CN100573378C - 一种基于嵌入式技术的便携式振动数据采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据采集和设备故障诊断领域，具体的说是一种基于嵌入式技术的便携式振动数据采集装置及方法。包括有依次连接的加速度传感器、加速度传感器接口模块、电容隔离模块、程控放大模块、自适应抗混叠滤波器和AD转换及其总线接口。还包括有ARM最小系统、DIM144接口模块、单片机和与单片机相连接的电子标签模块、键盘、电源管理及电压转换模块。程控放大模块、自适应抗混叠滤波器还与单片机8相连。本装置通过串口与上位机进行通信，下达点检任务，并把点检任务中的采样频率发送给单片机，单片机通过采样频率来设定抗混叠滤波器的低通截止频率。本装置功耗低、操作方便、数据分析功能强大；具有实时、准确的特点。

Description

一种基于嵌入式技术的便携式振动数据采集装置及方法

技术领域

本发明涉及数据采集和设备故障诊断领域，具体的说是一种基于嵌入式技术的便携式振动数据采集装置及方法

背景技术

数据采集分析仪是一种具有现场记录、分析功能的仪器或具有现场记录、离线分析机器设备的状态数据功能的便携式分析仪器。它以振动传感器或过程传感器测得的设备上的状态参数信号作为输入，配以各种测量分析技术以及多样化的显示格式组成一个检测系统，主要应用于对机器设备进行定期巡回状态监测和故障诊断等多种领域。它能和计算机一起组成独立的监测诊断系统，是机器设备的计算机辅助诊断手段之一。

国内外现有数据采集分析仪的种类繁多，如上海华阳检测仪器有限公司的华阳106，但主要存在以下几个方面的缺点：首先从其内部的处理器来看，多数是以8位或16位单片机为核心；受其处理器处理速度的限制，这些数据采集器往往都不具备数据分析功能或者数据分析功能很差，而且由于缺少操作系统的支持，更谈不上图形用户界面的概念，不利于工人在现场做些简易的故障诊断；其次，现有的数据采集器在实时性上做的也不是很好，设定的AD采样精度不高，直接导致的是信号在频域内的失真；再者，其抗混叠滤波器低通截止频率的档位有限，在设定采样频率时有较大的限制，通用性不好；有些企业要求数据采集分析仪要有点检管理的功能，这通常是很多产品所不具备或者不符合企业的要求的；最后，现有数据采集器的数据回收方式死板，通常采用的是串口通信，必须通过专门的上位机软件来回收数据，降低了企业的点检效率。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的上述不足，提出了一种基于嵌入式技术的便携式振动数据采集装置及方法，本装置提供了一种精准的AD采样频率的设定方法，保证了信号在频预分析的准确性；同时提供了多种数据导出方式，方便了现场数据的回收。

为了解决上述问题，本发明采取了如下技术方案。包括有依次连接的加速度传感器、加速度传感器接口模块1、电容隔离模块2、程控放大模块3、自适应抗混叠滤波器4和AD转换及其总线接口5、DIM144接口模块6、ARM最小系统7、单片机8和与单片机8相连接的电子标签模块9、键盘10、电源管理及电压转换模块11，程控放大模块3和自适应抗混叠滤波器4还与单片机8相连。其中：

所述的加速度传感器，用来采集目标设备振动的加速度信号，并以电压的形式输出；

所述的加速度传感器接口模块1，用来给加速度传感器提供激励的电压和恒流源；

ARM最小系统7的通信接口12以及LCD与触摸屏接口13通过DIM144接口模块8引出；

ARM最小系统7通过通信接口与上位机相连，通过SPI总线与单片机8相连，ARM最小系统7从上位机下载点检任务，并将点检任务中的采样频率传送给单片机8，单片机8通过选择不同的电阻网络设定自适应抗混叠滤波器4的低通截止频率为采样频率的二分之一；

AD转换及其总线接口5通过DIM144接口模块6与ARM最小系统7相连，所述的AD转换及其接口模块5是将模拟信号按照设定的采样频率进行AD转换后传送给ARM最小系统7；AD转换的采样频率的设定是通过ARM最小系统的硬件PWM定时器产生的调制脉冲来控制的，达到了精确的采样频率的设定。

