專利名稱：一體化振動(dòng)信號(hào)整周期等相位高速同步數(shù)據(jù)采集卡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及通過利用直接傳導(dǎo)到檢測器測量固體中的振動(dòng)裝置，是一種一體化振動(dòng)信號(hào)整周期等相位高速同步數(shù)據(jù)采集卡。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)包含豐富的狀態(tài)信息。旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測量較常用的方法是在軸承、聯(lián)軸器等部位安裝振動(dòng)傳感器，將振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)一定的變換電路進(jìn)行變換處理(如濾波、放大等)，再用采樣電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送入計(jì)算機(jī)，作進(jìn)一步處理。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)測量必須滿足以下幾個(gè)要求1)交流信號(hào)和直流信號(hào)分別采樣；2)采樣頻率高，采集點(diǎn)數(shù)多；3)要有固定的相位起始點(diǎn)，及整周期等相位采樣。
目前，比較常見的做法是采用通用的數(shù)據(jù)采集卡，但必須研制專用的調(diào)理電路和鍵相信號(hào)處理電路，與其配合起來完成上述這種特殊的采樣任務(wù)。這樣電路板卡數(shù)量比較多，電路之間的連線也比較復(fù)雜。一方面，占用工控機(jī)較多的總線插槽，當(dāng)工控機(jī)的插槽不足時(shí)，還需要附加機(jī)箱。另一方面，也不利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種將振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路、鍵相信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路集成在一塊電路板上，形成一體化振動(dòng)信號(hào)整周期等相位高速同步數(shù)據(jù)采集卡。
本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下它包括一端與傳感器的振動(dòng)信號(hào)連接的能分離交、直流信號(hào)并分別進(jìn)行放大的調(diào)理電路，調(diào)理電路的另一端接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)先進(jìn)先出存儲(chǔ)器接ISA總線，一端接鍵相信號(hào)的鍵相信號(hào)處理電路，經(jīng)倍頻后接模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，讀寫控制電路分別與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和先進(jìn)先出的存儲(chǔ)器連接。
所說的調(diào)理電路為8路，每一路的振動(dòng)信號(hào)接減法電路和經(jīng)隔交流電路分成二路，一路接調(diào)零電路經(jīng)放大電路輸出直流分量，另一路接減法電路經(jīng)低通濾波器輸出直流分量。
鍵相信號(hào)處理電路包括一端與鍵相信號(hào)連接的將鍵相信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電路電壓的預(yù)處理部份，預(yù)處理部份的另一端接加法計(jì)數(shù)器分成二路，一路經(jīng)分頻器、時(shí)鐘接減法計(jì)數(shù)器，另一路經(jīng)鎖存器、接減法計(jì)數(shù)器，減法計(jì)數(shù)器的采集脈沖接模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，鎖存器經(jīng)并行接口電路接ISA總線。
本實(shí)用新型具有的有益效果是將振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路、鍵相信號(hào)處理電路、AD轉(zhuǎn)換電路集成在一塊電路板上，形成一個(gè)功能完整的模塊。提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，并且減少了電路板的數(shù)量，有利于節(jié)省工控機(jī)的總線插槽，使系統(tǒng)的安裝和接線變得簡單。采集卡利用專用的鍵相信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的整周期等相位采集控制，采用嚴(yán)格同步的高速AD轉(zhuǎn)換芯片和特殊的電路設(shè)計(jì)，保證振動(dòng)信號(hào)之間的同步性要求。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是調(diào)理電路框圖；圖3是鍵相信號(hào)處理電路框圖；圖4是A/D轉(zhuǎn)換及其控制電路圖；圖5是讀寫控制電路時(shí)序圖；圖6是調(diào)理電路原理圖；圖7是鍵相信號(hào)處理電路原理圖；圖8是驅(qū)動(dòng)程序流程圖。
具體實(shí)施方式
