CN103453983A - 一种基于时分复用和多通道的工业数据采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于吋分复用和多通道的工业数据采集方法及系统。其技术方案为：将不同通道间的模拟开关切换、模数转换、写缓存等数据采集的关键步骤共享到同一段吋隙内一起执行，利用了等待模数转换完成这一空耗的吋间，进行通道切换，从而形成同一通道内串行采样与不同通道间并行采样相结合的架构，提高了采样速度，降低了成本。

Description

一种基于时分复用和多通道的工业数据采集方法及系统

技术领域

本发明主要涉及现场设备状态在线监测领域，具体是一种用于基于时分复用和多通道的工业数据采集方法及系统。

背景技术

工业部门有着许多各种各样的机器和设备，它们运行是否完好直接影响企业的效益，其中一些关键性重要设备甚至起着决定企业命运的作用。一旦发生事故，损失将不可估量。因此，如何避免机器发生事故，尤其是灾难性事故，是人们一直极为重视的问题。长期以来，由于人们无法预知事故的发生，不得不采取两种对策：一是等设备坏了再进行维修(事后维修)，该办法经济损失很大，因为要等设备运行到破坏为止。其需要昂贵的维修费用，灾难性破坏不但需要更换设备，还可能造成人员伤亡；二是定期检修设备，这种方法需有一定计划性和预防性，但其缺点是如无故障，则经济上损失很大。而且定期检修的时间周期也很难确定。因此，合理的维修应是预知性的，即在设备故障出现的早期就监测隐患，提前预报，以便适时、合理地采取措施，于是设备状态监测应运而生。

要对设备状态监测，首先要解决数据源的问题，即如何获取设备关键点的信息。通常在现场设备需要监测的位置布置相应传感器，将一些非电量信号转换为电量信号，整形、滤波、放大等预处理，再经数据采集器进行数模转换。在实际应用中，存在一些难题：(1)多通道数据采集.因为现场设备数量众多，而每一个设备需要监测的点可能也不止一个，为了减少成本，势必需要用一个数据采集器获取多个设备的多个关键点的传感器信息。(2)高采样频率。在满足多通道数据采集的情形下，有些场合需要的采样频率较高，如风机的振动监测，其信号频率很多在几百Hz-几KHz之间，根据奈奎斯特定理，要求采样频率需达10K以上。显然这种在多通道采集的情况下，又要满足高采样频率是限制数据采集系统性能的瓶颈。

通常的数据采集系统有两种架构，一种是时分复用采集模式，另外一种是并行采集模式。

时分复用数据采集模式的硬件原理框图如图1所示。来自多个传感器的信号，在整形、滤波、放大等预处理后，送到模拟开关，然后由控制器根据采样频率依次选通模拟开关的某个通道，将该路信号送到高速模数转换芯片进行模数转换。

所谓时分复用就是在一个采样周期内对所有通道完成每个通道的单次切换和模数转换，所有通道共用同一片AD转换器。在控制器的控制下，根据采样频率先将模拟开关选通至通道一，此时传感器信号1进入到ADC进行模数转换，一直等到ADC转换结束，然后将模拟开关选通至通道二。此时传感器信号2进入到ADC进行模数转换，一直等到ADC转换结束，然后将模拟开关选通至下一通道，以此类推。其控制过程和工作过程分别如图2和图3所示。时分复用数据采集模式的优点在于只需要一片AD转换器，相应的成本较低。但是数据采集过程是串行进行的，速度相对较慢。

并行数据采集模式的硬件原理框图如图4所示。来自多个传感器的信号，在整形、滤波、放大等预处理后分别对应送到一片AD转换器，控制器分别控制AD转换器完成通道转换，中间过程不需要通道切换，每个通道的模数转换也由单独的ADC完成，也就不存在等待其他通道转换完成才能进行下一通道模数转换。其优点在于控制灵活、转换速度快，但是一个通道对应一片AD转换器，相应成本也很高，控制逻辑复杂。

