一種基于嵌入式技術的便攜式單通道振動數據采集裝置的制作方法

專利名稱：一種基于嵌入式技術的便攜式單通道振動數據采集裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及數據采集和設備故障診斷領域，具體的說是一種基于嵌入 式技術的便攜式振動數據采集裝置及方法
背景技術：
數據采集分析儀是一種具有現場記錄、分析功能的儀器或具有現場記錄、 離線分析機器設備的狀態數據功能的便攜式分析儀器。它以振動傳感器或過程 傳感器測得的設備上的狀態參數信號作為輸入，配以各種測量分析技術以及多 樣化的顯示格式組成一個檢測系統，主要應用于對機器設備進行定期巡回狀態 監測和故障診斷等多種領域。它能和計算機一起組成獨立的監測診斷系統，是 機器設備的計算機輔助診斷手段之一。
國內外現有數據采集分析儀的種類繁多，如上海華陽檢測儀器有限公司的 華陽106，但主要存在以下幾個方面的缺點首先從其內部的處理器來看，多 數是以8位或16位單片機為核心；受其處理器處理速度的限制，這些數據采集 器往往都不具備數據分析功能或者數據分析功能很差，而且由于缺少操作系統 的支持，更談不上圖形用戶界面的概念，不利于工人在現場做些簡易的故障診
斷；其次，現有的數據采集器在實時性上做的也不是很好，設定的AD采樣精度 不高，直接導致的是信號在頻域內的失真；再者，其抗混疊濾波器低通截止頻 率的檔位有限，在設定采樣頻率時有較大的限制，通用性不好；有些企業要求 數據采集分析儀要有點檢管理的功能，這通常是很多產品所不具備或者不符合 企業的要求的；最后，現有數據采集器的數據回收方式死板，通常采用的是串 口通信，必須通過專門的上位機軟件來回收數據，降低了企業的點檢效率。
實用新型內容
本實用新型的目的就是克服現有技術的上述不足，提出了一種基于嵌入式 技術的便攜式振動數據采集裝置及方法，本裝置提供了一種精準的AD采樣頻
4率的設定方法，保證了信號在頻預分析的準確性；同時提供了多種數據導出方 式，方便了現場數據的回收。
為了解決上述問題，本實用新型采取了如下技術方案。包括有依次連接的
加速度傳感器、加速度傳感器接口模塊l、電容隔離模塊2、放大濾波模塊3、 自適應抗混疊濾波器4和AD轉換及其總線接口 5、 DIM144接口模塊6、 ARM最 小系統7、單片機8和與單片機8相連接的電子標簽模塊9、鍵盤IO、電源管 理及電壓轉換模塊11，程控放大模塊3和自適應抗混疊濾波器4還與單片機8 相連。其中
所述的加速度傳感器，用來采集目標設備振動的加速度信號，并以電壓的 形式輸出；
所述的加速度傳感器接口模塊1，用來給加速度傳感器提供激勵的電壓和 恒流源；
ARM最小系統7的通信接口 12以及LCD與觸摸屏接口 13通過DIM144接口 模塊8引出；
ARM最小系統7通過通信接口與上位機相連，通過SPI總線與單片機8相 連，A認最小系統7從上位機下載點檢任務，并將點檢任務中的采樣頻率傳送 給單片機8，單片機8通過選擇不同的電阻網絡設定自適應抗混疊濾波器4的 低通截止頻率為采樣頻率的二分之一；
AD轉換及其總線接口 5通過DIM144接口模塊6與ARM最小系統7相連， 所述的AD轉換及其接口模塊5是將模擬信號按照設定的采樣頻率進行AD轉換 后傳送給ARM最小系統7; AD轉換的采樣頻率的設定是通過ARM最小系統的 硬件P碰定時器產生的調制脈沖來控制的，達到了精確的采樣頻率的設定。
所述的電子標簽模塊9是通過單總線的接口將設備上電子標簽信息體內的 信息讀取到單片機8內；
所述的鍵盤接口，是指通過單片機8端口擴展的鍵盤；通過單片機掃描編
碼并將編碼發送給ARM最小系統的鍵盤驅動程序；所述的電源管理及電壓轉換模塊11，當外界為DC時為鋰電池充電，還將 鋰電池輸出的電壓轉換成系統需要的多路模擬電源、數字電源以及隔離電源， 并且結合單片機8完成各路電源的使能控制，控制加速度傳感器接口模塊1、
電容隔離模塊2、程控放大模塊3、自適應抗混疊濾波器4和AD轉換及其總線 接口5的電源的開啟、關閉，在不進行數據采集的情況下，系統將其電源關斷；