所述的电子标签模块9是通过单总线的接口将设备上电子标签信息体内的信息读取到单片机8内；

所述的键盘接口，是指通过单片机8端口扩展的键盘；通过单片机扫描编码并将编码发送给ARM最小系统的键盘驱动程序；

所述的电源管理及电压转换模块11，当外界为DC时为锂电池充电，还将锂电池输出的电压转换成系统需要的多路模拟电源、数字电源以及隔离电源，并且结合单片机8完成各路电源的使能控制，控制加速度传感器接口模块1、电容隔离模块2、程控放大模块3、自适应抗混叠滤波器4和AD转换及其总线接口5的电源的开启、关闭，在不进行数据采集的情况下，系统将其电源关断；

LCD及其触摸屏接口通过DIM144接口6与ARM最小系统7相连，完成图形界面的显示以及输入。

所述的通信接口12包括有USB、SD和串口。

一种基于嵌入式技术的便携式振动数据采集方法，该方法是按以下步骤实现的：

1)ARM最小系统7通过串行接口18从上位机下载点检任务，并将点检任务通过SD卡接口17保存到SD卡上；

所述的点检任务是一文本文件，包括10个记录项，内容如下：

任务时间；

任务编号；

测点的路径；

电子标签的ID号；

设定的采样频率；

采样的样本长度；

测点的数据类型；

测点的方向，包括水平测点和垂直测点；

要采集的样本的组数；

组间的间隔时间，单位为毫秒；

2)ARM最小系统7对点检任务进行解析，通过设定ARM最小系统7的硬件定时器的参数来设定AD转换的频率为采样频率，同时SPI协议将采样频率发送给单片机8；

3)单片机8根据接收到的采样频率通过选择不同的电阻网络将自适应抗混叠滤波器4的低通截止频率设定为采样频率的1/2；

4)验证测点与点检任务的一致性；

所述的验证方法为：通过电子标签接口9将设备上的电子标签信息记录体的编码读入单片机8，单片机8将此编码发给ARM最小系统7，ARM最小系统7将此编码与点检任务内的电子标签的ID号相比较，相同则表示任务与测点相对应，可以执行任务；

5)确认测点后，将传感器安装到指定的位置；

6)执行点检任务：ARM最小系统7向单片机8发送开始采集指令，单片机8打开相应模块的电源，ARM最小系统7启动AD转换，开始数据采集；

7)加速度传感器采集到的测点的模拟信号依次经过电容隔离模块2、程控放大模块3、自适应抗混叠滤波器4后，进行AD转换；

8)AD转换得到的数据保存在ARM最小系统7的内存中(测得的传感器输出电压的2进制的补码，16位)，并将数据转换成对应的加速度的浮点数；同时，ARM最小系统给单片机8发送停止采集指令，单片机8接收指令后关闭相关模块的电源；

9)数据分析：将采集到的数据通过ARM最小系统7内的数据分析软件进行分析，并将分析的结果以图形的方式显示在LCD上；

10)数据存储：将AD转换的数据结果以规定的数据文件形式由内存转储到设备自带的SD卡上；

所述的数据文件的格式如下：

数据文件包括数据头和数据体两部分；数据头分为11项，除了第一项设置为sch，表示此文件为点检任务数据，与临时测点数据文件相区别之外，其余的10项与点检任务的数据项完全一致，记录了样本的各种信息；数据体为采样点数与组数乘积的数量个浮点数记录项，每个以换行为分隔符。

11)数据导出：通过系统的通信接口(USB、SD、串口)12中的USB接口导出数据至U盘，或者将SD卡卸下到上位机读出数据，或者通过串口通信通过上位机数据回收软件回收数据。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

1)强大的嵌入式处理器-以ARM9为核心的S3C2410X 32位嵌入式处理器；为系统的数据分析功能提供了强大的运算能力的硬件支持；

2)嵌入式操作系统的支持-本系统采用嵌入式LINUX操作系统(2.4内核)；为实现友好的图形化用户界面和功能全面的数据分析功能提供了软件平台；

3)灵活的硬件架构-采用主从控制器并且采用接口板和核心板的硬件布局，方便了系统的升级；

4)强大的、友好的、人性化的嵌入式数据采集图形用户界面分析软件-本系统采用3.5英寸大屏幕、高分辨率(320×240)真彩色(65536色)LCD，带触摸屏功能，以及基于MiniGUI的图形用户软件。本系统的软件具有强大的数据分析功能，提供了时域和频域的各种常用的数据分析方法，方便于在现场做些简易的设备故障诊断。

