基于PIC18F1320微控制器的信號采集系統(tǒng)

摘要：便攜式信號采集在機(jī)器健康診斷系統(tǒng)中有較高的應(yīng)用價值。機(jī)器健康診斷的信號特點(diǎn)是包括低頻信號。本文研究是為了實(shí)現(xiàn)簡易而且低成本的低頻便攜式信號采集。以Microchip公司單片機(jī)PIC18F1320為核心設(shè)計信號采集電路，實(shí)現(xiàn)了信號的采集和保存。系統(tǒng)采用串行電可擦除芯片24LC32A保存數(shù)據(jù)，經(jīng)過有線通信，信號數(shù)據(jù)由串行口通過MAX232芯片輸送到微型計算機(jī)接收和保存，最后繪制出信號波形。微型計算機(jī)程序采用Visual Basic編程。研究成功采樣頻率為3 kHz的復(fù)雜信號，證明該方案符合設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：信號采集；PIC18F1320；數(shù)據(jù)通信；微型計算機(jī)；微芯；Visual Basic

    信號采集設(shè)備廣泛使用于機(jī)器健康診斷系統(tǒng)中用來記錄、監(jiān)視和診斷。機(jī)器情況數(shù)據(jù)經(jīng)常由非便攜式或者帶導(dǎo)線的設(shè)備收集。對于一些重要的應(yīng)用，比如危險或者遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)，尤其是在航空上，提供可以方便地攜帶或者讀取的設(shè)備是必要的。另外，機(jī)器健康診斷尤其是機(jī)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(chǔ)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(jī)、一個以PIC18F1320為基礎(chǔ)的微控制器電路板以及串行通訊鏈接設(shè)備。EEPROM 24LC32A被用來進(jìn)行存儲器擴(kuò)展。微型計算機(jī)運(yùn)行控制程序。一旦用戶在微型計算機(jī)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(jī)和微控制器通過特定的協(xié)議通信。微型計算機(jī)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(shè)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(jī)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(jī)交互，也可以即時連接和傳送。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)的主要原理圖如圖1所示。其中PIC18F1320控制器采用5 V電源供電，支持在線串行編程，最高時鐘頻率達(dá)到40 MHz，通訊波特率可以自動檢測。端口A是雙向輸入／輸出復(fù)用管腳，ANO等管腳被定義成模擬輸入，由用戶進(jìn)行采樣通道的選擇。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)制成符合微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+5 V。電路板可在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(shè)置與終端用戶進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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1 μF。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(kuò)展使用了32 k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和串行時鐘線SCL被分別連接到微控制器的B端口相應(yīng)管腳。寫保護(hù)WP接+5 V。

2 軟件設(shè)計
2．1 微型計算機(jī)控制程序
    微型計算機(jī)通過用戶友好命令程序或者M(jìn)icrosoft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(yīng)該選擇正確的采樣間隔以保證采樣過程的準(zhǔn)確性。一般來說，通信設(shè)置的修改由用戶負(fù)責(zé)進(jìn)行。

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(jī)。該波特率由用戶和編程者給定。

    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(yàn)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(jī)器健康診斷系統(tǒng)信號采集的低成本和簡單實(shí)現(xiàn)是可行的。整個實(shí)驗(yàn)電路設(shè)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(jī)編程。系統(tǒng)成功地采樣了3 kHz的復(fù)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(dú)立的可便攜和讀取的裝置。該系統(tǒng)已經(jīng)被證實(shí)有效和新穎，在機(jī)床刀具振動分析系統(tǒng)中得到應(yīng)用驗(yàn)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(xiàng)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(jìn)一步擴(kuò)展。另外，使用時請注意將測量信號調(diào)制成+5 V以內(nèi)。