LCD及其觸摸屏接口通過D頂144接口 6與ARM最小系統7相連，完成圖形 界面的顯示以及輸入。
所述的通信接口 12包括有USB、 SD和串口。
一種基于嵌入式技術的便攜式振動數據采集方法，該方法是按以下步驟實 現的
1) A副最小系統7通過串行接口 18從上位機下載點檢任務，并將點檢任 務通過SD卡接口 17保存到SD卡上；
所述的點檢任務是一文本文件，包括10個記錄項，內容如下
任務時間；
任務編號；
測點的路徑；
電子標簽的ID號；
設定的采樣頻率；
采樣的樣本長度；
測點的數據類型；
測點的方向，包括水平測點和垂直測點； 要采集的樣本的組數； 組間的間隔時間，單位為毫秒；
2) ARM最小系統7對點檢任務進行解析，通過設定ARM最小系統7的硬件 定時器的參數來設定AD轉換的頻率為采樣頻率，同時SPI協議將采樣頻率發送 給單片機8;
63) 單片機8根據接收到的采樣頻率通過選擇不同的電阻網絡將自適應抗混 疊濾波器4的低通截止頻率設定為采樣頻率的1/2;
4) 驗證測點與點檢任務的一致性；
所述的驗證方法為通過電子標簽接口 9將設備上的電子標簽信息記錄體
的編碼讀入單片機8，單片機8將此編碼發給ARM最小系統7， ARM最小系統7 將此編碼與點檢任務內的電子標簽的工D號相比較，相同則表示任務與測點相對 應，可以執行任務；
5) 確認測點后，將傳感器安裝到指定的位置；
6) 執行點檢任務ARM最小系統7向單片機8發送開始采集指令，單片機 8打開相應模塊的電源，ARM最小系統7啟動AD轉換，開始數據采集；
7) 加速度傳感器采集到的測點的模擬信號依次經過電容隔離模塊2、放大 濾波模塊3、自適應抗混疊濾波器4后，進行AD轉換；
8) AD轉換得到的數據保存在ARM最小系統7的內存中(測得的傳感器輸出 電壓的2進制的補碼，16位)，并將數據轉換成對應的加速度的浮點數；同時， ARM最小系統給單片機8發送停止采集指令，單片機8接收指令后關閉相關模 塊的電源；
9) 數據分析將采集到的數據通過ARM最小系統7內的數據分析軟件進 行分析，并將分析的結果以圖形的方式顯示在LCD上；
10) 數據存儲將AD轉換的數據結果以規定的數據文件形式由內存轉儲 到設備自帶的SD卡上；
所述的數據文件的格式如下
數據文件包括數據頭和數據體兩部分；數據頭分為11項，除了第一項設置 為sch，表示此文件為點檢任務數據，與臨時測點數據文件相區別之外，其余 的10項與點檢任務的數據項完全一致，記錄了樣本的各種信息；數據體為采樣 點數與組數乘積的數量個浮點數記錄項，每個以換行為分隔符。
11) 數據導出通過系統的通信接口 (USB、 SD、串口) 12中的USB接口導出數據至U盤，或者將SD卡卸下到上位機讀出數據，或者通過串口通信通過 上位機數據回收軟件回收數據。
與現有技術相比，本實用新型有益效果如下
1) 強大的嵌入式處理器一以ARM9為核心的S3C2410X 32位嵌入式處理器； 為系統的數據分析功能提供了強大的運算能力的硬件支持；
2) 嵌入式操作系統的支持一本系統采用嵌入式LINUX操作系統(2. 4內核)； 為實現友好的圖形化用戶界面和功能全面的數據分析功能提供了軟件平臺；
3) 靈活的硬件架構一采用主從控制器并且采用接口板和核心板的硬件布 局，方便了系統的升級；
4) 強大的、友好的、人性化的嵌入式數據采集圖形用戶界面分析軟件一本 系統采用3.5英寸大屏幕、高分辨率(320X240)真彩色(65536色)LCD，帶 觸摸屏功能，以及基于MiniGUI的圖形用戶軟件。本系統的軟件具有強大的數 據分析功能，提供了時域和頻域的各種常用的數據分析方法，方便于在現場做 些簡易的設備故障診斷。
5) 實時性高的、精準的AD采樣頻率的設定方法，保證了信號在頻預分析的 準確性；
6) 靈活多樣的數據導出方式一提供了串口、 USB以及SD卡三種數據導出方 式，方便了現場數據的回收。


圖1是數據采集分析儀整體硬件架構框圖
圖2是S3C2410X最小系統結構框圖