5)实时性高的、精准的AD采样频率的设定方法，保证了信号在频预分析的准确性；

6)灵活多样的数据导出方式-提供了串口、USB以及SD卡三种数据导出方式，方便了现场数据的回收。

附图说明

图1是数据采集分析仪整体硬件架构框图

图2是S3C2410X最小系统结构框图

图3是自适应抗混叠滤波器的电路原理图

图4是AD转换模块ADS7805与S3C2410X的接口电路

图5是从控制器单片机AT89S52模块的应用电路原理图

图6是电源管理模块的结构框图

图7是电源管理模块的电路原理图

图8是数据采集模式1的流程图是软件结构框图

图9是软件结构框图

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本实施例包括ARM最小系统7、加速度振动传感器、加速度传感器接口模块1、电容隔离模块2、程控放大模块3、自适应抗混叠滤波模块4、AD转换及其总线接口模块5、DIM144接口模块6、电子标签接口9、键盘接口模块10、单片机8、电源管理及电压转换模块11、通信接口(USB、SD、串口)以及触摸屏接口模块13。其中，加速度振动传感器、加速度传感器接口模块1、电容隔离模块2、程控放大模块3、自适应抗混叠滤波模块4、AD转换及其总线接口模块5、DIM144接口模块6依次相连。电子标签接口9、键盘接口10与AT89S52单片机模块8相连接。单片机模块与电源管理及电压转换模块11连接，并且通过DIM144接口模块6与ARM最小系统7相连接。通信接口(USB、SD、串口)12、LCD以及触摸屏接口模块13通过DIM144接口模块与ARM最小系统相连接。所述的电源管理及电压转换模块11与系统的所有模块均有连接关系。

如图2所示，ARM最小系统包括主频达到230MHz的强大的32位嵌入式ARM处理器S3C2410X、8M的NAND FLASH、32M的SDRAM以及其他的复位电路、电源、JTAG接口等电路，在此基础之上，移植了嵌入式LINUX操作系统，在操作系统之上开发了专用的功能强大的图形用户程序，通过图形化的、友好的用户程序来控制数据采集以及数据分析。为采集和分析工业现场的振动加速度信号提供一种通用的、便携式的、功能强大的、界面友好、操作方便、与企业点检管理系统紧密结合的一体化解决方案。

本实施例在硬件的整体架构上采用的是核心板(附图1中的模块7，以S3C2410X为核心的ARM最小系统)加接口板(附图1中除模块7之外的所有模块，以AT89S52单片机为控制器)的分体设计，接口板与核心板通过一个DIM144(附图1中的模块6)的接口器件相连接，主处理器(S3C2410X)与从控制器(AT89S52单片机)之间通过SPI总线通信。

本实施例中，将系统设计成主从控制器和分体模块的结构，其最突出的优点是方便软硬件升级。在接口板有变动的情况下，只需修改单片机内驱动程序以及核心板内相关的驱动程序即可；而核心板内的数据采集分析软件亦可实现轻松的升级。再者，采用分体结构的设计，在单个部件出现问题的情况下，可轻松的实现模块的替换。方便系统的维护。

核心板(见附图2)是整个系统的核心模块，是嵌入式LINUX操作系统的硬件平台，也是整个应用软件运行的硬件平台。负责数据的采集、存储、分析等功能。该款ARM芯片具有丰富外部接口，如存储器控制器、LCD控制器、SPI接口控制器、IIC接口控制器、硬件定时器等，大大简化了用户在扩展外部接口的难度。本模块就是利用其丰富的外设接口构造的一个ARM最小系统。

该模块中，扩展了一8M的NAND FLASH存储器作为程序存储器；扩展了一32M的SDRAM作为系统的内存，同时，将该系统用到的ARM资源如数据线、地址线、LCD接口、定时器接口、USB口、串口、SPI口、RTC以及一些中断接口资源通过一个DIM144引出到接口底板。

接口板的主要作用是对采集到的信号进行调理、AD转换以及为整个系统提供一个完整的便携式产品电源解决方案。它包括一个从控制器AT89S52单片机、信号放大、滤波电路、电源管理及电压转换模块、A/D转换及其接口模块以及一些通用的接口电路(USB、串口、SD卡接口、LCD接口、键盘接口等)；单片机的主要功能是控制接口板的各个功能模块以及通过SPI总线与ARM核心板进行通信。

下面对各模块分别进行详细说明。

如图3所示，本实施例中的自适应抗混叠滤波器模块4，是指单片机根据设定的采样频率通过自动选择相应的电阻网络来将抗混叠滤波器的低通截止频率设定到采样频率的二分之一，滤除高频的干扰信号，防止产生频率混叠，共8个档位，截止频率从500Hz到20KHz。

