CN101025856A - 一种面向低频振动检测的数据采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据采集检测领域，旨在提供一种面向低频振动检测的数据采集装置及方法。该装置包括上位机、下位机和加速度振动传感器；该方法包括以下步骤：(1)把传感器安装在目标设备上对目标设备进行信号检测；(2)采集数据；(3)采集的数据输入微控制器模块；(4)将输入的信号进行模数转换并处理并决定是否及时发送给上位机；(5)对数据进行校验和拆包，并存放到内存缓冲区；(6)对数据进行解包并提供给显示构件和专家系统构件；(7)收到暂停采集指令，采集装置进入休眠状态。本装置功耗低、轻巧便携，能即时得到故障信息；具有实时、准确的特点；系统整体功耗低；同时检测多台低频振动设备的运行状况。

Description

一种面向低频振动检测的数据采集装置及方法

技术领域

本发明涉及数据采集检测领域，更具体的说，是涉及一种面向低频振动检测的数据采集装置及方法。

背景技术

随着现代工业的发展，大中型机电设备(如鼓风机、汽轮机和结晶器等)在工业现场应用日益广泛。由于这些设备往往是生产的关键环节，一旦出现故障，要么造成生产的重大损失，要么造成人员伤亡。所以及时的监测、预防故障就显得尤其必要。

上世纪末，国内外流行的手持便携数据采集器，体积小，携带方便而广泛应用于工业现场，但多是针对于高频信号的采集，对10Hz以下的振动不是很灵敏，实时性也不够好。另外其采集模块多是8位单片机，处理速度有限，对数据通道也有限制。而用工控机加数据采集卡的体系虽然可以满足处理速度和性能方面的要求，但安装、体积和成本都很难令人满意。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种面向低频振动检测的数据采集装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种面向低频振动检测的数据采集装置，包括上位机、下位机和加速度振动传感器，所述的上位机带有Windows CE操作系统的掌上电脑，承担实时数据的处理、采集信号的实时动态分析显示及精简的专家系统故障诊断等工作；所述的下位机包括电源管理模块、信号滤波处理模块、运放调理电路模块、微控制器模块、串口通讯模块和外围电路；所述的加速度振动传感器、信号滤波处理模块和运放调理电路模块依次相连，所述的微控制器模块通过串口通讯模块与上位机相连；所述的微控制器模块、串口通讯模块、信号滤波处理模块和运放调理电路模块分别与电源管理模块相连；