由上述分析可知，如何在低成本的同时，兼顾多通道、高采样频率的数据采集是亟需解决的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的问题，本发明提出一种用于时分复用、多通道、高速工业数据采集的新控制方法和系统。本发明能提高时分复用的多通道工业数据采集的速度，满足低成本、高采样频率、多个传感器信号通道数据采集的需要。

为解决上述技术问题，本发明的结构如图5所示，在此方法控制下，当采样标志为1时，工作过程如图6所示。

技术方案如下：

一种基于时分复用和多通道的工业数据采集方法，采用模拟开关切换N个采样通道，N≥2，采用一个A/D转换器将当前通道采样的模拟信号转换成数字信号并缓存该数字信号；

数据采集步骤如下：

步骤1：初始化步骤；

初始化时钟信号的周期T，时钟频率f＝1/T；

确定采样频率f_sample；

将模拟开关切换到第一采样通道；

步骤2：在一个采样周期内，当采样周期信号为高电平，由时钟信号的上升沿或下降沿触发A/D转换器开始数据转换，所述的采样周期信号为具有频率f_sample的方波信号；

步骤3：等待A/D转换器数据转换的同时，由控制器向模块开关给出将当前通道切换到下一个模拟通道的控制信号；若当前采样通道为最后一个采样通道，则下一个模拟通道为第一采样通道；

步骤4：A/D转换器数据转换完成后，将转换得到的数字信号进行缓存，并返回到步骤2。【缓存与切换时两个相互独立的操作，切换有可能在缓存前，缓存时，或缓存后，如果切换速度比较慢，有可能在写缓存的时候，正在切换。这一点体现了并行处理的思想】

【按照驱动时钟f的取法，在写缓存的时候，肯定能保证通道切换稳定了】

记模拟开关选通脉冲宽度为T₁，A/D转换器的转换时序中的最小脉冲宽度为T₂，数据缓存写信号的最小脉冲宽度为T₃；时钟周期T取max{T₁，T₂，T₃}的1.1-2倍；

采样频率f_sample＝max{f₁，f₂，...，f_n}，其中，f_k为第k个采样通道的采样频率，k＝1，2，...，n；

要求满足f≥N×(m+2)×f_sample；其中，m为A/D转换器完成模数转换需要的最短时间T_AD与T的比值取整。

采样通道数为24；时钟周期T＝250ns，时钟频率f＝1/T＝4MHz为控制器外接时钟频率的二分频；采样频率f_sample＝20KHz。

一种基于时分复用和多通道的工业数据采集系统，采样通道为24个，用于对10个点位的转速、8个点位的加速度和6个点位的位移进行采样；两片16选一的模拟开关MAX306的24个输入端接该24个采样通道；模拟开关的输出端接A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端接数据缓存器；

模拟开关、A/D转换器和数据缓存器均与控制器相连；

A/D转换器采用单通道16位AD7671芯片；控制器采用CPLD EPM7128A芯片；采用两片2048×9位的FIFO IDT7203扩展成2048×16位作为数据缓存器与AD7671接口；

采用前述的基于时分复用和多通道的工业数据采集方法实现数据采集。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

与传统时分复用采集模式串行执行方式相比，采用串行与并行结合的控制方法，即将不同通道间的模拟开关切换、模数转换、写缓存等数据采集的关键步骤共享到同一段时隙内一起执行，利用了等待模数转换完成这一空耗的时间，进行通道切换，从而形成同一通道内串行采样与不同通道间并行采样相结合的架构，提高了采样速度，降低了成本，从而有效提升了采集速度。保证多通道、高采样频率数据采集的同时，减少了器件的数量，兼顾了较低的硬件成本，提高了系统可靠性。