根据香农采样定理，只有在采样频率大于被采样信号的频率的2倍以上时才不会出现频率混叠现象。而抗混叠滤波器的作用就是在采样频率为N(Hz)时将被采集信号的截止频率限定在N/2(Hz)以下。本系统所设计的自适应抗混叠滤波器是指根据系统所设定的采样频率自动选择信号的截止频率，来满足香农采样定理。

UAF42是TI公司的一款高性能的通用型2阶滤波器，只需要外部很少的电阻元器件就可以很方便的配置成各种低通、带通、高通滤波器。当UAF42工作在低通模式时，需要外接3个电阻(RF1、RF2以及Rq)来确定其低通截止频率。电阻值的改变将引起低通截止频率的变化。此模块就是根据这个原理，用两个UAF42级联组成一四阶的低通滤波器，由4个MAX308和一个MAX309多路开关组成了一个8组(每组3个电阻)的电阻网络，并通过单片机的三个引脚来选通多路开关的一组对应的电阻，来达到设定不同低通截止频率的目的。用这种方法构造的抗混叠滤波器成本低，结构简单，通用性好。而且本系统设定了8档的截止频率，从500Hz到20KHz，能够完全满足通用性的要求。

系统设定了8组不同的采样频率，0.5k、1k、2k、4k、5k、10k、20k和25k。

程控放大模块3的输出信号与自适应抗混叠滤波器模块4的输入相连接，单片机8从ARM最小系统7接收到采样频率这个参数后，计算得到低通截止频率，这时可通过单片机7的三个引脚来控制选通多路开关对应的一组电阻值，即设定抗混叠滤波器的低通截止频率。经过抗混叠滤波后的信号输出到AD转换及其接口模块。

本数据采集器的主要功能是对单一振动通道的信号进行AD转换，我们关心的信号的频带范围小于20K；模拟信号电压范围±10V；另外考虑到AD转换器与CPU的接口以及综合考虑要求的转换位数，最终确定了TI公司的一款AD转换器ADS7805。ADS7805是一款高精度16位逐次逼近型(SAR)AD转换器，最高转换频率100K。在仪器仪表中得到广泛的应用。

由于ADS7805与S3C2410逻辑电平的电压不同，所以在数据总线上接了一个5V转3.3V的16位并行、双向、三态、电平转换模块SN74LVC16T245，如图4所示，这个模块带有使能引脚，S3C2410的两个地址引脚(nGCS1与MA2)经过一个与非门与这个使能引脚相连接。当地址总线上送上地址时，将开启电平转换接口模块送出数据，无地址信号时呈高阻状态。TOUT0引脚是S3C2410的PWM定时器TIMER0输出端，经过非门后与ADS7805相连接，按照要求的频率产生AD转换的调制脉冲。AD转换及其总线接口电路见图4。

本实施例采用的主从控制器的架构，上位控制器为S3C2410X构成的ARM最小系统(图2)，是操作系统和应用程序运行的硬件平台；下位控制器是单片机AT89S52(图5)，主要实现接口底板上的键盘模块以及电源管理、程控放大、自适应滤波等模块的控制功能以及电子标签的读取以及键盘的扫描编码。它与S3C2410X之间通过SPI通信协议通信，它除了将扫描的键盘编码发送给S3C2410X最小系统外，在进行数据采集时，接收来自S3C2410X最小系统的命令，通过对命令的解析，完成对放大电路、抗混叠滤波电路以及电源管理模块的相关设置。

单片机资源配置说明：

P0.5-P0.7、P2.5-P2.7、P3.2、P3.3与P1.0：与电源管理与电压转化模块相连接，检测系统的供电的状态以及控制系统各个模块的电源使能输出；(见附图7)

P1.2：电子标签模块的单总线相连接；

P1.5-P1.7，P1.4：ARM最小系统与单片机之间的SPI通信接口，这四个引脚与ARM最小系统的SPI总线和一个GPIO端口相连接。

P3.0-P3.1：这两个引脚与程控放大器的两个引脚相连接，可以选择1、2、4、8倍的放大倍数；

P3.4-P3.6：此三个引脚与抗混叠滤波器的多路开关的引脚相连接，可以实现8种低通截止频率；

电源管理模块，除了当外界为DC时为锂电池充电，还将锂电池输出的电压转换成系统需要的多路模拟电源、数字电源以及隔离电源，并且结合单片机完成各路电源的使能控制，控制加速度传感器接口模块、电容隔离模块、程控放大模块、自适应抗混叠滤波器和AD转换及其总线接口的电源的开启、关闭，在不进行数据采集的情况下，系统将其电源关断，以最大化的节省电能，延长仪器的运行时间；