所述的加速度振动传感器，用来采集设备的振动加速度信号，并以电压形式输出；

所述的电源管理模块，用于将电源输入通过电压转换芯片等的处理，得到适合各模块工作的电源；

所述的信号滤波处理模块，将传感器的输出信号通过低通、高通滤波电路。

所述的运放调理电路模块，将信号进行放大调节，得到适合微控制器处理的电压信号；

所述的微控制器模块，是实现数据的采集及与上位机交互的模块；

所述的串口通讯模块，主要由RS232收发器构成，完成电平的转换。

作为一种改进，所述的电源管理模块包括模拟电路电源模块、数字电路电源模块和传感器电压电源模块；

所述的模拟电路电源模块给信号滤波处理模块、运放调理电路模块以及传感器等模拟部分提供电源；

所述的数字电路电源模块给微控制器模块、串口通讯模块等数字部分提供电源。

一种基于面向低频振动检测的数据采集装置的采集方法，包括以下步骤：

(1)把两路加速度振动传感器安装在目标设备上，准备对目标设备进行信号检测；

(2)收到采集装置启动指令，采集装置从休眠状态下唤醒，进行数据采集；

(3)加速度传感器检测到的输出信号经过信号滤波处理模块进行低、高通滤波处理，再经过运放调理电路模块进行放大调理后输入微控制器模块；

(4)微控制器模块将输入的信号进行模数转换并处理，按照上下位机串口通讯协议打包成数据包，并根据上位机的要求决定是否及时发送给上位机；

(5)上位机接收到数据包后按照上下位机串口通讯协议进行校验和拆包，并存放到该采集装置共享内存缓冲区中；

(6)上位机读取该采集装置的共享内存缓冲区中的数据后进行解包，并提供给显示构件和专家系统构件；

(7)如果采集装置收到暂停采集指令，则采集装置关闭CPU时钟及电源，使采集装置进入休眠状态，降低采集装置的系统功耗。

作为一种改进，所述的上下位机串口通讯协议如下：

(1)下位机通讯数据包格式：

通讯数据包采用精简格式：校验码以0xAA表示，包号以“A”递增，以通道号来表征数据的属性，当设为2时，前4个字节为快变数据，且分别对应通道1和2，最后2个字节填0；而当设为3时，前4个字节仍为快变数据，只是最后2个字节的内容为缓变数据；结束符以填充包的长度而定；

(2)下位机发送“3000”个包后，即包号“A＝3000”，改变包的格式，发送缓变数据到上位机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)利用低功耗、轻巧便携的采集装置进行现场采集低频振动信号，并能即时得到故障信息；

(2)数据采集与数据处理相分离设计，保证数据采集的实时性与数据显示的准确性；

(3)下位机设计采用数模隔离的电源管理系统，该电源管理系统一方面使得模数电路的隔离，防止互相干扰，另一方面由于核心部分电压较低，降低了整个系统的整体功耗；

(4)设计两路数据采集，通道可方便切换，能同时检测多台低频振动设备的运行状况，尤其是用于连铸车间结晶器的振动检测，取得了不错的效果。

附图说明

图1是本发明与目标设备的连接示意图。

图2是下位机总体硬件示意图。

图3是下位机主函数流程图。

图4是上位机软件整体架构图。

图中，11上位机、12下位机、13目标设备、14加速度振动传感器、1电源管理模块、2运放调理电路模块、3电源管理模块、4信号滤波处理模块、5加速度振动传感器、6串口(连接PDA)、7串口(连接PC)、8RS232收发器、9静态随机存储器、10微控制器单元。

具体实例方式

结合附图，下面对本发明进行详细说明。

结合微控制器(Microcontroller Unit，MCU)事务控制能力强，简单易用的优势和高性能ARM(Advanced RISC Machine)微处理器运行操作系统管理数据和多任务的优点，本发明开发一种MCU+ARM的双CPU结构的低成本、低功耗、简单易用的状态监测和故障诊断数据采集装置，主要侧重于对低频信号(0.5Hz-50Hz，可调)的采集处理，考虑采集装置的便携性、即时性以及低功耗性的设计，是工业现场进行故障检测的高性价比装置。

本发明的采集装置包括上位机、下位机和加速度振动传感器。

上位机(rz1717PDA)是惠普公司生产的高端个人数字助理，该PDA的CPU是Samsung S3C2410，并集成了32M的SDRAM、64M的FLASH、从端USB接口、蓝牙和异步串口通讯模块、240×320TFT液晶以及触摸屏等，并可扩展SD卡，基本可以满足本系统上位机的性能需求。上位机的操作系统是嵌入式WinCE，驱动程序和数据采集管理构件分别是用C和C++编写。

基于16位微控制器模块的数据采集卡即下位机，与加速度振动传感器相连接，用于承担两路现场快变及一路缓变数据的采集及预处理，并通过串口传给上位机；这里的上位机是rz1717PDA，用于实现采集数据的二次处理、时域/频域的显示及给出轴心轨迹和电池电量显示；下位机设置两个串口，其中C_PDA与上位机相连，实现数据通信；而C_PC与PC机串口相连，用于下位机程序的下载及更新。

下位机包括电源管理模块、信号滤波处理模块、运放调理电路模块、微控制器模块、串口通讯模块和外围电路。

下位机的微控制器模块由TI公司的MSP430F149微控制器实现。该芯片具有超低功耗(160uA@1MHz，2.2V)、12位RISC指令结构12位200kbps片内AD、5种节能模式、两通道串行接口、硬件乘法器等性能，十分符合本发明要求的低功耗、高集成度、强处理能力的要求。芯片的时钟源有多种模式，外部的32.768kHz低速晶振在系统省电模式启用，8MHz在系统全速运行的时候启动。手动复位电路提供足够的低电平时间以确保系统。MSP430F149微控制器有专用的在线调试端口JTAG，可以通过仿真器与PC的并口相连，在下位机程序测试通过并下载到板子上后可以将该接口拆除。此发明只以串口形式引出了C_PC，精简了下位机结构。