圖3是自適應抗混疊濾波器的電路原理圖
圖4是AD轉換模塊ADS7805與S3C2410X的接口電路
圖5是從控制器單片機AT89S52模塊的應用電路原理圖
圖6是電源管理模塊的結構框圖
圖7是電源管理模塊的電路原理圖圖8是數據采集模式1的流程圖是軟件結構框圖 圖9是軟件結構框圖具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型作進一步詳細說明。
如圖1所示，本實施例包括A謂最小系統7、加速度振動傳感器、加速度 傳感器接口模塊l、電容隔離模塊2、程控放大模塊3、自適應抗混疊濾波模塊 4、 AD轉換及其總線接口模塊5、 DIM144接口模塊6、電子標簽接口 9、鍵盤接 口模塊10、單片機8、電源管理及電壓轉換模塊11、通信接口 (USB、 SD、串 口)以及觸摸屏接口模塊13。其中，加速度振動傳感器、加速度傳感器接口模 塊l、電容隔離模塊2、程控放大模塊3、自適應抗混疊濾波模塊4、 AD轉換及 其總線接口模塊5、 DIM144接口模塊6依次相連。電子標簽接口 9、鍵盤接口 10與AT89S52單片機模塊8相連接。單片機模塊與電源管理及電壓轉換模塊11 連接，并且通過DIM144接口模塊6與ARM最小系統7相連接。通信接口 (USB、 SD、串口) 12、 LCD以及觸摸屏接口模塊13通過D頂144接口模塊與ARM最小 系統相連接。所述的電源管理及電壓轉換模塊11與系統的所有模塊均有連接關 系。
如圖2所示，ARM最小系統包括主頻達到230MHz的強大的32位嵌入式ARM 處理器S3C2410X、 8M的NAND FLASH、 32M的SDRAM以及其他的復位電路、電源、 JTAG接口等電路，在此基礎之上，移植了嵌入式LINUX操作系統，在操作系統 之上開發了專用的功能強大的圖形用戶程序，通過圖形化的、友好的用戶程序 來控制數據采集以及數據分析。為采集和分析工業現場的振動加速度信號提供 一種通用的、便攜式的、功能強大的、界面友好、操作方便、與企業點檢管理 系統緊密結合的一體化解決方案。
本實施例在硬件的整體架構上采用的是核心板(附圖1中的模塊7，以 S3C2410X為核心的ARM最小系統)加接口板(附圖1中除模塊7之外的所有模 塊，以AT89S52單片機為控制器)的分體設計，接口板與核心板通過一個DIM144(附圖1中的模塊6)的接口器件相連接，主處理器(S3C2410X)與從控制器
(AT89S52單片機)之間通過SPI總線通信。
本實施例中，將系統設計成主從控制器和分體模塊的結構，其最突出的優 點是方便軟硬件升級。在接口板有變動的情況下，只需修改單片機內驅動程序 以及核心板內相關的驅動程序即可；而核心板內的數據采集分析軟件亦可實現 輕松的升級。再者，采用分體結構的設計，在單個部件出現問題的情況下，可 輕松的實現模塊的替換。方便系統的維護。
核心板(見附圖2)是整個系統的核心模塊，是嵌入式LINUX操作系統的 硬件平臺，也是整個應用軟件運行的硬件平臺。負責數據的采集、存儲、分析 等功能。該款A固芯片具有豐富外部接口，如存儲器控制器、LCD控制器、SPI 接口控制器、IIC接口控制器、硬件定時器等，大大簡化了用戶在擴展外部接 口的難度。本模塊就是利用其豐富的外設接口構造的一個A腹最小系統。
該模塊中，擴展了一8M的NAND FLASH存儲器作為程序存儲器；擴展了一 32M的SDRAM作為系統的內存，同時，將該系統用到的A函資源如數據線、地 址線、LCD接口、定時器接口、 USB口、串口、 SPI 口、 RTC以及一些中斷接口 資源通過一個DIM144引出到接口底板。
接口板的主要作用是對采集到的信號進行調理、AD轉換以及為整個系統提 供一個完整的便攜式產品電源解決方案。它包括一個從控制器AT89S52單片機、 信號放大、濾波電路、電源管理及電壓轉換模塊、A/D轉換及其接口模塊以及 一些通用的接口電路(USB、串口、 SD卡接口、 LCD接口、鍵盤接口等)；單片 機的主要功能是控制接口板的各個功能模塊以及通過SPI總線與A脂核心板進 行通信。
