小，導(dǎo)致無法辨別和數(shù)據(jù)處理。由此造 成測試失敗，無法得到關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并可能造成較大的試驗損失。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，本發(fā)明是一種可以提高現(xiàn)場測試的 成功率，也使測試工作更加方便可靠和智能化的測試儀，本發(fā)明是振動測試儀器領(lǐng)域應(yīng)用 自適應(yīng)浮點放大技術(shù)的先進設(shè)備。目前先進的振動監(jiān)測設(shè)備一般都采用數(shù)字化測量技術(shù)，即采用模擬(A)_數(shù)字轉(zhuǎn) 換(D)，將被測信號數(shù)字化后，采用軟件做進一步處理分析。其中A/D轉(zhuǎn)換是數(shù)字化測量的 關(guān)鍵環(huán)節(jié)，往往決定了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和正確性。如果A/D模塊的信號量程范圍是士V，那么，待采集信號幅度在士V/2 士V范圍 內(nèi)時，A/D轉(zhuǎn)換精度較高，能更準(zhǔn)確測量被測信號，反之誤差會趨大。因此在開始測量之前， 一般都需要對本次測量的信號范圍有一個大概的估計，針對待測信號可能的不同幅度，選 擇設(shè)備適應(yīng)的量程，盡量使待測信號幅度對應(yīng)在量程的1/2以上，以此獲得最佳的測量精 度和測量效果。但在實際運用中，如果量程選擇過大，則可能對微弱信號產(chǎn)生較大的測量誤 差，無法準(zhǔn)確辨別和分析數(shù)據(jù)；如果量程選擇過小，又可能產(chǎn)生波形削頂失真、限幅的情況。特別對于爆破產(chǎn)生的振動信號，一般具有較大的動態(tài)范圍，距離爆心的距離不同， 振動信號傳播的介質(zhì)不同，都會引起振動信號幅度的極大差異。固定量程在測量振動的時 候有很大的局限性，而以人為經(jīng)驗判斷去調(diào)整量程，可能因量程不適當(dāng)而導(dǎo)致記錄丟失、信 號失真等問題。針對目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品普遍存在的這一問題，我司特別設(shè)計發(fā)明了“自適應(yīng)實 時浮點放大技術(shù)”，即開啟浮點功能后，設(shè)備可以根據(jù)實際測量信號的大小，實時地自動調(diào)節(jié)通道放大倍數(shù)，從而有效地避免了測量波型由于量程原因被削頂、限幅的現(xiàn)象，同時對小 信號也能提高靈敏度和測試精度，以適應(yīng)超大動態(tài)范圍的信號測試，保證了數(shù)據(jù)的完整性。 采用該技術(shù)設(shè)計的產(chǎn)品，也簡化了測量的操作，使用更加人性化的同時達到了較高的智能 化。本發(fā)明的技術(shù)方案及發(fā)明要點“自適應(yīng)浮點放大技術(shù)”就是在數(shù)據(jù)采集的過程中，預(yù)先自動根據(jù)輸入信號的大小 來動態(tài)調(diào)整放大倍數(shù)，從而保證正確可靠的測量數(shù)據(jù)。與一般的程控放大器不同，對不同大 小的輸入信號，浮點放大器的放大倍數(shù)是不同的，或者說放大倍數(shù)是可以浮動的。信號經(jīng)過 浮點放大后，再進行A/D轉(zhuǎn)換，這樣整個采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)就由放大倍數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換結(jié) 果兩部分組成。這樣的數(shù)據(jù)有些類似于計算機中用的浮點數(shù)。相應(yīng)的可稱放大倍數(shù)為“階 碼”，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為“尾碼”。整個浮點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍等于A/D轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍 加上浮點放大器動態(tài)范圍。要實現(xiàn)浮點放大，首先要實現(xiàn)可變增益放大，使其在外部邏輯的控制下能隨時改 變放大電路的增益。