CN107942799A - 一种机械设备工况网络数据采集电路 - Google Patents

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陈星燎
姚成豪
李亚梅
戴逸华
薛伟国
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ACADEMIA SINICA TIANJIN BENEFO MACHINERY EQUIPMENT GROUP Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05B2219/24—Pc safety
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Abstract

本发明公开了一种机械设备工况网络数据采集电路，其特征在于：至少包括：单通道数据采集电路，所述单通道数据采集电路包括依次串联的仪表放大器、可编程增益放大器、4阶滤波器电路和模拟数字转换器；所述仪表放大器的输入端通过开关与精密电阻连接；型号为EP4CE6E144的FPGA芯片；型号为SAMA5D36的SOC嵌入式CPU芯片；其中：所述模拟数字转换器的信号输出端子与FPGA芯片的信号输入端子电连接；所述FPGA芯片通过SPI总线和SOC嵌入式CPU芯片电连接。该发明能够实现单模块8通道模拟信号的同步数据采集，每通道采样率单独可调，最高250KHz，数据位宽最多可达16比特。模块数量可扩展。

Description

一种机械设备工况网络数据采集电路
技术领域
本发明涉及机械设备数据控制技术领域，特别是涉及一种机械设备工况网络数据采集电路。
背景技术
传统的机械设备工况数据一般由PLC设备通过专用的设备模块配合传感器获取。数据的位宽、采样率，传感器的类型，数据处理过程中采用的算法，网络数据通信方式基本都受制于厂家提供的既有模块。另外数据存储速度和存储容量受限，不能直接操作数据库。为了适应数据处理多样性的需求，有必要改变机械设备传统数据采集和处理模式，实现数据快捷方便采集，并能嵌入多种数据处理算法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种机械设备工况网络数据采集电路；该机械设备工况网络数据采集电路可实现单模块8通道模拟信号的同步数据采集，每通道采样率单独可调，最高250KHz，数据位宽最多可达16比特。模块数量可扩展。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种机械设备工况网络数据采集电路，至少包括：
单通道数据采集电路，所述单通道数据采集电路包括依次串联的仪表放大器、可编程增益放大器、4阶滤波器电路和模拟数字转换器；所述仪表放大器的输入端通过开关与精密电阻连接；
型号为EP4CE6E144的FPGA芯片；
型号为SAMA5D36的SOC嵌入式CPU芯片；其中：
所述模拟数字转换器的信号输出端子与FPGA芯片的信号输入端子电连接；所述FPGA芯片通过SPI总线和SOC嵌入式CPU芯片电连接。
进一步：所述精密电阻为100欧姆。
进一步：所述模拟数字转换器的型号为LTC1864芯片。
进一步：所述4阶滤波器电路由运放OPA2228作为为放大器构建，使用Sallen-Key有源低通滤波器拓扑结构。
进一步：所述程控放大器电路采用PGA112芯片实现，配置接口信号由FPGA芯片产生。
进一步：所述仪表放大器的型号为INA118。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用上述技术方案，本发明的技术方案简洁，电路体积小，携带方便，数据处理能力强。数据可同步采集多达8个通道并能扩展，数据位宽16bit，采样率最高可达250KHz，每通道的数据采样率可单独设置。可嵌入数据处理算法，比传统的PLC设备可以实现更多的功能，如冲击分析，振动分析，噪音分析等。信号实时分析处理能力强，可绘制曲线显示到本地屏幕上，也可实时传输到远程的服务器。
附图说明
图1是本发明优选实施例的电路框图；
图2是本发明优选实施例中单通道数据采集电路的电路图；
图3是本发明优选实施例中程序读取流程图；
图4是本发明优选实施例中将数据通过千兆网络写入到远程数据库服务器的流程图；
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图4，一种机械设备工况网络数据采集电路，包括：
单通道数据采集电路，所述单通道数据采集电路包括依次串联的仪表放大器、可编程增益放大器、4阶滤波器电路和模拟数字转换器；所述仪表放大器的输入端通过开关与精密电阻连接；
型号为EP4CE6E144的FPGA芯片；
型号为SAMA5D36的SOC嵌入式CPU芯片；其中：