附图说明

图1为时分复用数据采集模式硬件原理框图；

图2为时分复用数据采集模式控制过程；

图3为时分复用数据采集模式工作过程；

图4为并行数据采集模式硬件原理框图；

图5为本发明流程图；

图6为本发明工作过程；

图7为采用本发明方法搭建的24通道风机监测系统硬件结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：有一个风机振动在线监测系统，针对两台风机的状态进行监测。需要获取的物理量为：10个点位的转速、8个点位的加速度和6个点位的位移，合计24个通道。其中，对单个点位转速的采样频率要求为20KHz，单个点位加速度的采样频率要求为10KHz，单个点位位移的采样频率要求为2KHz。采用时分复用采集模式搭建的硬件结构如图6所示。

其中，采用两片16选一的模拟开关MAX306实现对24通道传感器信号的切换；AD转换器采用单通道16位高速AD7671；控制器采用Altera公司的CPLDEPM7128A；采用两片2048×9位的FIFO IDT7203扩展成2048×16位作为数据缓存与AD7671接口。

对该数据采集系统，按照发明的新控制方法，具体数据采集步骤如下：

1、初始化工作时钟周期和起始采样通道等参数：

①从芯片数据手册可以查到MAX306的选通脉冲宽度为T₁＝130ns、AD7671转换时序中的最小脉冲宽度为T₂＝10ns、IDT7203的写信号最小脉冲宽度为T₃＝30ns。

对模拟开关选通脉冲宽度T₁、AD转换时序中的最小脉冲宽度T₂、数据缓存写信号的最小脉冲宽度T₃取最大值T_w，即

T_w＝max{T₁，T₂，T₃}＝130ns；

取T_w的1.1-2倍作为整个数据采集系统工作的时钟周期T，并由控制器的工作周期T_c整数分频得到。

控制逻辑在CPLD EPM7128A中实现，其外接时钟为8MHz，即T_c＝125ns。考虑到对外接时钟整数分频以及留出充足的脉冲宽度操作硬件，因此取约1.923倍130ns为时钟周期T，即T＝250ns，正好为控制器的工作周期T_c的二分频。此时数据采集系统工作的时钟频率为f＝1/T＝4MHz。

②将模拟开关切换到将要采集的通道C_k，其中，k＝1，即通道一。

③根据所有通道各自的采样频率f_k，其中，k＝1，2，...，n得到数据采集系统的采样频率：

f_sample＝max{f₁，f₂，...，f_n}＝20KHz

因为对N个通道以采样频率f_sample按本方法对每个通道都采样完一个点所需要的时间就是T_sample＝1/f_sample。而本数据采集系统由频率为f的时钟驱动，这N个通道每个通道采样完一个点实际上是由启动ADC、等待转换、通道切换、写缓存等若干步骤组成的(如图6所示)，以f为标准此时需要的最短时间为N×(m+2)×T。因此T_sample需大于或等于这一最短时间，即需满足f≥N×(m+2)×f_sample，其中，N为待采样通道的总数量；m为ADC完成模数转换需要的最短时间T_AD与时钟周期T的比值取整，才能保证采集能正常进行。如果数据采集系统的采样频率不能满足上式，则说明超出了其采样的能力，则必须通过更换更快的模拟开关、ADC或者数据缓存芯片。

本实施例中， $4\mathrm{Mhz}\≥24\×(\frac{1250}{250}+2)\×20\mathrm{KHz}$

其中，待采样通道的总数量N＝24；m为ADC完成模数转换需要的最短时间T_AD＝1.25us(通过查AD7671的数据手册得到)与时钟周期T＝250ns的比值取整。

显然数据采集系统的采样频率满足f≥N×(m+2)×f_sample，说明没有超出了其采样的能力。

对控制器的工作周期T_c分频得到f_sample；

数据采集过程中N个通道的一轮通道切换、ADC转换、写缓存、等待转换等步骤均在时钟f_sample为高电平时进行；而f_sample为低电平时，模拟开关、ADC均回到初始状态，为确保各个步骤无缝配合，要求时钟占空比为