目前，可變增益放大器已經(jīng)廣泛應(yīng)用，其響應(yīng)速度和增益精度都能滿足 要求，“智能振動監(jiān)測儀”正是采用了這一新型器件實現(xiàn)了可變增益放大單元的功能。其次，要有數(shù)據(jù)比較功能。通過比較電路，輸出能控制可變增益放大器的控制碼， 從而及時的改變可變增益放大器的增益。信號比較的方法有模擬信號比較和數(shù)字信號比較 2種。模擬信號比較的優(yōu)點在于電路設(shè)計簡單，增益碼輸出響應(yīng)時間短等方面；但是這種方 案對增益的調(diào)整只能逐次比較后進行，無法實現(xiàn)跨增益檔的任意調(diào)節(jié)，因而實際使用中，增 益調(diào)節(jié)效率和響應(yīng)速率會明顯低于數(shù)字比較方式，況且放大倍數(shù)最終還是要轉(zhuǎn)換為數(shù)字方 式存儲；因此，我公司設(shè)計的新型智能振動監(jiān)測儀采用的是數(shù)字比較方式，即預(yù)先將輸入的 模擬信號進行數(shù)字量化后，再進行數(shù)據(jù)比較的過程。第三，關(guān)鍵要能在每次采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換前預(yù)先知道輸入信號的幅度，以達到在每 次采樣時刻到來前，用最適合的增益對信號進行放大的目的。“自適應(yīng)浮點放大技術(shù)”特別 采用了預(yù)采樣+預(yù)量化的技術(shù)，完美的解決了上述問題。解決以上三個基本問題后，浮點采樣功能理論上可基本實現(xiàn)。但是，在實際設(shè)計調(diào) 試中，仍然會遇到各檔零點不一、增益誤差、輸入信號相位延遲等原因造成的波形不連續(xù)、 大量臺階等現(xiàn)象。在“智能振動監(jiān)測儀”的研制中，通過模擬電路的優(yōu)化調(diào)整結(jié)合數(shù)字信號 處理的方法，成功解決了上述問題，使得該技術(shù)在實際中得以成功運用。因此，“自適應(yīng)浮點放大技術(shù)”實際上是巧妙先進的模擬線路設(shè)計和數(shù)字電路設(shè) 計，輔以實時數(shù)字信號處理等一系列技術(shù)手段的結(jié)晶。本發(fā)明的智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，通過以下過程實現(xiàn)從模擬信號輸入、浮點放大、A/D 量化到數(shù)據(jù)存儲的整個采集功能(一 )收集測試現(xiàn)場產(chǎn)生的振動信號，由現(xiàn)場布置好的三向傳感器進行拾取，同時 轉(zhuǎn)換為測振儀能采集到的電信號，該電信號經(jīng)過測振儀的信號采集單元，在采集控制邏輯 的控制下，轉(zhuǎn)換成為計算機可識別的數(shù)字信號；(二)信號采集單元設(shè)計，實現(xiàn)浮點放大功能的基本電路，在此過程中，浮點放大 控制邏輯對信號進行比較分析，不斷的對信號采集單元發(fā)出增益控制代碼，使信號采集單 元始終以最適合的放大倍數(shù)對信號進行放大并完成數(shù)字量化；(三)帶浮點放大功能的信號采集實現(xiàn)后，對數(shù)字量化后的數(shù)據(jù)進行有效的存儲，采用用FPGA內(nèi)嵌的NI0S處理器和FPGA內(nèi)部設(shè)計的SDHC存儲管理邏輯共同完成SDHC卡 的讀寫操作。所述的自適應(yīng)浮點放大技術(shù)，是在數(shù)據(jù)采集的過程中，預(yù)先自動根據(jù)輸入信號的 大小來動態(tài)調(diào)整放大倍數(shù)，從而保證正確可靠的測量數(shù)據(jù)。在上述過程中要有數(shù)據(jù)比較功能，通過比較電路，輸出能控制可變增益放大器的 控制碼，從而及時的改變可變增益放大器的增益。在每次采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換前預(yù)先知道輸入信號的幅度，以達到在每次采樣時刻到來 前，用最適合的增益對信號進行放大的目的。利用基于ARM9內(nèi)核的嵌入式處理器通過自帶的觸摸式彩色液晶屏可實時的顯示 采集狀態(tài)等信息，并在采集完成后，通過自帶的SDHC接口從SDHC卡中獲取采集數(shù)據(jù)，進行 波形顯示與數(shù)據(jù)分析。通過觸摸式彩色液晶操作界面，還可以對各項參數(shù)進行設(shè)置，對采集過程進行控 制。