CN116067488A - 一种低频信号采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低频信号采集系统，包括用于采集信号的采集模块，控制模块通过晶体振荡模块控制采集模块采集振动信号，控制模块包括倍频单元、分频单元以及调节PWM控制单元，倍频单元用于调节晶体振荡模块发出的频率，分频单元用于将调节频率后的振荡模块发出的频率进行分频，调节PWM控制单元用于将分频后的频率输入至采集模块，以使控制模块经晶体振荡模块控制采集模块采集振动信号的频率，传输模块用于接受采集模块采集的振动信号，并将振动信号传输至网关。本发明能够根据需要调节采集模块的采集频率，从而避免出现性能严重浪费的情况。

Description

一种低频信号采集系统
技术领域
本发明涉及信号采集技术领域，特别涉及一种低频信号采集系统。
背景技术
在机械设备中，每一个运动着的零部件都有其特定的固有频率和振动频率，我们可以通过分析设备的频率特征来判断设备的工作状态，若不了解设备的结构和运动零部件的振动频率，就不能确切地判断设备的故障。因此，设备振动频率的计算和特征频率的检测，是故障诊断工作的重要环节。
现有技术当中，现有的实现多通道同步动态采集设备多采用FPGA或DSP处理器，该种方案实现的动态数据采集频率普遍较高，而对于在某些领域对于振动频率很小的场合采用高采样率的采集仪会造成过采样，造成难对数据进行分析和处理或者要求资源和性能都要求较高的处理器，所以如果直接采用高采样率的设备采集低频信号，一方面可能无法进行直接使用，另一方面造成性能的严重浪费。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种低频信号采集系统，以至少解决上述现有技术当中的不足。
本发明提供以下技术方案，一种低频信号采集系统，所述系统包括采集模块、控制模块、晶体振荡模块以及传输模块，所述控制模块分别与所述传输模块、所述晶体振荡模块电连接，所述晶体振荡模块与所述采集模块电连接；
所述采集模块用于采集振动信号；
所述控制模块通过所述晶体振荡模块控制所述采集模块采集振动信号，所述控制模块包括倍频单元、分频单元以及调节PWM控制单元，所述倍频单元用于调节所述晶体振荡模块发出的频率，所述分频单元用于将调节频率后的所述晶体振荡模块发出的频率进行分频，所述调节PWM控制单元用于将分频后的频率输入至所述采集模块，以使所述控制模块经所述晶体振荡模块控制所述采集模块采集振动信号的频率；
所述传输模块用于经所述控制模块接受所述采集模块采集的振动信号，并将所述振动信号传输至网关。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过控制模块中的倍频单元调节晶体振荡模块发出的频率，分频单元用于将调节频率后的所述振荡模块发出的频率进行分频，然后经调节PWM控制单元将分频后的频率输入值采集模块，以使控制模块能够经晶体振荡模块控制采集模块的采集振动信号的频率，从而使得该系统能够根据需要调节采集模块的采集频率，从而避免出现性能严重浪费的情况。
进一步的，所述控制模块内设有存储单元，所述存储单元通过乒乓缓存机制存储所述采集模块采集的振动信号。
进一步的，所述存储单元内设有乒乓缓存区，所述乒乓缓存区包括第一缓存区以及第二缓存区，当所述第一缓存区缓存的所述振动信号达到极限后，停止所述第一缓存区缓存所述振动信号，切换至所述第二缓存区继续缓存所述振动信号，所述第二缓存区缓存所述振动信号达到极限后，停止所述第二缓存区缓存所述振动信号，并切换至所述第一缓存区继续缓存所述振动信号。
进一步的，所述控制模块内设有PWM管脚，所述PWM管脚用于接收分频后的频率。
进一步的，所述采集模块采用型号为ADS1278的模数转换器。
进一步的，所述控制模块通过SPI TDM FIX方式将所述采集模块采集的所述振动信号输出至所述传输模块。
进一步的，所述传输模块采用SPI DMA控制器，所述SPI DMA控制器采用DMA传输方法将所述采集模块采集的振动信号传输至所述网关。
进一步的，所述调节PWM控制单元采用可编程调节PWM控制器，所述可编程调节PWM控制器用于编程调节输出多种频率信号，以使所述采集模块的采集频率根据所述多种频率信号进行调节。