P＝N×(2+m)×T×f_sample，

本实施例中，要求的时钟占空比为：

$P=N\×(2+m)\×T\×f_{\mathrm{sample}}=24\×(2+\frac{1250\mathrm{ns}}{250\mathrm{ns}})\×250\mathrm{ns}\×20\mathrm{KHz}=0.84.$

2、当该时钟f_sample的单周期内电平为高时，在时钟频率f的驱动下，启动ADC开始数据转换，并执行步骤3，否则执行步骤2。

3、等待转换完成的同时进行通道切换。

①等待一个时钟周期T＝250ns；同时更新切换通道的下标k。当k＝24时，则将k赋初值1，否则k＝k+1，将模拟开关切换到下一个将要采集的通道C_k。

②进入等待状态。等待ADC完成模数转换完成，即AD7671的转换结束标志引脚BUSY变为低电平(通过查AD7671的数据手册得到)。当ADC模数转换完成，进入到步骤4，否则一直等待。

4、在时钟频率f的驱动下，产生数据缓存写信号，即输出一个时钟周期的低电平作用于IDT7203的写控制脚，将ADC转换后的数据写入到数据缓存。并回到步骤2继续执行。

Claims (4)

1.一种基于吋分复用和多通道的工业数据采集方法，其特征在于，采用模拟开关切换N个采样通道，N≥2，采用一个A/D转换器将当前通道采样的模拟信号转换成数字信号并缓存该数字信号；

数据采集步骤如下：

步骤1：初始化步骤；

初始化吋钟信号的周期T，吋钟频率f＝1/T；

确定采样频率f_sample；

将模拟开关切换到第一采样通道；

步骤2：在一个采样周期内，当采样周期信号为高电平，由吋钟信号的上升沿或下降沿触发A/D转换器开始数据转换，所述的采样周期信号为具有频率f_sample的方波信号；

步骤3：等待A/D转换器数据转换的同吋，由控制器向模块开关给出将当前通道切换到下一个模拟通道的控制信号；若当前采样通道为最后一个采样通道，则下一个模拟通道为第一采样通道；

步骤4：A/D转换器数据转换完成后，将转换得到的数字信号进行缓存，并返回到步骤2。

2.根据权利要求1所述的基于吋分复用和多通道的工业数据采集方法，其特征在于，记模拟开关选通脉冲宽度为T₁，A/D转换器的转换吋序中的最小脉冲宽度为T₂，数据缓存写信号的最小脉冲宽度为T₃；吋钟周期T取max{T₁，T₂，T₃}的1.1-2倍；

采样频率f_sample＝max{f₁，f₂，...，f_n}，其中，f_k为第k个采样通道的采样频率，k＝1，2，...，n；

要求满足f≥N×(m+2)×f_sample；其中，m为A/D转换器完成模数转换需要的最短时间T_AD与T的比值取整。

3.根据权利要求2所述的基于时分复用和多通道的工业数据采集方法，其特征在于，采样通道数为24；时钟周期T＝250ns，时钟频率f＝1/T＝4MHz为控制器外接时钟频率的二分频；采样频率f_sample＝20KHz。

4.一种基于时分复用和多通道的工业数据采集系统，其特征在于，采样通道为24个，用于对10个点位的转速、8个点位的加速度和6个点位的位移进行采样；两片16选一的模拟开关MAX306的24个输入端接该24个采样通道；模拟开关的输出端接A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端接数据缓存器；

模拟开关、A/D转换器和数据缓存器均与控制器相连；

A/D转换器采用单通道16位AD7671芯片；控制器采用CPLD EPM7128A芯片；采用两片2048×9位的FIFO IDT7203扩展成2048×16位作为数据缓存器与AD7671接口；

采用权利要求3所述的基于时分复用和多通道的工业数据采集方法实现数据采集。

Images