下位机的电源模块，主要由两部分组成：模拟电路电源模块和数字电路电源模块。模拟电路电源模块采用LM317芯片，该芯片可连续调整输出电压1.2V-37V(这里稳压输出5V)；利用两片IB0524LD提供24V电压，再通过LM334输出恒流4mA给传感器供电。数字电路电源模块采用AAT3221-3.3芯片将5V电压变为3.3V提供给微控制器、静态随机存储器和RS232收发器。

两路加速度振动传感器的输出端经过信号滤波处理模块接到LM324N的反相端，正相端提供基准电压(可调为1.25V)。LM324N的输出端分别连接到MSP430F149微控制器的A6～A7管脚，可以实现0.5Hz～50Hz的采样。

上位机是带有Windows CE操作系统的掌上电脑，主要用来实现下位机采集数据的处理和数据的显示处理。其中显示处理包括：电量监测显示、时域显示、频域显示以及轴心轨迹图的显示。

本发明对整个现场监测的任务进行合理的分解：通过两块5V锂电池给整个系统供电，将模拟信号的采集、AD转换以及简单的数据处理部分放在下位机实现，以控制采集装置的硬件规模及耗电；将数据的进一步处理、现场需要实时分析的显示构件、及精简的专家系统构件放在上位机上实现，以充分利用PDA的处理能力和交互能力；另外，还可以把历史数据通过USB口或蓝牙技术传到PC机上，进行相关数据的对比分析，获得更详细地故障诊断信息。

本发明所述的采集方法为：现场检测时，采集装置的传感器接口连到安装在目标设备上的两路加速度振动传感器。加速度振动传感器的输出信号经过信号滤波处理模块进行滤波，再经过运放调理电路模块进行放大调理之后进入到MSP430F149微控制器的AD端口，该芯片具有12位高精度AD，将输入的模拟信号转换成数字信号并做相应的预处理后按照上下位机规定的串口通讯协议打包成一定格式的数据包，数据量大时可以存入片外32K的静态随机存储器中，而要求及时传送时，也可以不经过静态随机存储器。采集卡上电工作后，处于一种低功耗状态(LPM1)，等待上位机启动系统，同时向下位机的串口发送一个请求包，下位机收到后从低功耗模式退出，便开始以固定的采样频率进行AD采样，同时提取相应的数据包发给片外的串口通讯模块(RS232收发器)并通过C_PDA串口发给上位机；上位机接收到数据包后按照串口通讯协议进行校验和拆包并存放到采集装置的共享内存缓冲区中；上位机的上层应用程序读取缓冲区的数据后根据协议和用户配置的采样频率进行解包，并提供给显示构件；上位机的上层应用程序中加入了FFT算法，还加入了积分算法，可以对入加速度信号二次处理，得到速度、位移信息。

上下位机串口通讯协议如下：

(1)下位机通讯数据包格式——混合包(16bytes)

通讯数据包采用精简格式：校验码以0xAA表示，包号以‘A’递增，以通道号来表征数据的属性，当设为2时，前4个字节为快变数据，且分别对应通道1和2，最后2个字节填0；而当设为3时，前4个字节仍为快变数据，只是最后2个字节的内容为缓变数据。结束符以填充包的长度而定。如下表所示。

校验	包号	大小	采频	通道总	data		data		data		结束符
													1	2	2	2	1							DD	DD

(2)下位机发送“3000”个包后，即包号“A＝3000”，改变包的格式，发送缓变数据到上位机。

本发明中，下位机的程序主要由初始化函数、AD中断处理函数、串口中断处理函数和主函数组成。图3给出了主函数的流程，程序再在做了一些初始化工作之后，开启中断，然后根据串口中断函数接收的指令选择程序流程：