下面對各模塊分別進行詳細說明。
如圖3所示，本實施例中的自適應抗混疊濾波器模塊4，是指單片機根據 設定的采樣頻率通過自動選擇相應的電阻網絡來將抗混疊濾波器的低通截止頻 率設定到采樣頻率的二分之一，濾除高頻的干擾信號，防止產生頻率混疊，共8個檔位，截止頻率從500Hz到20KHz。
根據香農采樣定理，只有在采樣頻率大于被采樣信號的頻率的2倍以上時 才不會出現頻率混疊現象。而抗混疊濾波器的作用就是在采樣頻率為N(Hz)時 將被采集信號的截止頻率限定在N/2(Hz)以下。本系統所設計的自適應抗混疊 濾波器是指根據系統所設定的采樣頻率自動選擇信號的截止頻率，來滿足香農 采樣定理。
UAF42是TI公司的一款高性能的通用型2階濾波器，只需要外部很少的電 阻元器件就可以很方便的配置成各種低通、帶通、高通濾波器。當UAF42工作 在低通模式時，需要外接3個電阻(RF1、 RF2以及Rq)來確定其低通截止頻率。 電阻值的改變將引起低通截止頻率的變化。此模塊就是根據這個原理，用兩個 UAF42級聯組成一四階的低通濾波器，由4個MAX308和一個MAX309多路開關 組成了一個8組(每組3個電阻)的電阻網絡，并通過單片機的三個引腳來選 通多路開關的一組對應的電阻，來達到設定不同低通截止頻率的目的。用這種 方法構造的抗混疊濾波器成本低，結構簡單，通用性好。而且本系統設定了 8 檔的截止頻率，從500Hz到20KHz，能夠完全滿足通用性的要求。
系統設定了 8組不同的采樣頻率，0. 5k、 lk、 2k、 4k、 5k、 10k、 20k和
25k。
放大濾波模塊3的輸出信號與自適應抗混疊濾波器模塊4的輸入相連接， 單片機8從A固最小系統7接收到采樣頻率這個參數后，計算得到低通截止頻 率，這時可通過單片機7的三個引腳來控制選通多路開關對應的一組電阻值， 即設定抗混疊濾波器的低通截止頻率。經過抗混疊濾波后的信號輸出到AD轉換 及其接口模塊。
本數據采集器的主要功能是對單一振動通道的信號進行AD轉換，我們關心 的信號的頻帶范圍小于20K;模擬信號電壓范圍士10V;另外考慮到AD轉換器 與CPU的接口以及綜合考慮要求的轉換位數，最終確定了 TI公司的一款AD轉 換器ADS7805。 ADS7805是一款髙精度16位逐次逼近型(SAR) AD轉換器，最高轉換頻率100K。在儀器儀表中得到廣泛的應用。
由于ADS7805與S3C2410邏輯電平的電壓不同，所以在數據總線上接了一 個5V轉3. 3V的16位并行、雙向、三態、電平轉換模塊SN74LVC16T245，如圖 4所示，這個模塊帶有使能引腳，S3C2410的兩個地址引腳(nGCSl與MA2)經 過一個與非門與這個使能引腳相連接。當地址總線上送上地址時，將開啟電平 轉換接口模塊送出數據，無地址信號時呈高阻狀態。T0UT0引腳是S3C2410的 P麗定時器TIMERO輸出端，經過非門后與ADS7805相連接，按照要求的頻率產 生AD轉換的調制脈沖。AD轉換及其總線接口電路見圖4。
本實施例采用的主從控制器的架構，上位控制器為S3C2410X構成的A畫最 小系統(圖2)，是操作系統和應用程序運行的硬件平臺；下位控制器是單片機 AT89S52 (圖5)，主要實現接口底板上的鍵盤模塊以及電源管理、程控放大、 自適應濾波等模塊的控制功能以及電子標簽的讀取以及鍵盤的掃描編碼。它與 S3C2410X之間通過SPI通信協議通信，它除了將掃描的鍵盤編碼發送給 S3C2410X最小系統外，在進行數據采集時，接收來自S3C2410X最小系統的命 令，通過對命令的解析，完成對放大電路、抗混疊濾波電路以及電源管理模塊 的相關設置。
單片機資源配置說明
P0.5-P0.7、 P2. 5-P2. 7 、 P3. 2 、 P3. 3與Pl. 0:與電源管理與電壓轉化模
塊相連接，檢測系統的供電的狀態以及控制系統各個模塊的電源使能輸出；(見
附圖7)
P1.2:電子標簽模塊的單總線相連接；