FPGA內(nèi)部專門設(shè)計了 一個嵌入式理器之間的通信接口，該接口功能模塊同時設(shè)計 有ASB總線和AVAL0N總線接口電路，并對雙處理器的共享存儲空間分別實現(xiàn)了地址映射、 命令譯碼等功能，使得雙嵌入式處理器可以方便的完成數(shù)據(jù)與命令的共享。傳感器信號進入輸入緩沖單元進行緩沖、整形后進入可變增益放大單元，該單元 的放大倍數(shù)由浮點放大控制單元控制；放大后的信號經(jīng)過零點和增益校準(zhǔn)單元進行零點與 增益的校準(zhǔn)；再經(jīng)過抗混濾波單元，濾除帶外的高頻信號，最后經(jīng)過輸出緩沖單元緩沖后分 成兩路輸出，一路浮點放大控制單元實現(xiàn)浮點放大控制功能；另外一路進入數(shù)據(jù)采樣A/D 單元進行數(shù)字量化，形成數(shù)字量化值。浮點放大在于對預(yù)采樣A/D量化后的數(shù)字信號進行比較、分析；一旦比較出結(jié)果， 立即給出控制信號，同時，模擬電路也需要快速的響應(yīng)。采用具有“自適應(yīng)浮點放大技術(shù)”的新型智能振動監(jiān)測儀，有效地避免了傳統(tǒng)振動 測量設(shè)備的使用過程中，由于量程的錯誤設(shè)置造成的波形被削頂、限幅的現(xiàn)象，同時，提高 了小信號的高靈敏度和測試精度，能適應(yīng)更大動態(tài)范圍的信號測試，保證了數(shù)據(jù)的完整性， 同時簡化了測量的操作，做到了更加智能化，人性化。另外，新型的智能振動監(jiān)測儀的特點和先進性還體現(xiàn)在以下幾個方面觸摸式彩色液晶界面觸摸屏作為一種最新的輸入設(shè)備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方 式。相比以往的操作方式，觸摸屏具有易于使用、堅固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間等優(yōu)點， 讓越來越多的系統(tǒng)設(shè)計師認(rèn)識到其的確具有相當(dāng)大的優(yōu)越性。雖然眾多的消費電子產(chǎn)品已經(jīng)廣泛使用了觸摸式操作界面，但是在專用的測試設(shè) 備上，該項技術(shù)還鮮有使用，成熟的產(chǎn)品更是鳳毛麟角。我公司研制的智能振動監(jiān)測儀積 極的采用了該項技術(shù)，使其成為國內(nèi)振動監(jiān)測領(lǐng)域首個采用觸摸式彩色液晶操作界面的智 能儀器。該技術(shù)的采用，極大的簡化了測振儀器的使用，即使是對此類專用儀器一無所知的 人，也照樣能夠信手拈來，較好解決了傳統(tǒng)儀器設(shè)備操作復(fù)雜的問題。超大容量存儲實際測量環(huán)境的干擾和噪聲信號往往會造成誤觸發(fā)，如果只有一次觸發(fā)起點，誤觸發(fā)會使得真實的振動信號來的時候，設(shè)備已經(jīng)停止記錄，從而沒有采集到真實信號。解決 的方式可以是在采集長度內(nèi)將記錄分成多個段，每一個段的起點都需要滿足觸發(fā)條件，這 樣的設(shè)置可以使得在有干擾的情況下，即使被誤觸發(fā)了幾段，剩下的記錄段還是可以完整 記錄真實振動信號的波形。因此，新型的振動監(jiān)測設(shè)備需要有長時間不間斷的采集能力，這 就要求設(shè)備具有大容量的存儲空間。我公司設(shè)計的新型智能振動監(jiān)測儀采用SDHC卡作為 存儲介質(zhì)，其容量最大支持32GB，段數(shù)支持最多2048段，從單段的存儲容量和總段數(shù)等指 標(biāo)都大大超過其他同類產(chǎn)品。雙嵌入式處理系統(tǒng)設(shè)計傳統(tǒng)的儀器設(shè)備，通常只有一個處理器作為整個設(shè)備的控制核心。這樣的單處理 器系統(tǒng)，其設(shè)計相對簡單，只需要設(shè)計一個嵌入式處理器和外圍硬件電路，依靠嵌入式處理 器自帶的10等外圍功能實現(xiàn)采集的控制與SD卡存儲數(shù)據(jù)等操作，再配以一套嵌入式軟件 即可實現(xiàn)采集系統(tǒng)。但是由于嵌入式處理器的處理能力有限，在執(zhí)行多任務(wù)操作的時候，其 實時性還無法滿足要求，尤其是在對SD卡數(shù)據(jù)的存儲速度上，目前尚無任何嵌入式處理器 能達到理想的效果，通常都大大低于SD卡本身能達到的存儲速度。本發(fā)明的新型智能振動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了雙處理器系統(tǒng)的設(shè)計。