所述模拟数字转换器的信号输出端子与FPGA芯片的信号输入端子电连接；所述FPGA芯片通过SPI总线和SOC嵌入式CPU芯片电连接。
本发明可实现单模块8通道模拟信号的同步数据采集，每通道采样率单独可调，最高250KHz，数据位宽最多可达16比特。模块数量可扩展。
本发明可以测量缓慢变化的物理量信号，比如：温度，湿度，功率，力，扭矩，位移，速度，加速度。
本发明可以测量短时快速变化的物理量信号，比如：冲击，振动，噪声。
本发明使用一片FPGA芯片实现数据采集芯片的接口信号控制，数据通过SPI数据总线传输到CPU内存，经过CPU处理后的数据实时显示在屏幕上。
本发明中的软件程序通过千兆网络接口，将采集的原始数据或处理后数据实时写入到远程数据库服务器。
1，如果输入的是电流信号，使用精密电阻将电流信号转换为电压信号；
2，第一级放大器采用仪表放大器，对输入的电压信号作差分放大，滤除共模干扰，并调整到合适的直流电压偏移；
3，可编程增益放大器对信号作程控放大；
4，信号进入4阶低通滤波器滤波；
5，调整好的信号进入AD采集电路，将模拟信号转换为数字信号；
6，FPGA芯片将8路转换好的数据打包，通过SPI数据通信总线传输到嵌入式CPU模块；CPU通过SPI接口发送过来的控制命令经FPGA转换为合适的信号控制程控放大器，以及其他设备；
7，FPGA和CPU之间通过控制GPIO接口线电平产生中断触发信号；
8，嵌入式CPU通过DMA模式将8路打包的信号传输到系统缓存；
9，程序按照设计的算法处理数据并将数据波形显示到屏幕上，同时根据需要将数据通过千兆网络写入到远程的数据库服务器。
图2中：R0为电流信号转换为电压信号的精密电阻；R1、R2、R3、R4为滤波器电阻，阻值由滤波器参数决定；C0、C1、C2、C3为滤波器电容，容值由滤波器参数决定；IAMP为仪表放大器；PGA为可编程增益放大器；OP为运算放大器；ADC为模拟数字转换器。
FPGA将8路数据打包，并通过SPI总线接口将数据传输到嵌入式处理器。
通过图3所示的程序流程，能够将结果显示到屏幕上。
通过图4所示的程序流程，程序将采集的原始数据或处理后的数据通过千兆网络写入到远程数据库服务器。
1，当输入信号为电流信号时，将精密电阻(阻值跟电流大小和量程相关，可取100欧姆)串入信号回路；
2，第一级信号放大器采用仪表放大器电路，型号为INA118，芯片的Vref管脚接入适当的直流偏移电压，该电压由精密参考电压源产生，电压值取AD电路参考电压的一半，为2.048V，由REF3220供给；
3，程控放大器电路采用PGA112芯片实现，配置接口信号由FPGA芯片产生；
4，4阶滤波器电路由运放OPA2228为放大器构建，电路使用标准的Sallen-Key有源低通滤波器拓扑结构；
5，AD转换电路使用LTC1864芯片实现，电压参考信号为4.096V，由精密电压源REF3240产生；
6，FPGA芯片为EP4CE6E144，产生电路所有必需的控制信号，将8路采集后的数据打包后，经SPI总线通过DMA模式传输到嵌入式模块内存；
7，SOC嵌入式CPU芯片型号为SAMA5D36，时钟频率536MHz，512MB RAM，256MBFlash，支持10/100/1000M网络，系统Linux3.6.9。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种机械设备工况网络数据采集电路，其特征在于：至少包括：
单通道数据采集电路，所述单通道数据采集电路包括依次串联的仪表放大器、可编程增益放大器、4阶滤波器电路和模拟数字转换器；所述仪表放大器的输入端通过开关与精密电阻连接；
型号为EP4CE6E144的FPGA芯片；
型号为SAMA5D36的SOC嵌入式CPU芯片；其中：
所述模拟数字转换器的信号输出端子与FPGA芯片的信号输入端子电连接；所述FPGA芯片通过SPI总线和SOC嵌入式CPU芯片电连接。
2.根据权利要求1所述的机械设备工况网络数据采集电路，其特征在于：所述精密电阻为100欧姆。
3.根据权利要求1所述的机械设备工况网络数据采集电路，其特征在于：所述模拟数字转换器的型号为LTC1864芯片。
4.根据权利要求1所述的机械设备工况网络数据采集电路，其特征在于：所述4阶滤波器电路由运放OPA2228作为为放大器构建，使用Sallen-Key有源低通滤波器拓扑结构。
5.根据权利要求1所述的机械设备工况网络数据采集电路，其特征在于：所述程控放大器电路采用PGA112芯片实现，配置接口信号由FPGA芯片产生。
6.根据权利要求1所述的机械设备工况网络数据采集电路，其特征在于：所述仪表放大器的型号为INA118。
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