P1.5-P1.7， P1.4: ARM最小系統與單片機之間的SPI通信接口，這四個引腳 與A脂最小系統的SPI總線和一個GPIO端口相連接。P3.0-P3. 1:這兩個引腳與程控放大器的兩個引腳相連接，可以選擇1、 2、 4、 8倍的放大倍數；
P3.4-P3.6:此三個引腳與抗混疊濾波器的多路開關的引腳相連接，可以實
現8種低通截止頻率；
電源管理模塊，除了當外界為DC時為鋰電池充電，還將鋰電池輸出的電壓
轉換成系統需要的多路模擬電源、數字電源以及隔離電源，并且結合單片機完 成各路電源的使能控制，控制加速度傳感器接口模塊、電容隔離模塊、程控放
大模塊、自適應抗混疊濾波器和AD轉換及其總線接口的電源的開啟、關閉，在 不進行數據采集的情況下，系統將其電源關斷，以最大化的節省電能，延長儀 器的運行時間；
由于本實施例采用的是鋰電池供電，而系統工作需要各種電壓，主要有± 12V、 5V、和3.3V。這些所需要的電壓都是通過鋰電池經過轉換而提供。另外， 系統有的模塊在一定的情況下是不需要供電的，所以，這是可以將其電源關閉， 這又涉及到電源管理的問題。本實施例給出了一個完整的便攜式設備的電源管 理方案。如圖6和圖7所示，此模塊的核心是MAX8662， MAX8662芯片是美信公 司推出的一款為基于單鋰電池供電系統的高性能的電源管理芯片。它內部集成 了兩個同步開關整流器， 一個能驅動2-7個LED的升壓整流器，4個降壓線性 整流器以及一個為鋰電池充電的線性充電電路。MAX8662具有智能電源選擇器， 在有外部供電電源和電池供電同時從在的情況下，他能在兩者之間智能的切換， 比如，外部電源不能提供系統所需要的電流，這時，電池也將為系統提供電能; 如果外部電源供電能力有剩余，充電電路將啟動，為電池進行充電。同時， MAX8662內部還具有溫度保護電路，用來規定電池充電的時間以避免過熱損壞 電池。本系統利用LX1、 LX2、 0UT4、 0UT5這4路輸出分別為系統其他模塊供電。 本模塊內有一個小的功能單元電源開關模塊LTC2950。它是一款低供耗、 寬電壓輸入范圍、按鈕接通/關斷控制器。該器件具有一個獨立可編程接通和關斷防反跳時間的按鈕輸入。這款芯片還包含一個簡單的微處理器接口，以
便在斷電之前進行正確的內部處理。LTC2950可在2. 7V至26V的寬范圍內工 作，適應各種各樣的輸入電源。非常低的靜態電流(6uA)，非常適合于以電 池供電的便攜式儀器。
LTC2950的PB引腳接電源的開關(儀器的鍵盤上的電源開關按鈕)， LTC2950采用系統鋰電池供電，KILL與INT引腳接單片機的引腳，EN引腳則 接電源管理模塊的MAX8662的通道1的輸出使能端。按下接通按鈕以后，即 將PB引腳的電平拉低，則EN引腳就會輸出高電平來開啟MAX8662的通道LX1 的輸出。LX1輸出電壓為3. 3V。此路電源經3. 3V轉5V模塊轉換為單片機需 要的5V電壓(3. 3V轉5V采用的是TI公司的一款高效率的輸出電流高達1. 8A 的開關電源電壓轉換芯片TPS63002，被廣泛應用到單鋰電池供電的各種便攜 式電子設備里。其主要有以下特點轉換效率高達96%;輸出電壓可調，
1.2-5.5V;升壓降壓兩種模式自動轉換；靜態電流50llA);這樣首先得到供電
的是單片機，單片機啟動以后將開啟A脂芯片的電源，ARM開啟之后建立與單 片機之間的通信。其他模塊在需要供電的時候，ARM最小系統才發指令給單片 機，由單片機開啟其他電源輸出。
在關機按鈕按下以后，單片機將先收到關機信號，同時將此信號傳送給A函 芯片，在1024ms的時間之內，系統要做關機前的準備工作，之后，系統斷電。
本模塊中的電容隔離模塊需要隔離電源才能達到很好的隔離效果，為此， 本系統采用了隔離穩壓電源模塊DCH010512D。 DCH010512D是一款單端輸入雙 極性輸出的隔離電源模塊，輸入電壓5V土10。/。，輸出為±12。本系統中用到兩 個隔離電源模塊，主要作用有兩點首先一個為電容隔離模塊提供土12V的隔 離電源，另外一個與系統的5V電源相隔離，為系統放大濾波電路提供雙端電 壓。
