基于ARM的液壓系統(tǒng)智能數(shù)據(jù)采集終端硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于ARM的智能數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器對(duì)油壓、流量和溫度3類信號(hào)進(jìn)行采集，調(diào)理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過ARM處理器S3C2440進(jìn)行處理和壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)利用GTM900C無線傳輸模塊遠(yuǎn)程傳輸。整個(gè)系統(tǒng)硬件電路分為主控電路部分、數(shù)據(jù)采集部分和無線傳輸部分。

液壓系統(tǒng)具有功率大、響應(yīng)快及精度高等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冶金和制造領(lǐng)域。但其故障又具有隱蔽性、多樣性、不確定性及因果關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，故障出現(xiàn)后不易查找原因，而且故障發(fā)生會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通常，液壓系統(tǒng)只能靠定期檢查和維護(hù)來排除故障，這種方法有一定的滯后性。因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)并及時(shí)分析以減少故障率，確保工程機(jī)械正常、連續(xù)運(yùn)行。傳統(tǒng)單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和處理中，雖然其價(jià)格便宜、易于開發(fā)，但是在存儲(chǔ)空間和網(wǎng)絡(luò)傳輸方面往往難以滿足工程上的要求。因此，筆者針對(duì)液壓系統(tǒng)采用了基于ARM的數(shù)據(jù)智能采集終端。

采集終端通過分布在液壓系統(tǒng)各處的傳感器對(duì)油壓、流量和溫度3類信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，然后模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)經(jīng)過分析后進(jìn)行統(tǒng)一的編排與壓縮，最后通過通信模塊進(jìn)行傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)控中心做進(jìn)一步故障診斷。

1硬件總體結(jié)構(gòu)

智能數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)采用三星的ARMS3C2440為主控芯片、GTM900-C GPRS為通信模塊。整個(gè)硬件系統(tǒng)分為3部分：主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

終端的主控模塊包括控制芯片電路、存儲(chǔ)電路、電源電路以及串口和JTAG接口電路；數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路以及8路A/D轉(zhuǎn)換電路；通信模塊包括GPRS芯片以及外圍電路。其中ARM與GPRS之間的通信是通過RS-232總線完成。

2主控模塊設(shè)計(jì)

2. 1 ARM芯片介紹與工作狀態(tài)設(shè)置

終端系統(tǒng)主要采用以ARM920T為核心的三星S3C2440芯片。該芯片雖然功耗低、體積小，但是集成了豐富的片上資源。其特點(diǎn)主要有增強(qiáng)型ARM架構(gòu)MMU，支持WinCE、EPOC32和LINUX；內(nèi)部先進(jìn)微控器總線架構(gòu)；哈佛高速緩沖體系結(jié)構(gòu)；10位8通道多路復(fù)用ADC，可以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)換率為2. 5MHz A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘下的500kS /s等。主控模塊的供電分為3. 3V系統(tǒng)外圍電路供電和1. 25V核心板供電。3. 3V系統(tǒng)外圍電路供電通過AMS1117-3. 3V穩(wěn)壓模塊完成轉(zhuǎn)換，電路如圖2所示；1. 25V核心板供電則采用低壓差、低噪聲的MAX8860EUA穩(wěn)壓芯片提供，電路如圖3所示。S3C2440使用12MHz有源晶振，通過片內(nèi)PLL電路倍頻后，最高可達(dá)到400MHz.片內(nèi)的PLL電路兼有頻率放大和信號(hào)提純功能，因此，系統(tǒng)可以以較低的外部時(shí)鐘信號(hào)獲得較高的工作頻率，避免了高頻噪聲的產(chǎn)生。復(fù)位電路采用MAX811S芯片，當(dāng)系統(tǒng)電源低于系統(tǒng)復(fù)位閾值（2. 93V），芯片將會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。

2. 2串行接口電路

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)常用的接口是9芯D型，然而最基本的通信只需要RXD、TXD即可，但是由于RS-232C標(biāo)準(zhǔn)所定義的高低電平信號(hào)與S3C2440系統(tǒng)的定義不同，所以兩者之間的通信需要電平轉(zhuǎn)換，在單片機(jī)中常用的是5V的MAX232，而這里使用3. 3V的MAX3232，典型的應(yīng)用電路如圖4所示。

2. 3 NOR FLASH接口電路

終端系統(tǒng)中NOR FLASH使用的存儲(chǔ)芯片是HY29LV160，存儲(chǔ)容量為2MB，工作電壓為2. 7 ~3. 6V，工作方式選用16位數(shù)據(jù)寬度模式。需要注意的是管腳NC接高電平時(shí)，即為16位數(shù)據(jù)位，當(dāng)NC為低電平時(shí)即為8位數(shù)據(jù)位。選擇16位數(shù)據(jù)寬度時(shí)，即為半字模式，此時(shí)16位數(shù)據(jù)總線D0 ~ 15分別接S3C2440的數(shù)據(jù)總線DATA0 ~15，地址總線則是A0 ~ 19分別與S3C2440的ADDR0~ 19連接，半字模式下的尋址范圍為1MB，對(duì)于32位的S3C2440尋址范圍則為1×2 = 2MB.

