基于MAxl320的工業(yè)風機監(jiān)測儀數據采集模塊的設計與實現

摘要：提出工業(yè)風機監(jiān)測儀數據采集模塊設計的一種新方案，主要由Maxim公司最新推出的一種14位8通道同步采樣ADC—MAXl320和Philips公司推出的ARM7處理器——LPC2290構成。其中介紹了MAXl320的主要性能特點及其在工業(yè)風機監(jiān)測儀數據采集中的應用；MAXl320的8通道外多測點選擇電路，模擬部分電路，分析它與LPC2290的接口。通過試驗已驗證其具有很好的可靠性和穩(wěn)定性，具有很強的實用價值。
關鍵詞：MAXl320；LPC2290；同步采樣；傳感器

    目前，石油、化工、制藥、冶金等企業(yè)有大量的涼水塔風機、引速風機及特種風機在使用，有些風機無監(jiān)測儀表(尤其是涼水塔風機)或者有一些簡單的就地監(jiān)測儀表。長期以來，由于運行環(huán)境惡劣、監(jiān)測和維護手段不完善，風機不斷地出現減速器斷齒、軸承燒毀、傳動軸彎曲、聯軸器膜片損壞、甚至葉片斷裂等故障。而風機的運行對于這種企業(yè)來說十分重要，因此必須加強監(jiān)測、診斷、管理，研制新一代的集本地監(jiān)測、遠程監(jiān)測、遠程診斷與分析為一體的監(jiān)測診斷系統(tǒng)非常有必要，市場需求量大。
    其中，基于MAXl320的風機監(jiān)測儀就是此監(jiān)測診斷系統(tǒng)很重要的一部分，其關鍵部件是模／數轉換芯片。MAXl320是Maxim公司推出的并行14位8通道同步采集的A／D轉換芯片，非常適合應用于風機的轉速、加速度、位移、工藝量等的數據采集。這里介紹了一種基于ARM7風機監(jiān)測儀的數據采集接口方案，A／D芯片就是采用MAXl320，該監(jiān)測儀的處理器采用Philips公司的LPC2290。

l MAXl320概述
    MAXl320是一種8輸入通道、14位高速模／數轉換器，具有獨立的采樣／保持(T／H)電路為每一通道提供了同時采樣。該器件具有先進／先出(FIFO)功能可減少接口開銷，并可在轉換結束或轉換之間讀取轉換結果。
1．1 引腳及其特征
    引腳及其特征如下：
    CH0～CH7：為8路模擬量輸入口。
    D0～D13：為14位并行數字輸出，其中DO～D7為雙向數據線。
    CS，RD，WR：分別為片選信號，讀信號，寫信號。
    CONVST：轉換啟動信號。CONVST低電平時跟蹤獲取模擬信號，上升沿時啟動轉換。
    EOC，EOLC：轉換結束輸出(EOC)，低電平表示一個通道轉換結束，可以讀此通道轉換結果。最后轉換結
束輸出(EOLC)，低電平表示最后一個通道轉換結束，然后就可以連續(xù)讀取被開通所有通道的轉換結果。
    CLK，INTCLK／EXTCLK：外部時鐘輸入引腳(CLK)，時鐘模式選擇輸(INTCLK／EXTCLK)，該引腳接AVDD選擇內部時鐘(時鐘頻率為10 MHz)，接．AGND選擇外部時鐘輸入(100 kHz～12．5 MHz)。
    ALLON：通道使能輸入。該引腳接高電平使能開通所有的輸入通道(CH0～CH7)，接低電平則只有被選中的通道才進行A／D轉換。
    SHDN：掉電輸入引腳。SHDN=O選擇正常模式，SHDN=1選擇掉電模式。
1．2 MAXl320工作過程
    MAXl320共有8個模擬輸入通道，可通過寄存器的設置選擇使用。當ALLON設為低電平時，設置寄存器選擇打開通道，同時拉低CS和WR，然后向數據線D0～D7寫入數據，D0～D7依次對應著通道CH0～CH7，通過向數據線D0～D7中寫入“1”來選中對應的通道。如果當ALLON設為高電平時，所有通道都被打開，無需設置配置寄存器。當模擬輸入通道確定后，給CONVST發(fā)一個低電平，即啟動1次模／數轉換。假設8路模人通道都被使用，則芯片內部的8個采樣／保持器在CONVST上升沿到來之前跟蹤輸入信號，在其上升沿，輸入模擬信號被采樣／保持，然后進行模／數轉換。EOC一旦出現下降沿，就表明一路轉換結束，EOLC一旦出現下降沿，就表明全部模／數轉換結束。對于轉換結果，有兩種讀取結果方式：可以在每轉換一路后，就將該路轉換后的數據讀走，然后進行下一路轉換(見圖1(a))；也可以等到所有通道全部轉換完后依次讀取，整個讀數過程中EOLC信號一直為低，直到CONVST的下一個下降沿(見圖1(b))。

2 MAXl320在風機監(jiān)測儀數據采集中的應用
    該風機監(jiān)測儀是基于ARM7處理器的，處理器采用Philips公司的LPC2290。其數據采集部分硬件框圖如圖2所示。

    實際的風機監(jiān)測儀根據不同時段不同要求可選擇性地同時測量多路的信號輸入，所以這里置引腳AL—LON要接地，根據要求寫配置寄存器，開啟需要開通的通道，不用的通道就關閉，使其降低功耗。因為考慮到此監(jiān)測儀所使用的環(huán)境比較惡劣，如果使用外部時鐘，則輸入的時鐘信號容易被干擾，從而導致整個數據采集模塊不穩(wěn)定，所以使引腳INTCLK／EXTCLK也接+3．3 V，選擇內部時鐘(10 MHz)，10 MHz頻率完全能滿足此監(jiān)測儀的采樣要求。