一片基 于ARM9內(nèi)核的嵌入式處理器，獨立完成人機操作界面、波形顯示、數(shù)據(jù)分析、波形打印等功 能；另外一片基于Nios II軟核的嵌入式處理器完成采集控制、SDHC卡的實時寫入、采集狀 態(tài)的維護等操作；該處理器內(nèi)嵌于FPGA器件中，通過FPGA內(nèi)部的AVAL0N總線，將FPGA內(nèi) 部各個功能模塊進行高效的整合，形成片上S0C，從而對整個采集時序、數(shù)據(jù)存儲、狀態(tài)維護 等過程實施更高效、精確的控制。這樣的設(shè)計，使得對SDHC的讀寫控制由原來的純軟件代 碼執(zhí)行變成了軟硬件結(jié)合、以硬件執(zhí)行為主的設(shè)計，大大提高了 SDHC的讀寫速度，完全滿 足實時寫入的要求。網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計LAN是最常用的組網(wǎng)方式。以太網(wǎng)使用雙絞線作為傳輸媒介。在沒有中繼的情況 下，最遠(yuǎn)可以覆蓋200米的范圍。最普及的以太網(wǎng)類型數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mb/S，更新的標(biāo) 準(zhǔn)則支持1000Mb/S和10000Mb/S的速率。LAN的這些特性，使得其在連接速度、連接距離以 及組網(wǎng)方式等方面都處于領(lǐng)先。目前，大多數(shù)同類產(chǎn)品都采用RS232、USB或1394接口與上位機進行聯(lián)機控制，本 發(fā)明研制的新型智能振動測試儀采用LAN接口，使其不僅僅是一臺只能和PC近距離連接的 測試設(shè)備，通過目前廣泛使用的以太網(wǎng)，可以連接至網(wǎng)絡(luò)中的任意一臺PC終端。進而，通過 INTERNET，可以在世界的任何一個地方對其進行有效的控制，真正的做到物聯(lián)世界。物聯(lián)網(wǎng) 的提出，也使得支持LAN接口的新型智能振動監(jiān)測儀在未來發(fā)展中，有著更廣闊的應(yīng)用前景。
圖1是本發(fā)明工作原理圖；圖2是本發(fā)明帶有浮點放大功能的信號采集原理圖；圖3是浮點放大功能實現(xiàn)原理圖；圖4是整個浮點放大控制單元核心部分設(shè)計過程中的硬件功能仿真波形圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖并用最佳的實施例對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。參閱圖1，首先，對智能振動監(jiān)測系統(tǒng)整個儀器的工作原理進行說明測試現(xiàn)場產(chǎn) 生的振動信號，由現(xiàn)場布置好的三向傳感器進行拾取，同時轉(zhuǎn)換為測振儀能采集到的電信 號。該電信號經(jīng)過測振儀的信號采集單元，在采集控制邏輯的控制下，轉(zhuǎn)換成為計算機可識 別的數(shù)字信號。信號采集單元設(shè)計實現(xiàn)浮點放大功能的基本電路，在此過程中，浮點放大控 制邏輯對信號進行比較分析，不斷的對信號采集單元發(fā)出增益控制代碼，使信號采集單元 始終以最適合的放大倍數(shù)對信號進行放大并完成數(shù)字量化。關(guān)于帶浮點放大采集功能的信 號采集單元的實現(xiàn)原理，將在稍后進行介紹。帶浮點放大功能的信號采集實現(xiàn)后，還需要對數(shù)字量化后的數(shù)據(jù)進行有效的存 儲。在本設(shè)計中，采用了 FPGA內(nèi)嵌的NI0S處理器和FPGA內(nèi)部設(shè)計的SDHC存儲管理邏輯 共同完成SDHC卡的讀寫操作。以上設(shè)計，實現(xiàn)了從模擬信號輸入、浮點放大、A/D量化到數(shù)據(jù)存儲的整個采集功 能。同時，基于ARM9內(nèi)核的嵌入式處理器通過自帶的3. 5寸觸摸式彩色液晶屏可實時的顯 示采集狀態(tài)等信息，并在采集完成后，通過自帶的SDHC接口從SDHC卡中獲取采集數(shù)據(jù)，進 行波形顯示與數(shù)據(jù)分析。通過觸摸式彩色液晶操作界面，還可以對各項參數(shù)進行設(shè)置，對采 集過程進行控制等。