多通道數據采集處理系統的制作方法

本實用新型涉及一種多通道數據采集處理系統。

背景技術：

在機械故障診斷的振動分析過程中，需要同步采集多通道的AD數據并對各通道數據同時進行大量的數據處理，以得到振動分析所需要的均值、峰峰值、有效值、標準差以及峭度等參數。

常規的振動分析設備，如圖1中所示，采用FPGA和ARM軟硬件協同方式實現結合的方案，即利用FPGA中的AD數據傳輸單元，采集各個通道AD輸出的原始數據并通過系統總線傳輸到ARM，在ARM中進行AD數值浮點轉換和平方值的計算，這一步驟需要通過N次加法和N次乘法的運算，再利用計算所得的這兩個數值，通過有效值處理單元、峭度計算單元、峰峰值計算單元等，各計算單元也需要通過多次加法和乘法的運算，實現各個通道的后續參數數值的計算，由于ARM的系統總線帶寬限制，數據傳輸到ARM會占用大量時間，FPGA與ARM的數據傳輸時間成為了主要的瓶頸；又因為ARM為順序結構，這就會導致數據處理計算耗時較長。另一方面，由于FPGA為純硬件結構，當改變采樣頻率或者采樣周期時變得無能為力，也就意味著面臨靈活性的問題。因此，現有技術均不利于振動分析的實時性及性能的提升，并且大量的數據處理算法會使ARM負荷過重，使得整個系統對ARM性能的要求更高。

尤其在某些高端裝備中介主軸承出現故障時，會嚴重影響設備以及人員安全，因此，亟待發展一種可靠、實時的健康管理設備，能夠通過振動分析，在遠遠提前于故障發生時間點就報警，避免重大故障事故的發生。該設備不僅需要對多通道的數據進行高速的同步采集，并且采集到的多通道的數據需要同時進行處理分析，采用現有的振動分析設備，進行如此大量的數據分析處理，既不利于振動分析的實時性及連續性，也不利于系統性能的提升，從而直接影響故障報警的實時性、連續性。

技術實現要素：

本實用新型目的是為了克服了上述缺點，提供了一種簡便、高效多通道數據采集處理系統。

本實用新型解決其技術問題所采取的技術方案是：一種多通道數據采集處理系統，其基于ZYNQ框架，包括可編程邏輯單元和處理單元，

所述可編程邏輯單元包括用于連接并采集外部多個通道信號的數值采集子單元、用于將所述數值采集子單元輸出的數值轉換為所述處理單元所需形式數值的轉換處理子單元，所述數值采集子單元的輸出端與所述轉換處理子單元相連，

所述處理單元包括用于緩存所述可編程邏輯單元輸出數值的DDR內存子單元和用于對DDR內存子單元存儲的數值進行分析計算的數據分析處理子單元，所述DDR內存子單元的輸出端與所述數據分析處理子單元相連。

所述轉換處理子單元可包括用于將所述數值采集子單元輸出的數值進行浮點轉換的浮點轉換子單元和用于將所述浮點轉換子單元輸出的數值進行平方值計算的平方值計算子單元；對應的，所述DDR內存子單元包括用于緩存所述浮點轉換子單元輸出數值的浮點數值緩存子單元和用于緩存所述平方值計算子單元輸出數值的平方值緩存子單元。

所述數據分析處理子單元的一個控制端可連接所述數值采集子單元，并控制所述數值采集子單元的采樣頻率。

本實用新型利用ZYNQ的硬件架構，將AD數值的采集、數據轉換計算都通過ZYNQ的可編程邏輯單元處理，所述可編程邏輯單元PL為處理單元PS分擔了很大部分數據處理的功能，極大程度的減輕了處理單元PS的負荷，而且，由于可編程邏輯單元是并行結構，還大大提高了算法處理速度，所以處理過程非常高效，只需要幾個時鐘周期，與此同時，本實用新型通過所述處理單元PS對數值采集子單元進行控制，可以根據系統實際情況改變六通道AD輸出通道的采樣頻率，大大提高了系統的靈活性，因此有效的提高了整個設備的實時性、靈活性以及整體性能。