进一步的，所述晶体振荡模块采用频率为8.3886MHz的无源晶体，所述无源晶体的频率满足2^n的倍数关系，其中，2^n表示2的n次方，n表示整数。
进一步的，所述采集模块的最高采集频率为32KHz。
附图说明
图1为本发明实施例中的低频信号采集系统的结构框图；
图2为本发明实施例中的控制模块的具体结构框图；
图3为本发明实施例中的存储单元的具体结构框图；
图4为本发明实施例中的分频单元的分频表。
主要元件符号说明：
采集模块 10 晶体振荡模块 20
控制模块 30 倍频单元 31
分频单元 32 调节PWM控制单元 33
存储单元 34 乒乓缓存区 340
第一缓存区 341 第二缓存区 342
PWM管脚 35 传输模块 40
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图2，所示为本发明实施例中的低频信号采集系统，所述系统包括采集模块10、控制模块30、晶体振荡模块20以及传输模块40，所述控制模块30分别与所述传输模块40、所述晶体振荡模块20电连接，所述晶体振荡模块20与所述采集模块10电连接；
所述采集模块10用于采集振动信号，所述控制模块30通过所述晶体振荡模块20控制所述采集模块10采集振动信号，所述控制模块30包括倍频单元31、分频单元32以及调节PWM控制单元33，所述倍频单元31用于调节所述晶体振荡模块20发出的频率，所述分频单元32用于将调节频率后的所述晶体振荡模块20发出的频率进行分频，所述调节PWM控制单元33用于将分频后的频率输入至采集模块10，以使所述控制模块30经所述晶体振荡模20块控制所述采集模块10采集振动信号的频率，所述传输模块40用于经所述控制模块30接受所述采集模块10采集的振动信号，并将所述振动信号传输至网关。
需要解释的是，在本实施例中，采集模块10采用了8通道的同步采集ADC型号为ADS1278，该ADC实现了8通道的24位同步采集，异步输出，同步采集满足了8通道同步采集的要求，异步输出解决了控制模块30无法同步接收，但可进行异步高速接收数据的问题，解决了控制模块30接收数据的短板问题，根据MCU的性能最大可实现32KHz的采样率，基本能满足低频率振动的采集要求。由于控制模块30对于FPGA来说，无法很好的通过编程输出任何需要的采样频率，为了实现多种采样频率的实现，在本实施例中，控制模块30连接了晶体振荡模块20，在本实施例中，所述晶体振荡模块20采用频率为8.3886MHz的无源晶体，所述无源晶体的频率满足2^n的倍数关系，其中，2^n表示2的n次方，n表示整数，在具体实施时，先利用控制模块30内部集成的倍频单元31将该晶振倍频到控制模块30适合的工作主频且又可以通过分频单元32进行分频到各种采样点的主频。由于MCU内部的分频单元32只能服务于外设时钟，无法直接将主频直接分频成需要的频率点进行IO输出，为了解决这个问题，在本实施例中控制模块30被设有PWM管脚35，且PWM可以将频率直接输出到PWM管脚35，PWM得到的频率直接接到采集模块10的频率输入管脚，同过调节PWM的频率，这样就解决了支持各种不同采样频率的问题，从而使得该低频信号采集系统能够根据需要调节采集模块10的采样频率，从而避免出现性能严重浪费的情况。
值得说明的是，在本实施例中，所述调节PWM控制单元33采用可编程调节PWM控制器，所述可编程调节PWM控制器用于编程调节输出多种频率信号，以使所述采集模块的采集频率根据所述多种频率信号进行调节。如此设置，可编程实现输出各种频率信号，实现了8通道的同步采集模块10，通过控制模块30给定确定的时钟就能输出稳定的采样率，最低采样率支持512Hz,最高可支持到144KHz，在本实施例中，通过使用8.3886MHz频率的晶体振荡模块，并通过控制模块30的倍频单元31和分频单元32给采集模块10输出特定的频率，以达到特定的采样率的要求。