本實施例中提供的采集分析儀有兩種采集方式，分別為點檢任務模式和 臨時測點模式-第一種采集方式一點檢任務模式，如圖8所示，包括以下步驟-1)本裝置通過通信接口模塊的串口與上位機進行通信，從上位機接收點 檢任務到A畫最小系統，并將點檢任務通過SD接口保存到系統自帶的SD卡上； 點檢任務內容如下
點檢任務是一文本文件，包括10個記錄項(順序固定)，每個記錄項目以換 行符為結束標志。如下(擴號后面只是在此處的注釋，實際文件內并不存在) 20071112 (任務時間，8個字符，分別為年月日)；
0004 (任務編號，4個字符，從0001到9999);
某鋼廠/第一煉鋼廠/四號高爐/左耳軸齒輪箱/2辟由承(測點的路徑)；
90fel20a(16進制表示的64位長的電子標簽的ID號，對應唯一的一個測點)； 100000 (IO進制表示的設定的采樣頻率，單位Hz); 4096 (10進制表示的采樣的樣本長度)；
1 (測點的數據類型，l表示加速度，2表示速度，3表示位移，目前只能設 定為1);
0 (測點的方向，0表示水平測點，l表示垂直測點)；
2 (要采集的樣本的組數，最大值為與樣本長度有關)； 20 (組間的間隔時間，單位為毫秒)。
2) A函最小系統對點檢任務進行解析，通過設定ARM最小系統的硬件定時 器0的參數來設定AD轉換的頻率，同時將采樣頻率這個參數發送給單片機；
3) 單片機根據接收到的采樣頻率這個參數將抗混疊濾波器模塊的低通截止 頻率設定為采樣頻率的1/2;
設定抗混疊濾波器的低通截止頻率的方法主要是指
當ARM最小系統讀取點檢任務相關信息后，主要是采樣頻率，將此信息通 過SPI協議傳給下位控制器單片機，單片機會自動根據得到的這個采樣頻率數 據通過選擇不同的電阻網絡，將抗混疊濾波器的低通截止頻率設定到采樣頻率 的二分之一；本系統提供了多達8個檔位的低通截止頻率，分別為500Hz， lKHz，2KHz， 4KHz， 5KHz， 10KHz， 20KHz， 25KHz，能夠完全滿足通用性的要求。
4)驗證測點與點檢任務的一致性； 所述的驗證方法為通過本裝置的電子標簽接口，將設備上的電子標簽信息
記錄體的編碼讀入單片機，單片機將此編碼發給ARM最小系統，A脂最小系統
將此編碼并與點檢任務內的編碼相比較，相同則表示任務與測點相對應，可以
執行任務；
5) 確認測點后，將傳感器安裝到指定的位置；
6) 執行點檢任務，ARM最小系統給單片機發送開始采集指令，單片機打開 相應模塊的電源，ARM最小系統啟動AD轉換，開始數據采集；
7) 加速度傳感器采集到的測點的模擬信號依次經過電容隔離、放大、抗 混疊濾波后，進行AD轉換。
8) AD轉換得到的數據保存在ARM最小系統的內存中(測得的傳感器輸出電 壓的2進制的補碼，16位)，并對數據進行轉換，將數據轉換成對應的加速度 的浮點數；同時，ARM最小系統給單片機發送停止采集指令，單片機接收指令 后關閉相關模塊的電源；
9) 數據分析；將采集到的數據通過本系統內的數據分析方法進行分析， 并將分析的結果以圖形的方式顯示在LCD上；
10) 數據存儲將轉換的數據結果以規定的數據文件的形式由內存轉儲到 設備自帶的SD卡上；
所述的數據文件的格式如下
數據文件包括數據頭和數據體兩部分；數據頭分為11項，除了第一項設置 為sch(表示此文件為點檢任務數據，與臨時測點數據文件相區別)之外，其余 的10項與點檢任務的數據項完全一致，記錄了樣本的各種有用的信息；數據體
為采樣點數與組數乘積的數量個浮點數記錄項，每個以換行為分隔符。
11) 數據導出可通過系統的USB接口模塊導出數據至U盤，也可以將SD
卡卸下，到上位機讀出數據，還可以通過傳統的串口通信通過上位機專門的數
16據回收軟件回收數據。
第二種采集方式一臨時測點模式，包括以下步驟
1) 通過鍵盤對測點進行采集參數的設定；主要包括采樣點數、采樣頻率、 放大倍數、采樣組數、組間時間間隔、報警值等信息。
2) A體最小系統對參數進行解析，并通過設定ARM最小系統7中的定時器 的參數來設定AD轉換頻率，同時將放大倍數和采樣頻率這兩個參數發送給單片 機；
