基于單片機的信號采集系統(tǒng)的設計

　　信號采集設備廣泛使用于機器健康診斷系統(tǒng)中用來記錄、監(jiān)視和診斷。機器情況數(shù)據(jù)經(jīng)常由非便攜式或者帶導線的設備收集。對于一些重要的應用，比如危險或者遙遠的地點，尤其是在航空上，提供可以方便地攜帶或者讀取的設備是必要的。另外，機器健康診斷尤其是機床振動信號診斷經(jīng)常處理低頻信號，這值得關(guān)注。

　　本文研究一種微控制器為基礎的信號采集系統(tǒng)，以滿足信號采集的低成本和靈活模式。開發(fā)系統(tǒng)的主要硬件包括一臺微型計算機、一個以PIC18F1320為基礎的微控制器電路板以及串行通訊鏈接設備。EEPROM 24LC32A被用來進行存儲器擴展。微型計算機運行控制程序。一旦用戶在微型計算機界面上決定采樣輸入，信息便通過RS-232端口送往微控制器。微型計算機和微控制器通過特定的協(xié)議通信。微型計算機告知微控制器模-數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣間隔、采樣次數(shù)與采樣通道。電路板的設計考慮了開放式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用了24引腳易于插拔的插座來容納Micro-chip微控制器。微處理器將調(diào)制的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)直接輸送到微型計算機或者存儲于EEPROM以便將來讀取。不同的命令與反饋代表系統(tǒng)的不同操作。電路板通過串行電纜在采集完信號后連接到微型計算機交互，也可以即時連接和傳送。

　　1 系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)的主要原理圖如圖1所示。其中PIC18F1320控制器采用5V電源供電，支持在線串行編程，最高時鐘頻率達到40MHZ，通訊波特率可以自動檢測。端口A是雙向輸入/輸出復用管腳，AN0等管腳被定義成模擬輸入，由用戶是行采用通道的選擇。總共有13個模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道且采樣時間可以編程。通道輸入的被測信號經(jīng)過電子電路調(diào)制成符合抽控制器電氣要求的信號。調(diào)制信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓為+5V。電路板可以微控制器重新編程后方便地插入；同時，電路板可通過跳線設置民終端用戶進行電纜連接。由于微控制器與串行電路的電氣特性不同，工業(yè)標準級的MAX232芯片被使用以保證正確的數(shù)據(jù)傳輸（見圖2）。該芯片和PIC18F1320一樣適用于低功耗場合。MAX232上連接的電容采用的是電解電容，電容值為1UF。MAX232的11腳或者10腳接微控制器的USART輸出端，12腳或者9腳接微控制器的USART輸入端。微控制器的存儲器擴展使用了32K的I2C串行EEPROM（見圖3），數(shù)據(jù)可以保持200年。EEPROM的地址線A0、A1、A2被接地。串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘一SCL被分別連接到微控制器的B端口相應管腳。寫保護WP接+5V。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 微型計算機和PIC18F1320的串行連接

圖3 使用24LC32A進行存儲器擴展

　　2 軟件設計

　　2.1 微型計算機控制程序

　　微型計算機通過用戶友好命令程序或者Microsoft超級終端程序與用戶交互。兩種程序都有效地與微控制器交換命令和操作數(shù)據(jù)。

　　命令程序界面如圖4所示，采用Visual Basic編程。界面顯示了通信握手與反饋、用戶命令選擇以及轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。讀入的數(shù)據(jù)可以用文本的形式保存。信號波形繪制例子如圖5所示。用戶應該選擇正確的采樣間隔以保證采樣過程的準確性。一般來說，通信設置的修改由用戶負責進行。

圖4 命令程序界面

圖5 被采樣到的增長式正弦和sinx/x波

　　2.2 微控制器算法

　　一旦采樣變量值被確定，信息交換模塊接手整個工作。該模塊的算法如圖6所示。模塊接收采樣間隔、采樣次數(shù)和采樣通道的決定。算法采用正確的過程以保證滿足產(chǎn)品手冊的要求從而獲得更好的模-數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄成功。在采樣過程結(jié)束后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信息通過串口以48 00、9 600或者19 200 b／s波特率輸送給微型計算機。該波特率由用戶和編程者給定。

圖6 信息交換模塊流程

　　由于微控制器算法用MPLAB C18或者匯編語言編程，將編譯過的程序下載到微控制器是必要的。為了驗證程序和芯片上的EEPROM數(shù)據(jù)，MPLAB IDE 6.5被采用。該軟件描述了微控制器部分內(nèi)存消耗情況，這有助于用戶了解內(nèi)存的使用百分比以及EEPROM和RAM是如何被安排來存儲程序算法和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

　　3 結(jié)束語

　　本文討論了新型簡易低成本信號采集系統(tǒng)的制作及編程，說明了機器健康診斷系統(tǒng)信號采集的低成本和簡單實現(xiàn)是可行的。整個實驗電路設計成本不超過100元人民幣而且開發(fā)周期為兩個星期，包括微型計算機編程。系統(tǒng)成功地采樣了3 kHz的復雜信號。在微控制器被重新編程之后，電路板可以被分離成為一個獨立的可便攜和讀取的裝置。該系統(tǒng)已經(jīng)被證實有效和新穎，在機床刀具振動分析系統(tǒng)中得到應用驗證，較好地采集了刀具的振動信號，這可以通過示波器加以比較。由于采樣算法和調(diào)制電路的局限性，該研究項目的精度有待于提高。同時，信號數(shù)據(jù)保存的容量可以進一步擴展。另外，使用時請注意將測量信號調(diào)制成+5 V以內(nèi)。