由于本实施例采用的是锂电池供电，而系统工作需要各种电压，主要有±12V、5V、和3.3V。这些所需要的电压都是通过锂电池经过转换而提供。另外，系统有的模块在一定的情况下是不需要供电的，所以，这是可以将其电源关闭，这又涉及到电源管理的问题。本实施例给出了一个完整的便携式设备的电源管理方案。如图6和图7所示，此模块的核心是MAX8662，MAX8662芯片是美信公司推出的一款为基于单锂电池供电系统的高性能的电源管理芯片。它内部集成了两个同步开关整流器，一个能驱动2-7个LED的升压整流器，4个降压线性整流器以及一个为锂电池充电的线性充电电路。MAX8662具有智能电源选择器，在有外部供电电源和电池供电同时从在的情况下，他能在两者之间智能的切换，比如，外部电源不能提供系统所需要的电流，这时，电池也将为系统提供电能；如果外部电源供电能力有剩余，充电电路将启动，为电池进行充电。同时，MAX8662内部还具有温度保护电路，用来规定电池充电的时间以避免过热损坏电池。本系统利用LX1、LX2、OUT4、OUT5这4路输出分别为系统其他模块供电。

本模块内有一个小的功能单元：电源开关模块LTC2950。它是一款低供耗、宽电压输入范围、按钮接通/关断控制器。该器件具有一个独立可编程接通和关断防反跳时间的按钮输入。这款芯片还包含一个简单的微处理器接口，以便在断电之前进行正确的内部处理。LTC2950可在2.7V至26V的宽范围内工作，适应各种各样的输入电源。非常低的静态电流(6uA)，非常适合于以电池供电的便携式仪器。

LTC2950的PB引脚接电源的开关(仪器的键盘上的电源开关按钮)，LTC2950采用系统锂电池供电，KILL与INT引脚接单片机的引脚，EN引脚则接电源管理模块的MAX8662的通道1的输出使能端。按下接通按钮以后，即将PB引脚的电平拉低，则EN引脚就会输出高电平来开启MAX8662的通道LX1的输出。LX1输出电压为3.3V。此路电源经3.3V转5V模块转换为单片机需要的5V电压(3.3V转5V采用的是TI公司的一款高效率的输出电流高达1.8A的开关电源电压转换芯片TPS63002，被广泛应用到单锂电池供电的各种便携式电子设备里。其主要有以下特点：转换效率高达96％；输出电压可调，1.2-5.5V；升压降压两种模式自动转换；静态电流50uA)；这样首先得到供电的是单片机，单片机启动以后将开启ARM芯片的电源，ARM开启之后建立与单片机之间的通信。其他模块在需要供电的时候，ARM最小系统才发指令给单片机，由单片机开启其他电源输出。

在关机按钮按下以后，单片机将先收到关机信号，同时将此信号传送给ARM芯片，在1024ms的时间之内，系统要做关机前的准备工作，之后，系统断电。

本模块中的电容隔离模块需要隔离电源才能达到很好的隔离效果，为此，本系统采用了隔离稳压电源模块DCH010512D。DCH010512D是一款单端输入双极性输出的隔离电源模块，输入电压5V±10％，输出为±12。本系统中用到两个隔离电源模块，主要作用有两点：首先一个为电容隔离模块提供±12V的隔离电源，另外一个与系统的5V电源相隔离，为系统放大滤波电路提供双端电压。