2. 4 SDRAM接口電路

SDRAM選用的是K4S561632，其存儲(chǔ)容量為32MB，工作電壓為3. 3V，其數(shù)據(jù)寬度為16位。

根據(jù)系統(tǒng)要求，需要有相對(duì)較復(fù)雜的算法運(yùn)行，所以選用兩片組成存儲(chǔ)系統(tǒng)，存儲(chǔ)空間為64MB.

具體連接方法是第一片的D0 ~ 15接DATA0 ~15，第二片的D0 ~ 15接DATA16 ~ 31，這樣將16位擴(kuò)展成為了與S3C2440對(duì)應(yīng)的32位數(shù)據(jù)總線。

對(duì)于地址線來說，SDRAM采用的是存儲(chǔ)陣列，即每片分為4個(gè)邏輯Bank，每個(gè)Bank由13個(gè)行地址線和9個(gè)列地址線共同尋址，能訪問的空間為4×213×29×2 = 225MB.地址線的接法是分別將兩片的A0 ~ 12與ADDR2 ~ 14相連，通過RAS和CAS選擇行列信號(hào)，通過BA0、BA1選擇Bank，最終通過CS通用片選實(shí)現(xiàn)64MB的尋址。

3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的組成主要包括液壓泵、液壓油缸或液壓馬達(dá)、各類控制閥和輔助裝置。根據(jù)故障類型的歸納和總結(jié)，監(jiān)控對(duì)象和監(jiān)控點(diǎn)包括液壓泵的油壓和流量，油溫，以及各類控制閥處的油壓和流量。選擇監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要包括：

a.油壓測(cè)量?？紤]到傳感器的精度，工作電壓與系統(tǒng)電壓的匹配，供電電流以及能適用較惡劣的介質(zhì)環(huán)境等，選用MSP340系列不銹鋼傳感器，其電氣性能為：供電電源為5VDC；供電電流小于10mA；輸出信號(hào)為0. 5 ~ 4. 5VDC /4 ~ 20mA；量程偏差為±2%FS；精度小于1%FS.

b.流量測(cè)量。選擇渦輪流量計(jì)，電氣性能為：供電電源為12 ~ 36VDC，可采用車載蓄電池直接供電；輸出信號(hào)為4 ~ 20mA；精度為±1%R.

c.溫度測(cè)量。選擇溫度傳感器AD592，由于液壓油溫只作為輔助檢測(cè)量，不需要精度太高，所以直接用隔熱材料將AD592固定于測(cè)溫點(diǎn)做適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償，從而測(cè)量管內(nèi)的油溫。

模數(shù)轉(zhuǎn)換采用的是S3C2440的10位8通道ADC，其轉(zhuǎn)換率為2. 5MHz轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘下的500kS /s，基準(zhǔn)電壓采用3. 3V，前端傳感器調(diào)理電路需要相應(yīng)的調(diào)整電壓范圍，管腳對(duì)應(yīng)S3C2440上的AIN0 ~ 7.

4通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊選用華為的GPRS模塊GTM900-C，該模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，內(nèi)部集成了TCP /IP協(xié)議棧，使用時(shí)不必編寫相關(guān)的IP協(xié)議程序，直接可以通過其內(nèi)嵌協(xié)議進(jìn)行GPRS上網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)。

GPRS模塊與ARM之間的連接是通過RS232串行接口連接的，電路如圖5所示。其中芯片供電采用3. 8V，由穩(wěn)壓器AMS1117-adj轉(zhuǎn)換。RST為芯片復(fù)位、PWON為開關(guān)機(jī)控制信號(hào)，均為低電平有效；UART_RXD0和UART_TXD0分別為AT命令串口發(fā)送、接收信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸只需分別與串口的接收和發(fā)送端相連即可。

5結(jié)束語

筆者以三星公司的S3C2440開發(fā)板為平臺(tái)，研究設(shè)計(jì)了一種基于ARM的液壓系統(tǒng)智能數(shù)據(jù)采集終端的硬件電路，該終端已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

而且整個(gè)終端成本低廉、功能齊全，有較好的應(yīng)用價(jià)值。此外，本設(shè)計(jì)稍作改動(dòng)也可應(yīng)用于其他需要數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)沫h(huán)境，有一定的通用性。