一、采集系統(tǒng)工作原理如圖1所示，信號(hào)取自傳感器，由調(diào)理電路1分離交流和直流信號(hào)并分別放大，送至A/D轉(zhuǎn)換電路2。鍵相信號(hào)處理電路3對(duì)鍵相脈沖進(jìn)行倍頻后，作為A/D轉(zhuǎn)換電路的外觸發(fā)信號(hào)，這樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的整周期采樣。A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果暫時(shí)儲(chǔ)存在先進(jìn)先出(FIFO)存儲(chǔ)器4，讀寫控制電路5的作用是正確控制數(shù)據(jù)從A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)移到FIFO存儲(chǔ)器中，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)半滿(達(dá)到FIFO容量的一半)時(shí)，可向工控機(jī)發(fā)出信號(hào)，由工控機(jī)讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步處理和存儲(chǔ)。
二、振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示，調(diào)理電路現(xiàn)為8路，附圖所示是其中一路。振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過隔交流電路6后，分離出直流分量，經(jīng)調(diào)零電路7和放大電路8放大后，直流分量輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路；直流分量與原信號(hào)在減法電路9中相減后，輸出交流分量，同時(shí)對(duì)交流分量進(jìn)行放大，以提高采樣的精度，而低通濾波器10則將高頻噪聲成分濾掉。
三、鍵相信號(hào)處理電路如圖3所示，鍵相信號(hào)處理電路3實(shí)際上是一個(gè)倍頻電路。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)軸上一般設(shè)有一凹槽，用專門的傳感器監(jiān)測凹槽的位置，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，傳感器就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。鍵相信號(hào)處理電路就將這脈沖信號(hào)倍頻，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集電路，這樣可實(shí)現(xiàn)整周期采樣。通常用一個(gè)鎖相環(huán)電路(如CD4046)實(shí)現(xiàn)倍頻。這種方法的電路比較簡單，在轉(zhuǎn)速恒定時(shí)能很好地工作，但是在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的升、降速階段，難以適應(yīng)轉(zhuǎn)速的變化。另外鎖相環(huán)電路是一模擬電路，電子元件(如電阻、電容等)的參數(shù)變化會(huì)影響電路的穩(wěn)定和精度，不利于電路的長時(shí)間連續(xù)工作。這里提出的鍵相信號(hào)處理電路是一個(gè)全數(shù)字式的結(jié)構(gòu)，能實(shí)時(shí)跟蹤轉(zhuǎn)速變化，實(shí)現(xiàn)整周期采樣，工作穩(wěn)定、可靠。其原理是先測量鍵相信號(hào)的周期，再計(jì)算得到倍頻信號(hào)的周期，由一個(gè)計(jì)數(shù)器發(fā)出倍頻信號(hào)，本電路巧妙地用時(shí)鐘分頻的方法代替計(jì)算過程，因而電路簡單、可靠，實(shí)時(shí)性好。
鍵相信號(hào)處理電路的預(yù)處理部分12將鍵相信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電路的電壓。時(shí)鐘信號(hào)17約10MHZ，經(jīng)分頻器14分頻后作為加法計(jì)數(shù)器13的時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)鍵相信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)從一個(gè)鍵相脈沖開始，到下一脈沖為止清零，然后重新開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值即代表脈沖周期。將此計(jì)數(shù)值保存到鎖存器16中，作為減法計(jì)數(shù)器18的初始值。減法計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘不進(jìn)行分頻。當(dāng)減法計(jì)數(shù)器減到0時(shí)輸出一脈沖，再將鎖存器的值寫入。這樣輸出脈沖即為所要求的倍頻信號(hào)，調(diào)整分頻器的分頻率，即可得到不同的采樣點(diǎn)數(shù)。
鎖存器的值同時(shí)送到并行接口電路15，選用最常見的8255，工控機(jī)可隨時(shí)讀出此值，經(jīng)簡單換算就可得轉(zhuǎn)子的速度值。設(shè)有加法計(jì)數(shù)器的溢出標(biāo)記，工控機(jī)讀出后即可判斷轉(zhuǎn)子是停機(jī)還是運(yùn)轉(zhuǎn)。
