ARM7風(fēng)機監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集接口方案

長期以來，由于運行環(huán)境惡劣、監(jiān)測和維護(hù)手段不完善，風(fēng)機不斷地出現(xiàn)減速器斷齒、軸承燒毀、傳動軸彎曲、聯(lián)軸器膜片損壞、甚至葉片斷裂等故障。基于MAxl320的風(fēng)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(guān)鍵部件是模/數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片，非常適合應(yīng)用于風(fēng)機的轉(zhuǎn)速、加速度、位移、工藝量等的數(shù)據(jù)采集。這里介紹了一種基于ARM7風(fēng)機監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)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(shù)轉(zhuǎn)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(jìn)/先出(FIFO)功能可減少接口開銷，并可在轉(zhuǎn)換結(jié)束或轉(zhuǎn)換之間讀取轉(zhuǎn)換結(jié)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(shù)字輸出，其中DO～D7為雙向數(shù)據(jù)線。

　　CS，RD，WR：分別為片選信號，讀信號，寫信號。

　　CONVST：轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。

　　EOC，EOLC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出(EOC)，低電平表示一個通道轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀此通道轉(zhuǎn)換結(jié)果。最后轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出(EOLC)，低電平表示最后一個通道轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后就可以連續(xù)讀取被開通所有通道的轉(zhuǎn)換結(jié)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(nèi)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(shè)置選擇使用。當(dāng)ALLON設(shè)為低電平時，設(shè)置寄存器選擇打開通道，同時拉低CS和WR，然后向數(shù)據(jù)線D0～D7寫入數(shù)據(jù)，D0～D7依次對應(yīng)著通道CH0～CH7，通過向數(shù)據(jù)線D0～D7中寫入“1”來選中對應(yīng)的通道。如果當(dāng)ALLON設(shè)為高電平時，所有通道都被打開，無需設(shè)置配置寄存器。當(dāng)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(shù)轉(zhuǎn)換。假設(shè)8路模人通道都被使用，則芯片內(nèi)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(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。EOC一旦出現(xiàn)下降沿，就表明一路轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOLC一旦出現(xiàn)下降沿，就表明全部模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束。對于轉(zhuǎn)換結(jié)果，有兩種讀取結(jié)果方式：可以在每轉(zhuǎn)換一路后，就將該路轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀走，然后進(jìn)行下一路轉(zhuǎn)換(見圖1(a));也可以等到所有通道全部轉(zhuǎn)換完后依次讀取，整個讀數(shù)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(fēng)機監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

　　該風(fēng)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(shù)據(jù)采集部分硬件框圖如圖2所示。

　　實際的風(fēng)機監(jiān)測儀根據(jù)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(jù)要求寫配置寄存器，開啟需要開通的通道，不用的通道就關(guān)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(dǎo)致整個數(shù)據(jù)采集模塊不穩(wěn)定，所以使引腳INTCLK/EXTCLK也接+3.3 V，選擇內(nèi)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(shè)計

　　3.1 模擬輸入電路

　　工業(yè)風(fēng)機監(jiān)測儀監(jiān)測最常見的測量信號參數(shù)就是風(fēng)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(lián)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(xiàn)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(shù)。

　　3.2 多路選擇電路

　　用于工業(yè)現(xiàn)場的風(fēng)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(diào)試

　　4.1 程序設(shè)計

　　MAXl320的底層驅(qū)動程序是在集成開發(fā)環(huán)境ADSI.2開發(fā)的，其中A/D轉(zhuǎn)換軟件流程如圖4所示。

　　在實際應(yīng)用中為了能控制ADC的采樣頻率，該設(shè)計使用定時器對A/D整個采樣、讀取數(shù)據(jù)的過程進(jìn)行行定時操作，從而使監(jiān)測儀能根據(jù)現(xiàn)場的各種要求改變采樣頻率。這其中對于A/D轉(zhuǎn)換的軟件設(shè)計，就有所改變：當(dāng)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(shè)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(wù)里一直等待定時的到來，降低多任務(wù)操作系統(tǒng)的運行效率。把采樣，讀取數(shù)據(jù)整個過程放在中斷服務(wù)程序，當(dāng)定時時間到時，就立刻跳到中斷服務(wù)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(dāng)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(biāo)志位，當(dāng)中斷標(biāo)志位置位時，就執(zhí)行采樣讀取操作。[!--empirenews.page--]4.2 實驗測試

　　采用內(nèi)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(yīng)的引腳根據(jù)圖3連接起來，啟動A/D轉(zhuǎn)換，因為8個通道的數(shù)據(jù)都一樣，所以只讀取通道O轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，結(jié)果如表1所示。

　　以上測試結(jié)果數(shù)據(jù)是采樣1 kHz正弦波1個周期的采樣點數(shù)值，一共采樣38個點，其中正值部分采樣點有19個值，負(fù)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(biāo)上標(biāo)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(zhuǎn)化結(jié)果是受到處理器數(shù)據(jù)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(jìn)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(shè)計的查詢方式響應(yīng)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(shù)。

　　5 結(jié) 語

　　通過上面的實驗測試結(jié)果以及示波器測出的采樣時間(0.3μs左右)和轉(zhuǎn)換時間(3.7μs)可知，8個通道同時工作時，采樣轉(zhuǎn)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(xiàn)場風(fēng)機監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集的要求。