另外，該嵌入式處理系統(tǒng)還支持USB、LAN等接口，通過USB接口可以外 接U盤，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，也可以外接USB打印機，提供現(xiàn)場打印服務(wù)；LAN接口，10M/100M自 適應(yīng)，可支持UDP、TCP/IP等協(xié)議以及Webserver等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。由于儀器采用雙嵌入式處理系統(tǒng)設(shè)計，為了使雙嵌入式處理器能達到共享數(shù)據(jù)、 協(xié)同工作的目的，必須為其設(shè)計數(shù)據(jù)與命令的交換通道。本儀器在FPGA內(nèi)部專門設(shè)計了一 個嵌入式理器之間的通信接口，該接口功能模塊同時設(shè)計有ASB總線和AVAL0N總線接口電 路，并對雙處理器的共享存儲空間分別實現(xiàn)了地址映射、命令譯碼等功能，使得雙嵌入式處 理器可以方便的完成數(shù)據(jù)與命令的共享。參閱圖2，對帶有浮點放大功能的信號采集原理進行重點說明。傳感器信號進入輸 入緩沖單元進行緩沖、整形后進入可變增益放大單元，該單元的放大倍數(shù)由浮點放大控制 單元控制；放大后的信號經(jīng)過零點和增益校準(zhǔn)單元進行零點與增益的校準(zhǔn)；再經(jīng)過抗混濾 波單元，濾除帶外的高頻信號，最后經(jīng)過輸出緩沖單元緩沖后分成兩路輸出，一路浮點放大 控制單元實現(xiàn)浮點放大控制功能；另外一路進入數(shù)據(jù)采樣A/D單元進行數(shù)字量化，形成數(shù) 字量化值。由于采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)由放大倍數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果兩部分組成，即所謂的“階 碼”和“尾碼”，因此，還需要將該數(shù)字量化值與浮點放大控制單元輸出的放大倍數(shù)代碼一起 送入采集數(shù)據(jù)形成單元，合成最終的采集數(shù)據(jù)。參閱圖3，對浮點放大控制單元的原理作詳細(xì)說明如下。輸出緩沖單元輸出的模擬 信號，進入高速預(yù)采樣A/D進行數(shù)字量化，量化后的數(shù)據(jù)首先進入數(shù)據(jù)比較單元與預(yù)先設(shè) 置好的A/D最佳量化范圍值進行比較，得出的結(jié)果送入數(shù)據(jù)分析單元進行分析。數(shù)據(jù)分析 單元根據(jù)比較值的結(jié)果進行判斷，確定當(dāng)前增益是該增大或是減小，或者保持不變；不僅如 此，對于需要改變增益的情況，數(shù)據(jù)分析單元還可以分析判斷出應(yīng)該增大或減小到具體的 哪一個增益檔位，然后將分析結(jié)果輸出到增益控制碼生成單元，生成最終的增益控制碼，該
7控制碼立即送到增益控制電路，控制可變增益放大單元改變當(dāng)前增益，從而實現(xiàn)浮點放大 的控制功能。同時，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果還輸出到放大倍數(shù)代碼生成單元，在經(jīng)過譯碼、同步等 處理過程后，生成數(shù)據(jù)放大倍數(shù)代碼輸出。下面重點介紹浮點放大功能的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)浮點放大的主要設(shè)計難點在于對預(yù)采樣A/D量化后的教字信號進行比較、分析； 一旦比較出結(jié)果，立即給出控制信號，同時，模擬電路也需要快速的響應(yīng)。因為，所有的這一 切工作都只能在A/D兩次采樣的間隔時間內(nèi)完成，如果比較、分析過程消耗的時間太長，或 是模擬電路響應(yīng)速度太慢，都會使A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差，甚至完全錯誤的數(shù)據(jù)，導(dǎo) 致設(shè)計的失敗。因此，整個系統(tǒng)對實時性要求很高。在本設(shè)計中，模擬部分電路設(shè)計在沿用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，充 分考慮了實時浮點放大系統(tǒng)在響應(yīng)時間、增益誤差、零點抖動等方面的要求，通過對器件的 選型、電路設(shè)計的修改、參數(shù)的調(diào)整等多種技術(shù)手段，最終滿足了設(shè)計要求。