基于S3C2410的振動(dòng)測試分析儀的研制

引言

在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械、橋梁、地下鐵路、加工機(jī)床等領(lǐng)域，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和分析，可以實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)預(yù)報(bào)、故障診斷、性能指標(biāo)分析等多項(xiàng)功能。傳統(tǒng)的便攜式振動(dòng)測量分析儀大多用單片機(jī)或RISC CPU作為核心處理器，一般是8位或16位的，內(nèi)存只有幾Kb，外部存儲(chǔ)器的容量也只有1～2 Mb，再加上CPU的主頻不高，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算(如FFT等)，需要很長時(shí)間，圖像顯示基本上依靠黑白液晶屏，可以顯示的內(nèi)容少，因此對(duì)傳統(tǒng)的便攜式振動(dòng)測試分析儀進(jìn)行性能的改進(jìn)很有必要。

本項(xiàng)目采用ARM9的S3C2410處理器，可以連續(xù)監(jiān)測8個(gè)通道，提供轉(zhuǎn)速、棒圖、振動(dòng)通頻值、數(shù)據(jù)列表、時(shí)域波形、頻譜圖、伯德圖等振動(dòng)監(jiān)測、分析圖表。采用640×480的TFT彩色顯示屏，界面美觀，可以顯示的內(nèi)容豐富，采用64Mb內(nèi)存，可以暫存長時(shí)間的采樣數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)，采用64Mb NAND FLASH，可以保存多組測量歷史數(shù)據(jù)。體積小,22cm×18cm×10cm,攜帶方便,較以前產(chǎn)品，性能有了大幅度的提高。

硬件部分介紹

硬件主要由3部分組成，核心板、底板及信號(hào)輸入接口板共3塊電路板組成，下面分別介紹。

核心板

核心板主要由S3C2410處理器、64Mb NAND FLASH（K9F1208）、64Mb內(nèi)存（2片HY57V561620 ）組成。底板的接口采用144引腳的內(nèi)存插槽，引出了16位的數(shù)據(jù)總線、16位的地址總線、IIC接口、SPI接口、IIS接口、JTAG接口、USB接口、LCD接口、觸摸屏接口等CPU的輸入輸出口線。

S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18μm制造工藝的32位微控制器。該處理器擁有：獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer 、I/O口、RTC、8路10位ADC、Touch Screen接口、IIC-BUS 接口、IIS-BUS接口、2個(gè)USB主機(jī)、1個(gè)USB設(shè)備、SD主機(jī)和MMC接口、2路SPI。S3C2410處理器最高可運(yùn)行在203MHz。每秒鐘的運(yùn)算能力為203×1.1MIPS，所以對(duì)FFT的計(jì)算非常的快。

電路原理圖設(shè)計(jì)參考了三星公司提供的評(píng)估板的ORCAD格式的電路原理圖。小經(jīng)驗(yàn)：國內(nèi)的硬件工程師普遍熟悉PROTEL軟件，對(duì)ORCAD不是很熟悉，用PROTEL 2004可以直接打開ORCAD格式的三星公司的S3C2410評(píng)估板的電路原理圖，適當(dāng)?shù)男薷木涂梢孕纬勺约旱男枰腜ROTEL格式的電路原理圖，而且不容易出錯(cuò)，所以本核心板的原理圖設(shè)計(jì)非常順利。

PCB的設(shè)計(jì)由于S3C2410采用272引腳的BGA封裝，所以電路板的制作采用了6層電路板，從頂層到底層依次為元件層、地、布線層1、布線層2、地、底層。布線間距最小為5mil，最小線寬5mil, 過孔大小8/16mil，核心板全部采用手工布線完成。

底板的設(shè)計(jì)