3 MAXl320外圍模擬電路的設計
3．1 模擬輸入電路
    工業(yè)風機監(jiān)測儀監(jiān)測最常見的測量信號參數就是風機軸振動加速度、速度、位移。此監(jiān)測儀可連接加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器，具體模擬部分電路方框圖見圖3。圖3中接入的就是ICP加速度傳感器，且只是一組ICP模擬輸入，它分為ICP_V(垂直方向)和ICP_H(水平方向)的兩路輸入，A-V，A_H，V_V，V_H，S_V，S_H分別為加速度、速度、位移的垂直方向和水平方向輸出。如果使用速度傳感器，則第一級輸出的是速度，第二級輸出的位移，第三級電路沒意義。如果用位移傳感器，則第一級輸出的是位移，第二，三級電路沒意義。低通濾波電路和積分電路所使用的運算放大器都是用集成芯片MAX4164，它集成了4個低功耗運算放大器。低通濾波電路是采用二階低通濾波，對于普通的一階低通濾波電路，增加了RC環(huán)節(jié)，加大衰減斜率，使濾波效果更好。積分電路是最典型的積分運算電路，在輸入端加一個1μF的電容是為了濾掉直流分量，在積分電容上并聯一個電阻是防止低頻信號增益過大和積分漂移所造成的飽和或截止現象，大小一般大于等于輸入電阻的10倍以上。可編程放大器采用LTC6911-2，它是一種兩匹配可編程放大器集成芯片，可通過對3位可編程接口G1，G2，G3寫值從而得到0，1，2，4，8，16，32，64輸出放大倍數。

3．2 多路選擇電路
    用于工業(yè)現場的風機監(jiān)測器的模擬信號輸入一般都多于8路，所以可以在．MAXl320的8通道輸入外加上多路選擇電路，該監(jiān)測儀用CD74HC4052來組成多路選擇電路。CD74Hc4052是一個雙電源輸入，四組通道選擇芯片，通過選擇S0，S1，可以使輸出四組中的任意一組，最大模擬輸入范圍在±5 V。

4 實驗調試
4．1 程序設計
    MAXl320的底層驅動程序是在集成開發(fā)環(huán)境ADSI．2開發(fā)的，其中A／D轉換軟件流程如圖4所示。

    在實際應用中為了能控制ADC的采樣頻率，該設計使用定時器對A／D整個采樣、讀取數據的過程進行行定時操作，從而使監(jiān)測儀能根據現場的各種要求改變采樣頻率。這其中對于A／D轉換的軟件設計，就有所改變：當要使用比較低的采樣頻率時(100 Hz～5 kHz)，定時的時間就比較長，因為本監(jiān)測儀的軟件設計是基于μC／Os-Ⅱ嵌入式系統(tǒng)下，所以使用定時器中斷方式，這樣就會避免在采樣這個任務里一直等待定時的到來，降低多任務操作系統(tǒng)的運行效率。把采樣，讀取數據整個過程放在中斷服務程序，當定時時間到時，就立刻跳到中斷服務程序里執(zhí)行采樣讀取操作，然后再跳出中斷程序，繼續(xù)執(zhí)行主程序后面的操作；當要使用比較高的采樣頻率時(5～40 kHz)，因為定時時間很短，所以可以用查詢方式，一直查詢定時器中斷標志位，當中斷標志位置位時，就執(zhí)行采樣讀取操作。

4．2 實驗測試
    采用內部時鐘，并使8通道都開通，通道0～7都輸入1 kHz的正弦波(峰峰值為2 V)，把MAXl320的D0～D13與的LPC2290的D0～D13接起，其他的對應的引腳根據圖3連接起來，啟動A／D轉換，因為8個通道的數據都一樣，所以只讀取通道O轉換后的數值，結果如表1所示。
    以上測試結果數據是采樣1 kHz正弦波1個周期的采樣點數值，一共采樣38個點，其中正值部分采樣點有19個值，負值部分采樣點也有19個值，表1只列出其中一部分具有代表性的值。把這些采樣點在坐標上標出，就可以還原出輸入的正弦波。通過示波器可以看到實際跟蹤捕獲信號和采樣信號所用的時間和理論值基本相同。但是，等待EOLC信號變低由于本身執(zhí)行程序需要時間，再加上讀取轉化結果是受到處理器數據總線本身的速度限制，整個采樣頻率就低于理想值?？梢酝ㄟ^一些改進來減小這兩個因素對采樣頻率的影響即：
    (1)可以把EOLC接到處理器的外部中斷信號引腳，采用中斷方式，這就要比原來設計的查詢方式響應速度快；
    (2)可以提高CPU時鐘周期或減少讀寫操作所占用的CPU周期數。

5 結 語
    一般通用類ICP傳感器的輸出信號頻率在0．5 Hz～6 kHz之間，經過低通濾波后把一些高頻噪聲濾掉。通過上面的實驗測試結果以及示波器測出的采樣時間（0.3μs左右）和轉換時間（3.7μs）可知，8個通道同時工作時，采樣轉換總時間是4μs左右，所以可以算出每個通道的吞吐量大概是250kS/s，這樣完全能滿足現場風機監(jiān)測儀數據采集的要求。