數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)分析、增益控制碼生成等數(shù)字邏輯電路部分的設(shè)計，是本設(shè)計的最 難點。本設(shè)計采用一片F(xiàn)PGA完成所有的邏輯功能。在FPGA設(shè)計中，采用了 FPGA的自底向 上的模塊化設(shè)計思想，首先分析頂層模塊的功能，再將其功能分類細(xì)化，分配到不同的子模 塊去實現(xiàn)，然后自底向上的先逐步完成各個子模塊的設(shè)計，最后將子模塊相互連接生成頂 層模塊。設(shè)計方法采用原理圖輸入與硬件描述語言結(jié)合的方式。下面分別對各個功能模塊 進行說明1、數(shù)據(jù)比較功能模塊引腳說明SAMPLE_DATA——高速預(yù)采樣數(shù)據(jù)輸入； TRGDP1——預(yù)先設(shè)置的比較數(shù)據(jù)輸入，固定設(shè)置為量程的1/2處，該設(shè)置值可通過軟件改 變，以方便調(diào)試。TRGDP2——預(yù)先設(shè)置的比較數(shù)據(jù)輸入，固定設(shè)置為量程的-1/2處，該設(shè)置 值可通過軟件改變，以方便調(diào)試。EN——比較模塊使能信號。軟件可以通過該引腳使能/關(guān) 閉比較模塊的功能。CLK——同步時鐘。在CLK上升沿到來時，內(nèi)部邏輯鎖存預(yù)采樣數(shù)據(jù)，在 下降沿時，進行比較，同時輸出比較值。C0M1_0UT——采樣值與預(yù)設(shè)值1的比較結(jié)果輸出。 后級數(shù)據(jù)分析模塊可以根據(jù)此比較值進行分析判斷，選擇最佳的增益檔位。C0M2_0UT—— 采樣值與預(yù)設(shè)值2的比較結(jié)果輸出。后級數(shù)據(jù)分析模塊可以根據(jù)此比較值進行分析判斷， 選擇最佳的增益檔位。2、數(shù)據(jù)分析功能模塊該模塊功能設(shè)計較為復(fù)雜，采用了多層次的設(shè)計。在頂層設(shè)計下，又向下分為了 2層，同時，為了使模塊的功能驗證更加方便，在設(shè)計中增加了多個測試信號的輸入輸出引 腳，雖然這些引腳在實際使用過程中不需要用到，但是對于模塊的驗證工作來說，卻有相當(dāng) 重要的意義。3、增益控制碼生成模塊引腳說明GAIN_INDEX——增益原碼輸入GAIN_VALUE——增益控制碼輸出該模塊根據(jù)數(shù)據(jù)分析模塊分析后輸出的增益原碼，進行固定格式轉(zhuǎn)換后，得到外 圍增益控制電路能夠識別的相應(yīng)代碼，部分VHDL代碼如下參閱圖4，以上就是整個浮點放大控制單元核心部分的設(shè)計，圖4為設(shè)計過程中的 硬件功能仿真波形
從以上波形可以看出，浮點放大在兩次采集的過程中動作，在采樣時刻到來時前 已經(jīng)完成，增益穩(wěn)定。每次采樣后重復(fù)進行浮點放大的動作。
權(quán)利要求
智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，通過以下過程實現(xiàn)從模擬信號輸入、浮點放大、A/D量化到數(shù)據(jù)存儲的整個采集功能(一)收集測試現(xiàn)場產(chǎn)生的振動信號，由現(xiàn)場布置好的三向傳感器進行拾取，同時轉(zhuǎn)換為測振儀能采集到的電信號，該電信號經(jīng)過測振儀的信號采集單元，在采集控制邏輯的控制下，轉(zhuǎn)換成為計算機可識別的數(shù)字信號；(一 )信號采集單元設(shè)計，實現(xiàn)帶浮點放大功能的基本電路。在此過程中，浮點放大控制邏輯對信號進行比較分析，不斷的對信號采集單元發(fā)出增益控制代碼，使信號采集單元始終以最適合的放大倍數(shù)對信號進行放大并完成數(shù)字量化；(三)帶浮點放大功能的信號采集實現(xiàn)后，對數(shù)字量化后的數(shù)據(jù)進行有效的存儲，采用用FPGA內(nèi)嵌的NIOS處理器和FPGA內(nèi)部設(shè)計的SDHC存儲管理邏輯共同完成SDHC卡的讀寫操作。