3) 單片機根據收到的參數設定程控放大的倍數以及選擇抗混疊濾波器的 低通截止頻率；
4) 將加速度傳感器安裝在指定的位置；
5) 通過鍵盤發送開始采集指令給系統硬件，ARM最小系統通過開啟定時器 0來開啟AD轉化，開始數據采集；
6) 同模式1的步驟7，對采集的數據進行轉換；
7) 同模式1的步驟8、 9、 10、 11，唯一不同的是步驟10中的數據文件的 數據頭第一記錄項設定為tmp，表示此數據文件為臨時測點數據文件。
與現有的數據采集分析儀相比，本實施例中的數據文件的格式有明顯的改 進現有的數據分析儀中的的數據文件只包括數據體這單一的部分，數據的相 關信息保存在另外一個文件內，需要用專門的軟件才能識別數據文件，數據文 件格式是不公開的，不利于數據資源的共享；而本系統中，數據文件包括數據 頭和數據體兩部分，增加了數據頭信息；數據頭分為ll項，除了第一項設置為 sch(表示此文件為點檢任務數據，與臨時測點數據文件相區別)之外，其余的 IO項與點檢任務的數據項完全一致，記錄了樣本的各種有用的信息；數據體為 采樣點數與組數乘積的數量個浮點數記錄項，每個以換行為分隔符。
傳統的控制AD轉換的頻率通常是通過軟件延時的方式來實現的，實時性不 好，其設定的采樣頻率往往有一定的誤差，直接導致的結果是信號在頻率內的 失真。本系統在此環節主要利用的是硬件本身的特定達到了精確設定采樣頻率、硬實時性的目的。本系統中的AD轉換開啟是通過S3C2410X本身提供的以P醫 定時器產生的調制脈沖來實現的。調制脈沖的頻率即是設定的采樣頻率，且當 開啟P麗定時器后，其運行是不受操作系統環境影響的，能夠產生精準的調制 脈沖。
如圖9所示，系統上電后，處理器初始化硬件資源，運行LINUX操作系統， 初始化硬件設備，主要是指SPI設備(建立與單片機通信，單片機AT89S52是 作為LINUX操作系統的硬件設備而工作的)和AD設備；并通過腳本啟動主程序， 進入圖形化的用戶界面。等待用戶的輸入。當執行點檢任務時，主程序先給SPI 設備傳遞參數(采樣頻率)以及給AD設備傳遞參數(采樣點數和采樣頻率)，然 后啟動AD轉換，進行數據采集。在數據采集完成之后，將采集到的數據按規定 的格式以文件的形式保存到SD卡中，同時，通過給單片機發送指令，關閉相關 模塊的電源，以最大化節省電能，延長儀器的運行時間。
本嵌入式系統之上安裝的嵌入式圖形應用程序，采用圖形界面應用層和硬 件驅動層的分層結構而設計，圖形界面具有可移植性，是與硬件層無關的，為 用戶提供了一個有好的圖形界面；而驅動層是作為LINUX內核的模塊而動態加 載的，位于應用層和和具體的硬件之間，為應用層屏蔽硬件的具體細節并且為 其提供一個一致的應用程序接口。(軟件架構見附圖9)
傳統的數據采集分析儀的用戶界面往往比較簡單，功能單一，沒有一個完 備的、友好的、功能強大的圖形用戶界面。
本軟件集數據采集、數據分析、數據管理以及數據通信等功能為一體，在 友好的圖形用戶界面的之下完成振動數據采集任務的參數設置、數據采集、 數據存儲、數據傳輸、數據的時頻域分析、數據的管理、點檢任務的接收與 管理、系統參數的設置以及與上位機通信等功能。功能強大，使用方便。
本系統主要有六大模塊組成，分別是數據采集模塊，系統設置模塊，數據 分析模塊，任務管理模塊，數據導出模塊，以及串口通信模塊。
數據采集模塊主要功能是對臨時的測點進行數據采集，并將采集的數據存儲，其中主要包括各種參數的設置，如通道選擇、采樣點數、采樣頻率等參 數的設置。
系統設置模塊包括系統時間的設置，LCD背光的調整等。
數據分析模塊包括數據的管理以及數據的分析功能兩大功能。在數據管理 功能中，可以簡要查看測點的路徑、各種采集參數的設置情況等信息、刪除 數據文件等。而數據分析功能中，提供了對測點的數據進行各種時頻分析的 工具，方便點檢人員在現場做出建議的設備故障診斷。
任務管理模塊主要功能是管理數據采集分析儀內已有的點檢 任務。點檢人員可以通過此模塊方便的査看點檢任務的測點的信息，規定的 任務的執行時間，任務中設置的各種參數。選定任務后，可以執行相應的任 務進行數據采集和存儲。