底板主要由A/D電路、TFT彩色屏接口、網(wǎng)絡(luò)接口電路、觸摸屏接口電路組成，各部分的電路如下面所述。

A/D芯片與CPU的接口

A/D芯片采用AD7864，AD7864是一種高速、低功耗、可以4通道同時(shí)采樣的A/D轉(zhuǎn)換器。它的主要特性有：高速12位A/D轉(zhuǎn)換器；同時(shí)采樣4個(gè)輸入通道，并具有4個(gè)采樣、保持放大器；0.35μs采樣保持獲取時(shí)間，每一個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)間1.65μs；可以通過軟件或者硬件的方法選取用于采樣的通道；單電源供電(+5V)；多個(gè)轉(zhuǎn)換電壓范圍；具有高速并行接口，可以與處理器直接連接；低功耗，每通道功耗90mW；對(duì)于每一個(gè)模擬輸入通道均有過壓保護(hù)電路。AD7864 4通道同時(shí)工作時(shí)，最大采樣率可以高達(dá)130kHz。用了2片AD7864，可以同時(shí)采樣8路信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測8個(gè)通道。

通常的機(jī)械的轉(zhuǎn)速的范圍在100～30000轉(zhuǎn)/分，即最高頻率為500Hz，根據(jù)振動(dòng)分析儀的采樣需要，每個(gè)周期采128個(gè)點(diǎn)計(jì)算，采樣頻率不超過64kHz， 這樣的采樣頻率與S3C2410的CPU核心頻率200MHz、外部數(shù)據(jù)總線頻率的100MHz相比還是很低的。

因此采用AD7864的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)BUSY的下降沿中斷CPU，然后由S3C2410直接讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)到內(nèi)存中去。沒有采用外部RAM緩存A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)或用FIFO來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，然后再由CPU讀取緩存里數(shù)據(jù)的方法。電路的實(shí)際測試結(jié)果是采樣頻率小于100kHz時(shí)，完全可以正確無誤的讀取到采樣后的數(shù)據(jù)，大大的簡化了A/D采樣部分的電路設(shè)計(jì)及節(jié)省了電路成本。

與CPU的接口電路的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 AD7864與S3C2410的接口設(shè)計(jì)

其中AIN1-AIN8是模擬信號(hào)的輸入，DATA0-DATA11是S3C2410的數(shù)據(jù)總線的低12位，EINT0接S3C2410的外部中斷線的0號(hào)線，nOE是S3C2410的讀使能信號(hào)，AD7864的片選直接接S3C2410的NGCS1、NGCS2，對(duì)AD7864進(jìn)行讀操作用BANK1、BANK2的首地址，即0x08000000，0x10000000。CONV_START是采樣頻率信號(hào)，可以是外部的同步采樣信號(hào)，每周期采128個(gè)點(diǎn)，也可以是內(nèi)部PWM電路產(chǎn)生的內(nèi)部非同步采樣信號(hào)。

顯示屏接口電路

S3C2410自帶LCD驅(qū)動(dòng)器，所以顯示接口的設(shè)計(jì)比較簡單，使用的TFT顯示屏為臺(tái)灣元太的PD064VT4屏，PD064VT4屏是一款640×480的高亮TFT彩屏，其亮度為400Cd/m2，非常適合工業(yè)場合的應(yīng)用，信號(hào)接口：并行 18位 RGB，每種顏色用6位信號(hào)表示。
TFT顯示屏與CPU的數(shù)字接口部分如圖2所示。

圖2 PD064VT4顯示屏與S3C2410的數(shù)字接口部分

S3C2410的LCD驅(qū)動(dòng)器接口是24位的RGB接口，其輸出信號(hào)為VD0-VD7、VD8-VD15、VD16-VD24，每種顏色用8位數(shù)字信號(hào)表示； PD064VT4  TFT屏的接口是18位的RGB接口，每種顏色用6為數(shù)字信號(hào)表示，即R0-R5、G0-G5、B0-B5。連接時(shí)VD2-VD7和B0-B5相連，VD10-VD15和G0-G5相連，VD18-VD23和R0-R5相連。VD0、VD1、VD8、VD9、VD16、VD17不使用。