本实施例中提供的采集分析仪有两种采集方式，分别为点检任务模式和临时测点模式：

第一种采集方式-点检任务模式，如图8所示，包括以下步骤：

1)本装置通过通信接口模块的串口与上位机进行通信，从上位机接收点检任务到ARM最小系统，并将点检任务通过SD接口保存到系统自带的SD卡上；

点检任务内容如下：

点检任务是一文本文件，包括10个记录项(顺序固定)，每个记录项目以换行符为结束标志。如下(扩号后面只是在此处的注释，实际文件内并不存在)：

20071112(任务时间，8个字符，分别为年月日)；

0004(任务编号，4个字符，从0001到9999)；

某钢厂/第一炼钢厂/四号高炉/左耳轴齿轮箱/2#轴承(测点的路径)；

90fe120a(16进制表示的64位长的电子标签的ID号，对应唯一的一个测点)；

100000(10进制表示的设定的采样频率，单位Hz)；

4096(10进制表示的采样的样本长度)；

1(测点的数据类型，1表示加速度，2表示速度，3表示位移，目前只能设定为1)；

0(测点的方向，0表示水平测点，1表示垂直测点)；

2(要采集的样本的组数，最大值为与样本长度有关)；

20(组间的间隔时间，单位为毫秒)。

2)ARM最小系统对点检任务进行解析，通过设定ARM最小系统的硬件定时器0的参数来设定AD转换的频率，同时将采样频率这个参数发送给单片机；

3)单片机根据接收到的采样频率这个参数将抗混叠滤波器模块的低通截止频率设定为采样频率的1/2；

设定抗混叠滤波器的低通截止频率的方法主要是指：

当ARM最小系统读取点检任务相关信息后，主要是采样频率，将此信息通过SPI协议传给下位控制器单片机，单片机会自动根据得到的这个采样频率数据通过选择不同的电阻网络，将抗混叠滤波器的低通截止频率设定到采样频率的二分之一；本系统提供了多达8个档位的低通截止频率，分别为500Hz，1KHz，2KHz，4KHz，5KHz，10KHz，20KHz，25KHz，能够完全满足通用性的要求。

4)验证测点与点检任务的一致性；

所述的验证方法为：通过本装置的电子标签接口，将设备上的电子标签信息记录体的编码读入单片机，单片机将此编码发给ARM最小系统，ARM最小系统将此编码并与点检任务内的编码相比较，相同则表示任务与测点相对应，可以执行任务；

5)确认测点后，将传感器安装到指定的位置；

6)执行点检任务，ARM最小系统给单片机发送开始采集指令，单片机打开相应模块的电源，ARM最小系统启动AD转换，开始数据采集；

7)加速度传感器采集到的测点的模拟信号依次经过电容隔离、放大、抗混叠滤波后，进行AD转换。

8)AD转换得到的数据保存在ARM最小系统的内存中(测得的传感器输出电压的2进制的补码，16位)，并对数据进行转换，将数据转换成对应的加速度的浮点数；同时，ARM最小系统给单片机发送停止采集指令，单片机接收指令后关闭相关模块的电源；

9)数据分析；将采集到的数据通过本系统内的数据分析方法进行分析，并将分析的结果以图形的方式显示在LCD上；

10)数据存储：将转换的数据结果以规定的数据文件的形式由内存转储到设备自带的SD卡上；

所述的数据文件的格式如下：

数据文件包括数据头和数据体两部分；数据头分为11项，除了第一项设置为sch(表示此文件为点检任务数据，与临时测点数据文件相区别)之外，其余的10项与点检任务的数据项完全一致，记录了样本的各种有用的信息；数据体为采样点数与组数乘积的数量个浮点数记录项，每个以换行为分隔符。

11)数据导出：可通过系统的USB接口模块导出数据至U盘，也可以将SD卡卸下，到上位机读出数据，还可以通过传统的串口通信通过上位机专门的数据回收软件回收数据。

第二种采集方式-临时测点模式，包括以下步骤：

1)通过键盘对测点进行采集参数的设定；主要包括采样点数、采样频率、放大倍数、采样组数、组间时间间隔、报警值等信息。

2)ARM最小系统对参数进行解析，并通过设定ARM最小系统7中的定时器的参数来设定AD转换频率，同时将放大倍数和采样频率这两个参数发送给单片机；

3)单片机根据收到的参数设定程控放大的倍数以及选择抗混叠滤波器的低通截止频率；

4)将加速度传感器安装在指定的位置；

5)通过键盘发送开始采集指令给系统硬件，ARM最小系统通过开启定时器0来开启AD转化，开始数据采集；

6)同模式1的步骤7，对采集的数据进行转换；

7)同模式1的步骤8、9、10、11，唯一不同的是步骤10中的数据文件的数据头第一记录项设定为tmp，表示此数据文件为临时测点数据文件。

与现有的数据采集分析仪相比，本实施例中的数据文件的格式有明显的改进：现有的数据分析仪中的的数据文件只包括数据体这单一的部分，数据的相关信息保存在另外一个文件内，需要用专门的软件才能识别数据文件，数据文件格式是不公开的，不利于数据资源的共享；而本系统中，数据文件包括数据头和数据体两部分，增加了数据头信息；数据头分为11项，除了第一项设置为sch(表示此文件为点检任务数据，与临时测点数据文件相区别)之外，其余的10项与点检任务的数据项完全一致，记录了样本的各种有用的信息；数据体为采样点数与组数乘积的数量个浮点数记录项，每个以换行为分隔符。

