采用處理器實現(xiàn)便攜式振動測試分析儀的改進(jìn)設(shè)計

在大型旋轉(zhuǎn)機械、橋梁、地下鐵路、加工機床等領(lǐng)域，對振動信號進(jìn)行采集和分析，可以實現(xiàn)危險預(yù)報、故障診斷、性能指標(biāo)分析等多項功能。傳統(tǒng)的便攜式振動測量分析儀大多用單片機或RISC CPU作為核心處理器，一般是8位或16位的，內(nèi)存只有幾Kb，外部存儲器的容量也只有1～2 Mb，再加上CPU的主頻不高，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運算（如FFT等），需要很長時間，圖像顯示基本上依靠黑白液晶屏，可以顯示的內(nèi)容少，因此對傳統(tǒng)的便攜式振動測試分析儀進(jìn)行性能的改進(jìn)很有必要。

本項目采用ARM9的S3C2410處理器，可以連續(xù)監(jiān)測8個通道，提供轉(zhuǎn)速、棒圖、振動通頻值、數(shù)據(jù)列表、時域波形、頻譜圖、伯德圖等振動監(jiān)測、分析圖表。采用640×480的TFT彩色顯示屏，界面美觀，可以顯示的內(nèi)容豐富，采用64Mb內(nèi)存，可以暫存長時間的采樣數(shù)據(jù)、運算結(jié)果數(shù)據(jù)，采用64Mb NAND FLASH，可以保存多組測量歷史數(shù)據(jù)。體積小，22cm×18cm×10cm，攜帶方便，較以前產(chǎn)品，性能有了大幅度的提高。

硬件部分介紹

硬件主要由3部分組成，核心板、底板及信號輸入接口板共3塊電路板組成，下面分別介紹。

核心板

核心板主要由S3C2410處理器、64Mb NAND FLASH（K9F1208）、64Mb內(nèi)存（2片HY57V561620 ）組成。底板的接口采用144引腳的內(nèi)存插槽，引出了16位的數(shù)據(jù)總線、16位的地址總線、IIC接口、SPI接口、IIS接口、JTAG接口、USB接口、LCD接口、觸摸屏接口等CPU的輸入輸出口線。

S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18μm制造工藝的32位微控制器。該處理器擁有：獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer 、I/O口、RTC、8路10位ADC、Touch Screen接口、IIC-BUS 接口、IIS-BUS接口、2個USB主機、1個USB設(shè)備、SD主機和MMC接口、2路SPI。S3C2410處理器最高可運行在203MHz。每秒鐘的運算能力為203×1.1MIPS，所以對FFT的計算非常的快。

電路原理圖設(shè)計參考了三星公司提供的評估板的ORCAD格式的電路原理圖。小經(jīng)驗：國內(nèi)的硬件工程師普遍熟悉PROTEL軟件，對ORCAD不是很熟悉，用PROTEL 2004可以直接打開ORCAD格式的三星公司的S3C2410評估板的電路原理圖，適當(dāng)?shù)男薷木涂梢孕纬勺约旱男枰腜ROTEL格式的電路原理圖，而且不容易出錯，所以本核心板的原理圖設(shè)計非常順利。

PCB的設(shè)計由于S3C2410采用272引腳的BGA封裝，所以電路板的制作采用了6層電路板，從頂層到底層依次為元件層、地、布線層1、布線層2、地、底層。布線間距最小為5mil，最小線寬5mil， 過孔大小8/16mil，核心板全部采用手工布線完成。

底板的設(shè)計

底板主要由A/D電路、TFT彩色屏接口、網(wǎng)絡(luò)接口電路、觸摸屏接口電路組成，各部分的電路如下面所述。

A/D芯片與CPU的接口

A/D芯片采用AD7864，AD7864是一種高速、低功耗、可以4通道同時采樣的A/D轉(zhuǎn)換器。它的主要特性有：高速12位A/D轉(zhuǎn)換器；同時采樣4個輸入通道，并具有4個采樣、保持放大器；0.35μs采樣保持獲取時間，每一個通道轉(zhuǎn)換時間1.65μs；可以通過軟件或者硬件的方法選取用于采樣的通道；單電源供電（+5V）；多個轉(zhuǎn)換電壓范圍；具有高速并行接口，可以與處理器直接連接；低功耗，每通道功耗90mW；對于每一個模擬輸入通道均有過壓保護(hù)電路。AD7864 4通道同時工作時，最大采樣率可以高達(dá)130kHz。用了2片AD7864，可以同時采樣8路信號，同時監(jiān)測8個通道。

通常的機械的轉(zhuǎn)速的范圍在100～30000轉(zhuǎn)/分，即最高頻率為500Hz，根據(jù)振動分析儀的采樣需要，每個周期采128個點計算，采樣頻率不超過64kHz， 這樣的采樣頻率與S3C2410的CPU核心頻率200MHz、外部數(shù)據(jù)總線頻率的100MHz相比還是很低的。

因此采用AD7864的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號BUSY的下降沿中斷CPU，然后由S3C2410直接讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)到內(nèi)存中去。沒有采用外部RAM緩存A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)或用FIFO來對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，然后再由CPU讀取緩存里數(shù)據(jù)的方法。電路的實際測試結(jié)果是采樣頻率小于100kHz時，完全可以正確無誤的讀取到采樣后的數(shù)據(jù)，大大的簡化了A/D采樣部分的電路設(shè)計及節(jié)省了電路成本。