(1)如果收到系统启动指令‘S’，则系统从休眠状态(低功耗1)下唤醒，开始AD采样，并发送数据包给上位机(该数据包遵守设备故障诊断配置信息传输协议，其格式如表1所示)。

(2)如果收到暂停采集指令‘E’，则系统关闭CPU时钟及电源，使系统进入休眠状态(低功耗1)，降低系统功率。同时MSP430F149仍然提供片内设备IO的时钟及电源，一旦串口收到数据便立刻触发中断，唤醒CPU。

(3)MSP430F149采集数据与发送数据包是一连贯动作。当它按预定采样频率采集数据并转换完成时，关闭定时器中断，在串口发送程序中把数据打包发送。此发明中，下位机处于一种主动态。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1、一种面向低频振动检测的数据采集装置，其特征在于，包括上位机、下位机和加速度振动传感器，所述的上位机是带有Windows CE操作系统的掌上电脑，承担实时数据的处理、采集信号的实时动态分析；所述的下位机包括电源管理模块、信号滤波处理模块、运放调理电路模块、微控制器模块、串口通讯模块；所述的加速度振动传感器、信号滤波处理模块和运放调理电路模块依次相连，所述的微控制器模块通过串口通讯模块与上位机相连；所述的微控制器模块、串口通讯模块、信号滤波处理模块和运放调理电路模块分别与电源管理模块相连；

所述的加速度振动传感器，用来采集设备的振动加速度信号，并以电压形式输出；

所述的电源管理模块，将电源输入通过电压转换芯片等的处理，得到适合各模块工作的电源；

所述的信号滤波处理模块，将传感器的输出信号通过低通、高通滤波电路；

所述的运放调理电路模块，将信号进行放大调节，得到适合微控制器处理的电压信号；

所述的微控制器模块，是实现数据的采集及与上位机交互的模块；

所述的串口通讯模块，主要由RS232收发器构成，完成电平的转换。

2、根据权利要求1所述的一种面向低频振动检测的数据采集装置，其特征在于，所述的电源管理模块包括模拟电路电源模块、数字电路电源模块，避免相互间的干扰；

所述的模拟电路电源模块给信号滤波处理模块、运放调理电路模块以及传感器等模拟部分提供电源；

所述的数字电路电源模块给微控制器模块、串口通讯模块等数字部分提供电源。

3、一种基于面向低频振动检测的数据采集装置的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)把两路加速度振动传感器安装在目标设备上，准备对目标设备进行信号检测；

(2)收到采集装置的启动指令，采集装置从休眠状态下唤醒，进行数据采集；

(3)加速度传感器检测到的输出信号经过信号滤波处理模块进行低、高通滤波处理，再经过运放调理电路模块进行放大调理后输入微控制器模块；

(4)微控制器模块将输入的信号进行模数转换并处理，按照上下位机串口通讯协议打包成数据包，并根据上位机的要求决定是否及时发送给上位机；

(5)上位机接收到数据包后按照上下位机串口通讯协议进行校验和拆包，并存放到该采集装置的共享内存缓冲区中；

(6)上位机读取该采集装置的共享内存缓冲区中的数据后进行解包，并提供给显示构件和专家系统构件；

(7)如果采集装置收到暂停采集指令，则系统关闭CPU时钟及电源，使采集装置进入休眠状态，降低采集装置的系统功耗。

4、根据权利要求3所述的采集方法，其特征在于，所述的上下位机串口通讯协议如下：

(1)下位机通讯数据包格式：

通讯数据包采用精简格式：校验码以0xAA表示，包号以“A”递增，以通道号来表征数据的属性，当设为2时，前4个字节为快变数据，且分别对应通道1和2，最后2个字节填0；而当设为3时，前4个字节仍为快变数据，只是最后2个字节的内容为缓变数据；结束符以填充包的长度而定；

(2)下位机发送“3000”个包后，即包号“A＝3000”，改变包的格式，发送缓变数据到上位机。

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