2.如權(quán)利要求1所述的智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的自適應(yīng)浮點放大技術(shù)， 是在數(shù)據(jù)采集的過程中，預(yù)先自動根據(jù)輸入信號的大小來動態(tài)調(diào)整放大倍數(shù)，從而保證正 確可靠的測量數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述的智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，在上述過程中要有數(shù)據(jù)比較 功能，通過比較電路，輸出能控制可變增益放大器的控制碼，從而及時的改變可變增益放大 器的增益。
4.如權(quán)利要求1所述的智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，在每次采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換前預(yù) 先知道輸入信號的幅度，以達到在每次采樣時刻到來前，用最適合的增益對信號進行放大 的目的。
5.如權(quán)利要求1所述的智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，利用基于ARM9內(nèi)核的嵌入式 處理器通過自帶的觸摸式彩色液晶屏可實時的顯示采集狀態(tài)等信息，并在采集完成后，通 過自帶的SDHC接口從SDHC卡中獲取采集數(shù)據(jù)，進行波形顯示與數(shù)據(jù)分析。
6.如權(quán)利要求5所述的智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，通過觸摸式彩色液晶操作界 面，還可以對各項參數(shù)進行設(shè)置，對采集過程進行控制。
7.如權(quán)利要求1所述的智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，F(xiàn)PGA內(nèi)部專門設(shè)計了一個嵌 入式理器之間的通信接口，該接口功能模塊同時設(shè)計有ASB總線和AVAL0N總線接口電路， 并對雙處理器的共享存儲空間分別實現(xiàn)了地址映射、命令譯碼等功能，使得雙嵌入式處理 器可以方便的完成數(shù)據(jù)與命令的共享。
8.如權(quán)利要求1所述的智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，傳感器信號進入輸入緩沖單 元進行緩沖、整形后進入可變增益放大單元，該單元的放大倍數(shù)由浮點放大控制單元控制； 放大后的信號經(jīng)過零點和增益校準(zhǔn)單元進行零點與增益的校準(zhǔn)；再經(jīng)過抗混濾波單元，濾 除帶外的高頻信號，最后經(jīng)過輸出緩沖單元緩沖后分成兩路輸出，一路浮點放大控制單元 實現(xiàn)浮點放大控制功能；另外一路進入數(shù)據(jù)采樣A/D單元進行數(shù)字量化，形成數(shù)字量化值。
9.如權(quán)利要求1所述的智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，浮點放大在于對預(yù)采樣A/D量 化后的數(shù)字信號進行比較、分析；一旦比較出結(jié)果，立即給出控制信號，同時，模擬電路也需 要快速的響應(yīng)。
全文摘要
智能振動監(jiān)測系統(tǒng)，涉及振動信號的現(xiàn)場測試、記錄與分析系統(tǒng)。通過以下過程實現(xiàn)從模擬信號輸入、浮點放大、A/D量化到數(shù)據(jù)存儲的整個采集功能(一)收集測試現(xiàn)場產(chǎn)生的振動信號；(二)信號采集單元設(shè)計，實現(xiàn)帶浮點放大功能的基本電路。在此過程中，浮點放大控制邏輯對信號進行比較分析，不斷的對信號采集單元發(fā)出增益控制代碼，使信號采集單元始終以最適合的放大倍數(shù)對信號進行放大并完成數(shù)字量化；(三)帶浮點放大功能的信號采集實現(xiàn)后，對數(shù)字量化后的數(shù)據(jù)進行有效的存儲，采用FPGA內(nèi)嵌的NIOS處理器和FPGA內(nèi)部設(shè)計的SDHC存儲管理邏輯共同完成SDHC卡的讀寫操作。本發(fā)明是振動測試儀器領(lǐng)域應(yīng)用自適應(yīng)浮點放大技術(shù)的先進設(shè)備。
文檔編號G01H17/00GK101799321SQ20101014142
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者楊旻, 葛承鑫 申請人:四川拓普測控科技有限公司