與CPU的接口電路的設(shè)計如圖1所示。

圖1 AD7864與S3C2410的接口設(shè)計

其中AIN1-AIN8是模擬信號的輸入，DATA0-DATA11是S3C2410的數(shù)據(jù)總線的低12位，EINT0接S3C2410的外部中斷線的0號線，nOE是S3C2410的讀使能信號，AD7864的片選直接接S3C2410的NGCS1、NGCS2，對AD7864進(jìn)行讀操作用BANK1、BANK2的首地址，即0x08000000，0x10000000。CONV_START是采樣頻率信號，可以是外部的同步采樣信號，每周期采128個點，也可以是內(nèi)部PWM電路產(chǎn)生的內(nèi)部非同步采樣信號。

顯示屏接口電路

S3C2410自帶LCD驅(qū)動器，所以顯示接口的設(shè)計比較簡單，使用的TFT顯示屏為臺灣元太的PD064VT4屏，PD064VT4屏是一款640×480的高亮TFT彩屏，其亮度為400Cd/m2，非常適合工業(yè)場合的應(yīng)用，信號接口：并行 18位 RGB，每種顏色用6位信號表示。

TFT顯示屏與CPU的數(shù)字接口部分如圖2所示。

圖2 PD064VT4顯示屏與S3C2410的數(shù)字接口部分

S3C2410的LCD驅(qū)動器接口是24位的RGB接口，其輸出信號為VD0-VD7、VD8-VD15、VD16-VD24，每種顏色用8位數(shù)字信號表示； PD064VT4 TFT屏的接口是18位的RGB接口，每種顏色用6為數(shù)字信號表示，即R0-R5、G0-G5、B0-B5。連接時VD2-VD7和B0-B5相連，VD10-VD15和G0-G5相連，VD18-VD23和R0-R5相連。VD0、VD1、VD8、VD9、VD16、VD17不使用。

觸摸屏接口電路

本振動測試分析儀的人機接口界面采用了電阻式觸摸屏，加上采用了640×480的高亮TFT彩色液晶屏，使得人機界面很友善，操作非常方便。S3C2410自帶了觸摸屏的接口電路，觸摸屏接口的設(shè)計比較簡單。觸摸屏接口電路如圖3，其中YU、YL、XR、XL表示4線電阻式觸摸屏的的4個接口信號。

圖3 觸摸屏接口電路

信號輸入接口板

信號輸入接口板可以接渦流傳感器或磁電傳感器，每個通道根據(jù)接入的傳感器類型不同，處理電路有所區(qū)別，電路主要由低通、高通濾波電路，有效值轉(zhuǎn)換電路等組成，輸出交流的波形信號或直流信號（間隙電壓或振動烈度）， 信號輸入接口板還包括一個鎖相環(huán)電路，使AD7864的采樣頻率是轉(zhuǎn)速的128倍，即每個周期采樣128點。

信號輸入接口板和底板的連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 信號輸入接口板和底板的連接關(guān)系

IO1-IO7是S3C2410的8個IO口線，主要用來對信號輸入接口板的輸出信號進(jìn)行選擇，首先控制是按照渦流傳感器處理還是按照磁電傳感器處理，然后控制是輸出交流的波形信號還是輸出直流信號（間隙電壓或振動烈度）。

Ch01-ch08是信號輸入接口板輸出給AD7864去進(jìn)行采樣的交流或直流信號。KPH信號是轉(zhuǎn)速信號，送到S3C2410的定時器去測量轉(zhuǎn)速。CLK的頻率是KPH頻率的128倍，也即外部同步采樣頻率信號，通過信號輸入接口板上的一個鎖相環(huán)電路產(chǎn)生，COUT是由S3C2410的定時器對輸入的CLK信號進(jìn)行128分頻產(chǎn)生，是反饋給鎖相環(huán)電路的相位比較信號。

軟件設(shè)計

考慮到軟件只需要用單任務(wù)就可以完成所有的功能，沒有必要使用嵌入式實時操作系統(tǒng)，另外考慮到商用嵌入式實時操作系統(tǒng)（如VxWORKS）的價格較貴，開源的嵌入式操作系統(tǒng)如Linux對開發(fā)人員的要求較高，另外也不是硬實時的操作系統(tǒng)，所以沒有采用嵌入式實時操作系統(tǒng)。

本振動測試分析儀采用了640×480的TFT真彩屏，為了達(dá)到比較好的顯示效果，首先編寫好基本的畫圖函數(shù)（畫點、線、圓、弧線、橢圓、矩形、填充），然后在此基礎(chǔ)上編寫了顯示圖片、簡單窗口、下拉式菜單的函數(shù)。由于儀表的顯示界面還是相對比較簡單，并不需要做成像Windows視窗那樣的復(fù)雜界面，所以界面顯示效果還是很漂亮的，達(dá)到了預(yù)期的要求。

整體流程圖如圖5圖6所示。

圖5 整體軟件流程圖

圖6 信號的A/D采集流程圖

結(jié)束語

本文詳細(xì)的說明了基于S3C2410的振動測試分析儀的硬件電路設(shè)計及軟件設(shè)計過程，采用了ARM9的S3C2410處理器，較以往產(chǎn)品的性能有大幅度的提高。由于S3C2410的內(nèi)核頻率及外部總線的頻率很高，自帶彩色LCD驅(qū)動器及觸摸屏接口，所以大大提高了FFT運算的能力，可以用于實時監(jiān)測，并簡化了A/D數(shù)據(jù)采集部分的電路設(shè)計和成本，另外人機接口非常的友好，界面漂亮。

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