传统的控制AD转换的频率通常是通过软件延时的方式来实现的，实时性不好，其设定的采样频率往往有一定的误差，直接导致的结果是信号在频率内的失真。本系统在此环节主要利用的是硬件本身的特定达到了精确设定采样频率、硬实时性的目的。本系统中的AD转换开启是通过S3C2410X本身提供的以PWM定时器产生的调制脉冲来实现的。调制脉冲的频率即是设定的采样频率，且当开启PWM定时器后，其运行是不受操作系统环境影响的，能够产生精准的调制脉冲。

如图9所示，系统上电后，处理器初始化硬件资源，运行LINUX操作系统，初始化硬件设备，主要是指SPI设备(建立与单片机通信，单片机AT89S52是作为LINUX操作系统的硬件设备而工作的)和AD设备；并通过脚本启动主程序，进入图形化的用户界面。等待用户的输入。当执行点检任务时，主程序先给SPI设备传递参数(采样频率)以及给AD设备传递参数(采样点数和采样频率)，然后启动AD转换，进行数据采集。在数据采集完成之后，将采集到的数据按规定的格式以文件的形式保存到SD卡中，同时，通过给单片机发送指令，关闭相关模块的电源，以最大化节省电能，延长仪器的运行时间。

本嵌入式系统之上安装的嵌入式图形应用程序，采用图形界面应用层和硬件驱动层的分层结构而设计，图形界面具有可移植性，是与硬件层无关的，为用户提供了一个有好的图形界面；而驱动层是作为LINUX内核的模块而动态加载的，位于应用层和和具体的硬件之间，为应用层屏蔽硬件的具体细节并且为其提供一个一致的应用程序接口。(软件架构见附图9)

传统的数据采集分析仪的用户界面往往比较简单，功能单一，没有一个完备的、友好的、功能强大的图形用户界面。

本软件集数据采集、数据分析、数据管理以及数据通信等功能为一体，在友好的图形用户界面的之下完成振动数据采集任务的参数设置、数据采集、数据存储、数据传输、数据的时频域分析、数据的管理、点检任务的接收与管理、系统参数的设置以及与上位机通信等功能。功能强大，使用方便。

本系统主要有六大模块组成，分别是数据采集模块，系统设置模块，数据分析模块，任务管理模块，数据导出模块，以及串口通信模块。

数据采集模块主要功能是对临时的测点进行数据采集，并将采集的数据存储，其中主要包括各种参数的设置，如通道选择、采样点数、采样频率等参数的设置。

系统设置模块包括系统时间的设置，LCD背光的调整等。

数据分析模块包括数据的管理以及数据的分析功能两大功能。在数据管理功能中，可以简要查看测点的路径、各种采集参数的设置情况等信息、删除数据文件等。而数据分析功能中，提供了对测点的数据进行各种时频分析的工具，方便点检人员在现场做出建议的设备故障诊断。

任务管理模块主要功能是管理数据采集分析仪内已有的点检任务。点检人员可以通过此模块方便的查看点检任务的测点的信息，规定的任务的执行时间，任务中设置的各种参数。选定任务后，可以执行相应的任务进行数据采集和存储。

数据导出模块主要功能是导出数据至U盘。

串口通信模块主要实现两个功能：接收上位机下达的点检任务；将分析仪内所有的数据文件上传到上位机的数据库中。

Claims (4)

1、一种基于嵌入式技术的便携式振动数据采集装置，包括有依次连接的加速度传感器、加速度传感器接口模块(1)、电容隔离模块(2)、程控放大模块(3)、自适应抗混叠滤波器(4)和AD转换及其总线接口(5)，其特征在于：还包括有ARM最小系统(7)、DIM144接口模块(6)、单片机(8)和与单片机(8)相连接的电子标签模块(9)、键盘(10)、电源管理及电压转换模块(11)，所述的程控放大模块(3)和自适应抗混叠滤波器(4)还与单片机(8)相连；其中：

所述的加速度传感器，用来采集目标设备振动的加速度信号，并以电压的形式输出；

所述的加速度传感器接口模块(1)，用来给加速度传感器提供激励的电压和恒流源；

ARM最小系统(7)的通信接口(12)和LCD以及触摸屏接口(13)通过DIM144接口模块(6)引出；

ARM最小系统(7)通过通信接口(12)与上位机相连，通过SPI总线与单片机(8)相连接，ARM最小系统(7)从上位机下载点检任务，并将点检任务中的采样频率传送给单片机(8)，单片机(8)通过选择不同的电阻网络设定自适应抗混叠滤波器(4)的低通截至频率为采样频率的二分之一；