當(dāng)工控機(jī)發(fā)出啟動(dòng)鍵相信號(hào)電路的命令后，并非立即輸出采樣脈沖，而是等到有鍵相信號(hào)到來時(shí)才開始輸出采樣脈沖，這樣就保證了每一次采集，振動(dòng)信號(hào)的初始相位是一樣的。
四、模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換及其控制電路原理如圖4所示，這是本采集系統(tǒng)的核心部分。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路2的型號(hào)為MAX125，是一種高速2×4通道的數(shù)據(jù)采集芯片，14位字長，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為3uS。片上帶有4個(gè)采樣/保持電路，每個(gè)采樣/保持電路可復(fù)用于2路輸入。這樣可同步采樣4路信號(hào)，然后按順序分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將一片MAX125用于4路振動(dòng)信號(hào)的交流和直流部分，可實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的同步采樣，也充分利用了輸入通道。每塊采集卡有兩片MAX125，可采集8路數(shù)據(jù)。在控制信號(hào)CONVST的上升沿開始AD轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，狀態(tài)信號(hào)INT變?yōu)榈碗娖?，所以AD轉(zhuǎn)換可用軟件觸發(fā)，也可以由鍵相信號(hào)處理電路來觸發(fā)。
在采集速度比較低的時(shí)候，A/D轉(zhuǎn)換電路可直接連到總線上，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束就由工控機(jī)將數(shù)據(jù)讀取。但當(dāng)采集速度提高時(shí)，工控機(jī)的響應(yīng)速度就跟不上，很容易造成數(shù)據(jù)丟失。所以在A/D電路和總線之間增加了先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(4)，型號(hào)為IDT7202，每片的容量為1K*9，設(shè)有空、半滿、滿三個(gè)狀態(tài)標(biāo)記位，可供查詢。數(shù)據(jù)暫時(shí)存放在這里，當(dāng)數(shù)據(jù)超過一定容量時(shí)由PC機(jī)成批讀取。目前常用的Windows操作系統(tǒng)為分時(shí)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)響應(yīng)的能力較差，這更加使A/D芯片和計(jì)算機(jī)之間的緩沖成為必需。
如圖5所示，當(dāng)兩片A/D芯片的轉(zhuǎn)換都結(jié)束時(shí)，INTO變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)單片機(jī)89C2051的中斷，單片機(jī)在READ1和WRITE端發(fā)出4個(gè)脈沖，從一片A/D讀出4個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果寫到FIFO中，在讀第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，INTO恢復(fù)到高電平，緊接著在READ2和WRITE端發(fā)出4個(gè)脈沖，將另一A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果也寫到FIFO中。
五、振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路工作原理如圖6所示，此圖與附圖2相對(duì)應(yīng)，在電路的輸入和輸出端都有電壓跟隨器，可使電路的輸入阻抗大而輸出阻抗小。隔交流電路(6)是一個(gè)二階低通濾波器，調(diào)零電路(7)是一反相放大電路，通過調(diào)節(jié)電位器W25來調(diào)整零點(diǎn)，放大電路(8)也是一個(gè)反向放大器，放大倍數(shù)可由W2來調(diào)節(jié)，減法電路(9)使直流分量和原信號(hào)相減，得到交流信號(hào)，W17用于調(diào)整放大倍數(shù)，低通濾波器(10)是一個(gè)二階濾波電路，將高頻成分濾掉，又稱抗混疊濾波器。
六、鍵相信號(hào)處理電路工作原理如圖7所示，此圖與圖3相對(duì)應(yīng)。預(yù)處理(12)對(duì)鍵相信號(hào)進(jìn)行隔直流、放大、電平轉(zhuǎn)換，成為數(shù)字信號(hào)。芯片74LS590是帶有鎖存器的8位加法計(jì)數(shù)器，所以附圖3中的加法計(jì)數(shù)器(13)和鎖存器(16)由同一芯片實(shí)現(xiàn)。兩片74LS590組成一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器。分頻器(14)由一片74AS867和74LS153組成，分頻數(shù)可選32、64、128和256。時(shí)鐘(17)為一個(gè)石英晶體振蕩電路。減法計(jì)數(shù)器(18)為16位計(jì)數(shù)器，由2片74AS868組成。