附圖說明

圖1為現有振動分析設備的工作流程圖；

圖2為本實用新型的原理框圖；

圖3為本實用新型的工作流程。

具體實施方式

如圖2中所示，為本實用新型的一種優選實施方式，基于Xilinx公司的ZYNQ的硬件架構，包括可編程邏輯單元PL和集成了ARM Cortex-A9雙核的處理單元PS兩部分：

所述可編程邏輯單元包括數值采集子單元、轉換處理子單元，其中，所述數值采集子單元用于連接并采集外部6個通道(即AD(channel 0)～AD(channel 5))的AD輸出信號，在實際應用中，可以擴展為多個連接傳感器的采集通道，所述轉換處理子單元包括浮點轉換子單元和平方值計算子單元；所述浮點轉換子單元用于將所述數值采集子單元輸出的數據進行浮點轉換，得到真實的電壓值，所述平方值計算子單元用于將浮點轉換子單元輸出的真實電壓值進行平方值計算，所述浮點轉換子單元和平方值計算子單元輸出的信號，供所述處理單元進一步計算處理，并經兩個AXI高速總線接口HP0、HP2傳輸到所述處理單元。

所述處理單元包括DDR內存子單元和數據分析處理子單元，對應的，所述DDR內存子單元包括用于緩存所述浮點轉換子單元輸出數值的浮點數值緩存子單元和用于緩存所述平方值計算子單元輸出數值的平方值緩存子單元，所述數據分析處理子單元用于對DDR內存子單元存儲的浮點數據和平方值數據進行分析計算。所述數據分析處理子單元的一個控制端通過一個反饋通道連接所述數值采集子單元，并根據系統實際情況控制和改變六通道AD輸出信號的采樣頻率，大大提高了系統的靈活性。

結合附圖3，根據上述結構可知，在ZYNQ的可編程邏輯單元PL中實現了AD數值的采集、浮點轉換以及其平方值的計算過程，再通過其內部的高速總線直接上傳到所述DDR內存子單元中，所述數據分析處理子單元從所述DDR內存子單元中讀取數值并繼續進一步的運算處理過程。由于振動分析過程中均值、峰峰值、有效值、標準差以及峭度和后期的其他運算都需要轉換后的AD數值，而且有效值、標準差以及峭度都需要轉換后AD數值的平方項。當采集頻率非常高時，將AD數值的采集、浮點轉換及其平方值計算都通過ZYNQ的可編程邏輯單元PL處理，所述可編程單元PL為處理單元PS分擔了很大部分數據處理的功能，極大程度的減輕了處理單元PS的負荷，而且，由于可編程邏輯單元是并行結構，還大大提高了算法處理速度，所以處理過程非常高效，只需要幾個時鐘周期，因此有效的提高了整個設備的實時性及整體性能。

于此同時，所述ZYNQ平臺的可編程單元(PL)與處理單元(PS)之間采用最新的AXI HP總線，4通道總帶寬可達9600MBps，最大限度的減少了數據傳輸的時間。ZYNQ平臺的處理單元(PS)部分為ARMv7架構的Cortex-A9雙核，ARMv7架構提供NEON引擎，對后期算法實現和優化提速也提供了有利保證。而且使用處理單元(PS)對數據采集進行控制非常靈活。當改變采樣頻率、采樣時長、數據處理等都非常簡單。經過實際運算對比，200Kbps采樣率情況下峭度運算速度比傳統方式提升至少2倍。

另一個方面，通過將有效值和標準差的計算過程進行拆分，我們發現兩個參數的計算過程均用到了AD數值的平方值一項，于是在可編程邏輯PL中實現了AD數據的浮點轉換及其平方值的計算過程，由于可編程邏輯PL為并行結構，且原始數值與其平方值分別由內部高速總線HP0、HP2上傳至所述DDR內存子單元中，所述處理單元PS在讀取原始數值的同時就可以將平方值讀取出來，即平方值的計算傳輸并不占用所述處理單元PS的運算時間，故此方案不僅為所述處理單元PS分擔了浮點轉換及平方值計算的功能，還為所述處理單元PS節省了共計2N次加法和3N次乘法的運算時間，運算速度提升了至少兩倍，大大縮短了有效值及峭度的計算耗時，有效的提升了整個系統的實時性性能。

以上對本實用新型所提供的多通道數據采集處理系統進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本實用新型的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本實用新型的限制。