數據導出模塊主要功能是導出數據至u盤。
串口通信模塊主要實現兩個功能接收上位機下達的點檢任務；將分析儀
內所有的數據文件上傳到上位機的數據庫中。
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權利要求1、一種基于嵌入式技術的便攜式振動數據采集裝置，包括有依次連接的加速度傳感器、加速度傳感器接口模塊(1)、電容隔離模塊(2)、程控放大模塊(3)、自適應抗混疊濾波器(4)和AD轉換及其總線接口(5)，其特征在于還包括有ARM最小系統(7)、DIM144接口模塊(6)、單片機(8)和與單片機(8)相連接的電子標簽模塊(9)、鍵盤(10)、電源管理及電壓轉換模塊(11)，所述的程控放大模塊(3)和自適應抗混疊濾波器(4)還與單片機(8)相連；其中所述的加速度傳感器，用來采集目標設備振動的加速度信號，并以電壓的形式輸出；所述的加速度傳感器接口模塊(1)，用來給加速度傳感器提供激勵的電壓和恒流源；ARM最小系統(7)的通信接口(12)和LCD以及觸摸屏接口(13)通過DIM144接口模塊(6)引出；ARM最小系統(7)通過通信接口(12)與上位機相連，通過SPI總線與單片機(8)相連接，ARM最小系統(7)從上位機下載點檢任務，并將點檢任務中的采樣頻率傳送給單片機(8)，單片機(8)通過選擇不同的電阻網絡設定自適應抗混疊濾波器(4)的低通截至頻率為采樣頻率的二分之一；AD轉換及其總線接口(5)通過DIM144接口模塊(6)與ARM最小系統(7)相連，所述的AD轉換及其接口模塊(5)是將模擬信號按照設定的采樣頻率進行AD轉換后傳送給ARM最小系統(7)；AD轉換的采樣頻率的設定是通過ARM最小系統的硬件PWM定時器產生的調制脈沖來控制的；所述的電子標簽模塊(9)是通過單總線的接口將設備上電子標簽信息體內的信息讀取到單片機(8)內；所述的鍵盤接口，是指通過單片機(8)端口擴展的鍵盤；通過單片機掃描編碼并將編碼發送給ARM最小系統的鍵盤驅動程序；所述的電源管理及電壓轉換模塊(11)，當外界為DC時為鋰電池充電，還將鋰電池輸出的電壓轉換成系統需要的多路模擬電源、數字電源以及隔離電源，并且結合單片機(8)完成各路電源的使能控制，控制加速度傳感器接口模塊(1)、電容隔離模塊(2)、程控放大模塊(3)、自適應抗混疊濾波器(4)和AD轉換及其總線接口(5)的電源的開啟、關閉，在不進行數據采集的情況下，系統將其電源關斷；LCD及其觸摸屏接口(13)通過DIM144接口(6)與ARM最小系統(7)相連，完成圖形界面的顯示以及輸入。
2、 根據權利要求1所述的一種基于嵌入式技術的便攜式振動數據采集裝置，其 特征在于所述的LCD為3. 5英寸屏幕、320X240分辨率、65536色的LCD。
3、 根據權利要求1所述的一種基于嵌入式技術的便攜式振動數據采集裝置，其 特征在于所述的通信接口 (12)包括有USB、 SD和串口。
專利摘要本實用新型涉及數據采集和設備故障診斷領域，具體地說是一種基于嵌入式技術的便攜式單通道振動數據采集裝置。包括有依次連接的加速度傳感器、加速度傳感器接口模塊、電容隔離模塊、程控放大模塊、自適應抗混疊濾波器和AD轉換及其總線接口。還包括有ARM最小系統、DIM144接口模塊、單片機和與單片機相連接的電子標簽模塊、鍵盤、電源管理及電壓轉換模塊。程控放大模塊、自適應抗混疊濾波器還與單片機8相連。本裝置通過串口與上位機進行通信，下達點檢任務，并把點檢任務中的采樣頻率發送給單片機，單片機通過采樣頻率來設定抗混疊濾波器的低通截止頻率。本裝置功耗低、操作方便、數據分析功能強大；具有實時、準確的特點。
文檔編號G08C19/16GK201142137SQ200820078420
公開日2008年10月29日 申請日期2008年1月4日 優先權日2008年1月4日
發明者劉曉松, 崔玲麗, 張建宇, 胥永剛, 高立新 申請人:北京工業大學