七、驅(qū)動(dòng)程序流程如圖8所示，驅(qū)動(dòng)程序采用delphi語言嵌入?yún)R編語言的方式編寫，寫成子程序形式，可供其他程序調(diào)用，先采集交流信號(hào)，啟動(dòng)鍵相電路后即開始A/D轉(zhuǎn)換。用查詢方法確定FIFO是否半滿，再將FIFO容量的一半(即512)讀到工控機(jī)。再循環(huán)查詢，直到每個(gè)通道都采集了1024個(gè)數(shù)據(jù)。然后采集直流信號(hào)，每個(gè)通道1個(gè)數(shù)據(jù)，用軟件觸發(fā)，延遲一定時(shí)間后讀數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求1.一體化振動(dòng)信號(hào)整周期等相位高速同步數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于它包括一端與傳感器的振動(dòng)信號(hào)連接的能分離交、直流信號(hào)并分別進(jìn)行放大的調(diào)理電路(1)，調(diào)理電路(1)的另一端接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(2)，經(jīng)先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(4)接ISA總線，一端接鍵相信號(hào)的鍵相信號(hào)處理電路(3)，經(jīng)倍頻后接模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(2)，讀寫控制電路(5)分別與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(2)和先進(jìn)先出的存儲(chǔ)器(4)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化振動(dòng)信號(hào)整周期等相位高速同步數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于所說的調(diào)理電路(1)為8路，每一路的振動(dòng)信號(hào)接減法電路(9)和經(jīng)隔交流電路(6)分成二路，一路接調(diào)零電路(7)經(jīng)放大電路(8)輸出直流分量，另一路接減法電路(9)經(jīng)低通濾波器(10)輸出交流分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化振動(dòng)信號(hào)整周期等相位高速同步數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于所說的鍵相信號(hào)處理電路(3)包括一端與鍵相信號(hào)連接的將鍵相信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電路電壓的預(yù)處理部份(2)，預(yù)處理部份(2)的另一端接加法計(jì)數(shù)器分成二路，一路經(jīng)分頻器(14)、時(shí)鐘(17)接減法計(jì)數(shù)器(18)，另一路經(jīng)鎖存器(16)、接減法計(jì)數(shù)器(18)，減法計(jì)數(shù)器(18)的采集脈沖接模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(2)，鎖存器(16)經(jīng)并行接口電路(15)接ISA總線。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種一體化振動(dòng)信號(hào)整周期等相位高速同步數(shù)據(jù)采集卡。它包括一端與傳感器的振動(dòng)信號(hào)連接的能分離交、直流信號(hào)并分別進(jìn)行放大的調(diào)理電路，調(diào)理電路的另一端接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)先進(jìn)先出存儲(chǔ)器接ISA總線，一端接鍵相信號(hào)的鍵相信號(hào)處理電路，經(jīng)倍頻后接模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，讀寫控制電路分別與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和先進(jìn)先出的存儲(chǔ)器連接。本實(shí)用新型將調(diào)理電路、鍵相信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路集成在一塊電路板上，形成一個(gè)功能完整的模塊。提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，并且減少電路板的數(shù)量，有利于節(jié)省工控制的總線插槽，使系統(tǒng)的安裝和接線變得簡單。
文檔編號(hào)G01M7/00GK2578810SQ0226161
公開日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2002年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月12日
發(fā)明者楊世錫, 任達(dá)千, 嚴(yán)拱標(biāo), 康飚, 鄭林生, 吳昭同 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)