觸摸屏接口電路

本振動(dòng)測試分析儀的人機(jī)接口界面采用了電阻式觸摸屏，加上采用了640×480的高亮TFT彩色液晶屏，使得人機(jī)界面很友善，操作非常方便。S3C2410自帶了觸摸屏的接口電路，觸摸屏接口的設(shè)計(jì)比較簡單。觸摸屏接口電路如圖3，其中YU、YL、XR、XL表示4線電阻式觸摸屏的的4個(gè)接口信號(hào)。

圖3 觸摸屏接口電路

信號(hào)輸入接口板

信號(hào)輸入接口板可以接渦流傳感器或磁電傳感器，每個(gè)通道根據(jù)接入的傳感器類型不同，處理電路有所區(qū)別，電路主要由低通、高通濾波電路，有效值轉(zhuǎn)換電路等組成，輸出交流的波形信號(hào)或直流信號(hào)（間隙電壓或振動(dòng)烈度）， 信號(hào)輸入接口板還包括一個(gè)鎖相環(huán)電路，使AD7864的采樣頻率是轉(zhuǎn)速的128倍，即每個(gè)周期采樣128點(diǎn)。

信號(hào)輸入接口板和底板的連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 信號(hào)輸入接口板和底板的連接關(guān)系

IO1-IO7是S3C2410的8個(gè)IO口線，主要用來對(duì)信號(hào)輸入接口板的輸出信號(hào)進(jìn)行選擇，首先控制是按照渦流傳感器處理還是按照磁電傳感器處理，然后控制是輸出交流的波形信號(hào)還是輸出直流信號(hào)（間隙電壓或振動(dòng)烈度）。

Ch01-ch08是信號(hào)輸入接口板輸出給AD7864去進(jìn)行采樣的交流或直流信號(hào)。KPH信號(hào)是轉(zhuǎn)速信號(hào)，送到S3C2410的定時(shí)器去測量轉(zhuǎn)速。CLK的頻率是KPH頻率的128倍，也即外部同步采樣頻率信號(hào)，通過信號(hào)輸入接口板上的一個(gè)鎖相環(huán)電路產(chǎn)生，COUT是由S3C2410的定時(shí)器對(duì)輸入的CLK信號(hào)進(jìn)行128分頻產(chǎn)生，是反饋給鎖相環(huán)電路的相位比較信號(hào)。

軟件設(shè)計(jì)

考慮到軟件只需要用單任務(wù)就可以完成所有的功能，沒有必要使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，另外考慮到商用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（如VxWORKS）的價(jià)格較貴，開源的嵌入式操作系統(tǒng)如Linux對(duì)開發(fā)人員的要求較高，另外也不是硬實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，所以沒有采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

本振動(dòng)測試分析儀采用了640×480的TFT真彩屏，為了達(dá)到比較好的顯示效果，首先編寫好基本的畫圖函數(shù)（畫點(diǎn)、線、圓、弧線、橢圓、矩形、填充），然后在此基礎(chǔ)上編寫了顯示圖片、簡單窗口、下拉式菜單的函數(shù)。由于儀表的顯示界面還是相對(duì)比較簡單，并不需要做成像Windows視窗那樣的復(fù)雜界面，所以界面顯示效果還是很漂亮的，達(dá)到了預(yù)期的要求。

整體流程圖如圖5圖6所示。

圖5 整體軟件流程圖

圖6 信號(hào)的A/D采集流程圖

結(jié)束語

本文詳細(xì)的說明了基于S3C2410的振動(dòng)測試分析儀的硬件電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)過程，采用了ARM9的S3C2410處理器，較以往產(chǎn)品的性能有大幅度的提高。由于S3C2410的內(nèi)核頻率及外部總線的頻率很高，自帶彩色LCD驅(qū)動(dòng)器及觸摸屏接口，所以大大提高了FFT運(yùn)算的能力，可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測，并簡化了A/D數(shù)據(jù)采集部分的電路設(shè)計(jì)和成本，另外人機(jī)接口非常的友好，界面漂亮。