AD转换及其总线接口(5)通过DIM144接口模块(6)与ARM最小系统(7)相连，所述的AD转换及其接口模块(5)是将模拟信号按照设定的采样频率进行AD转换后传送给ARM最小系统(7)；AD转换的采样频率的设定是通过ARM最小系统的硬件PWM定时器产生的调制脉冲来控制的；

所述的电子标签模块(9)是通过单总线的接口将设备上电子标签信息体内的信息读取到单片机(8)内；

所述的键盘接口，是指通过单片机(8)端口扩展的键盘；通过单片机扫描编码并将编码发送给ARM最小系统的键盘驱动程序；

所述的电源管理及电压转换模块(11)，当外界为DC时为锂电池充电，还将锂电池输出的电压转换成系统需要的多路模拟电源、数字电源以及隔离电源，并且结合单片机(8)完成各路电源的使能控制，控制加速度传感器接口模块(1)、电容隔离模块(2)、程控放大模块(3)、自适应抗混叠滤波器(4)和AD转换及其总线接口(5)的电源的开启、关闭，在不进行数据采集的情况下，系统将其电源关断；

LCD及其触摸屏接口(13)通过DIM144接口(6)与ARM最小系统(7)相连，完成图形界面的显示以及输入。

2、根据权利要求1所述的一种基于嵌入式技术的便携式振动数据采集装置，其特征在于：所述的LCD为3.5英寸屏幕、320×240分辨率、65536色的LCD。

3、根据权利要求1所述的一种基于嵌入式技术的便携式振动数据采集装置，其特征在于：所述的通信接口(12)包括有USB、SD和串口。

4、一种基于嵌入式技术的便携式振动数据采集方法，其特征在于，该方法是按以下步骤实现的：

1)ARM最小系统(7)通过通信接口(12)中的串行接口从上位机下载点检任务，并将点检任务通过通信接口(12)中的SD卡接口保存到SD卡上；

所述的点检任务是一文本文件，包括10个记录项，内容如下：

任务时间；

任务编号；

测点的路径；

电子标签的ID号；

设定的采样频率；

采样的样本长度；

测点的数据类型；

测点的方向，包括水平测点和垂直测点；

要采集的样本的组数；

组间的间隔时间；

2)ARM最小系统(7)对点检任务进行解析，通过设定ARM最小系统(7)的硬件定时器的参数来设定AD转换的频率为采样频率，同时SPI协议将采样频率发送给单片机(8)；

3)单片机(8)根据接收到的采样频率通过选择不同的电阻网络将自适应抗混叠滤波器(4)的低通截止频率设定为采样频率的1/2；

4)验证测点与点检任务的一致性；

所述的验证方法为：通过电子标签接口(9)将设备上的电子标签信息记录体的编码读入单片机(8)，单片机(8)将此编码发给ARM最小系统(7)，ARM最小系统(7)将此编码与点检任务内的电子标签的ID号相比较，相同则表示任务与测点相对应，可以执行任务；

5)确认测点后，将传感器安装到指定的位置；

6)执行点检任务：ARM最小系统(7)向单片机(8)发送开始采集指令，单片机(8)打开相应模块的电源，ARM最小系统(7)启动AD转换，开始数据采集；

7)加速度传感器采集到的测点的模拟信号依次经过电容隔离模块(2)、程控放大模块(3)、自适应抗混叠滤波器(4)后，进行AD转换；

8)AD转换得到的数据保存在ARM最小系统(7)的内存中，并将数据转换成对应的加速度的浮点数；同时，ARM最小系统给单片机(8)发送停止采集指令，单片机(8)接收指令后关闭加速度传感器接口模块(1)、电容隔离模块(2)、程控放大模块(3)、自适应抗混叠滤波器(4)和AD转换及其总线接口(5)的电源；

9)数据分析：将采集到的数据通过ARM最小系统(7)内的数据分析软件进行分析，并将分析的结果以图形的方式显示在LCD上；

10)数据存储：将AD转换的数据结果以规定的数据文件形式由内存转储到设备自带的SD卡上；

所述的数据文件的格式如下：

数据文件包括数据头和数据体两部分；数据头分为11项，除了第一项设置为sch，表示此文件为点检任务数据，其余的10项与点检任务的数据项完全一致；数据体为采样点数与组数乘积的数量个浮点数记录项，每个以换行为分隔符；

11)数据导出：通过系统的通信接口(12)中的USB接口导出数据至U盘，或者将SD卡卸下到上位机读出数据，或者通过串口通信通过上位机数据回收软件回收数据。

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