值得说明的是，采集模块10共支持4种模式，分别为高速率、高精度、低功耗、低速率，在本实施例中，采用高精度模式，不可通过外部修改模式，模式设置方法通过M3单片机设置采集模块10 MODE0和MODE1两个引脚的电平即可控制采集模块10采用何种模式进行采集。在在高精度模式下，参考数据手册最大支持采样率为52734 SPS，采样频率sf=ADS输入频率fclk/512，即可得到：；所以在确定了采集模块10采样率的情况下，可以得到应当给采集模块10输入的时钟fclk频率为多少。例:需要得到采样频率，所以只需要外部给采集模块10的FCLK脚输入2097152Hz频率即可得到所需要采样频率数据的输出。数据输出方式通过M3单片机设置采集模块10，FORMAT0至FORMAT2三个引脚的电平即可控制采集模块采用何种方式进行输出。本次固定采用了 SPI TDM Fixed方式，该种方式也是最适合控制模块30采用的方式。在本实施例中，最高采样率为32K SPS，最低为512SPS。按照手册计算方法，输入时钟范围为:262144Hz~16777216Hz。该时钟由M3单片机通过PWM实现。M3外接8.3886MHz的晶体振荡模块20（晶振），通过内部倍频单元31倍频到主频100.6632M，该频率既是主频，也是PWM的时钟频率，采集模块10所需要的各种时钟则是通过PWM内部的分频单元32分频得到。具体分频请参阅图4。
具体的，在本实施例中，所述传输模块采用SPI DMA控制器，所述SPI DMA控制器采用DMA传输方法将所述采集模块采集的振动信号传输至所述网关。
值得说明的是，控制模块30受外设硬件的限制，控制模块30能实现的高速传输方法仅有串行SPI，传输带宽极为有限，为了满足最高采样率32KHz，其一，这里采用了SPI DMA控制器进行传输，采样DMA传输方法将极大的减少CPU在数据传输占有总线时间，其二，由于传输时间更多的是在传输握手阶段，为了减少握手次数，将采集了1024个数据后再进行握手传输，这样就减少了在传输握手阶段对效率的浪费。
请参阅图2，在本实施例中，所述控制模块30内设有存储单元34，所述存储单元34通过乒乓缓存机制存储所述采集模块10采集的振动信号，如图3所示，所述存储单元34内设有乒乓缓存区340，所述乒乓缓存区340包括第一缓存区341以及第二缓存区342，当所述第一缓存区341缓存的所述振动信号达到极限后，停止所述第一缓存区341缓存所述振动信号，切换至所述第二缓存区342继续缓存所述振动信号，所述第二缓存区342缓存所述振动信号达到极限后，停止所述第二缓存区342缓存所述振动信号，并切换至所述第一缓存区341继续缓存所述振动信号。
值得说明的是，控制模块30不同于FPGA有硬件实现的乒乓缓存机制，这里利用了其内部的RAM用软件方法实现了乒乓缓存机制，其实现方法如下，采集模块10进行8通道同步采集一次将产生24个字节的数据，但由于控制模块30串行的传送速率我们无法做到采集一次数据控制模块30就直接将数据送出，为了解决这个问题所以我们这里设置采集了1024个数据之后将数据送出，所以一个缓存区的大小为个，这里我们开辟了两块一样大小且占用大小为24576Byte空间作为乒乓缓存区340，该乒乓缓存区340分为第一缓存区341以及第二缓存区342，在本实施例中，第一缓存区341命名为buf1，第二缓存区342命名为buf2，起初控制模块30接收到采集模块10的采集的振动信号先存到buf1，待buf1存满后切换到buf2，同时给网关发送中断来接收buf1中的数据，待buf2存满后再切到buf1,同时也给网关发送中断请求接收buf2中的数据，如此循环下去即实现了乒乓缓存机制完成控制模块30读取采集模块10采集的振动信号。
需要解释的是，采集模块10通过SPI TDM FIX方式输出采集数据，如果按照最大采样频率设计32KHz，每秒数据的吞吐量为:，无法做到每采集一次数据就及时将数据传输出去，所以在数据读取上采用了乒乓缓存机制，实现方法如下：
将数据传送出去分两个步骤：
第1:启用SPI1 DMA接收将ADS1278采集数据传送到M3缓存；
第2:启用 SPI2 DMA 发送将M3缓存数据发送到DMA传送位置启动传输等待网关接收数据。
在M3单片机内存开辟两块相同大小和数据类型相同的缓存区，分别为第一缓存区431（buf1），第一缓存区431（buf2），每组缓存区可存储数据量为字节，缓存区采用二维数组实现。因此一个缓存区一次可以存储8个通道1024个采样数据。分别设置两个参数记录缓存区编号buf_index和缓存区数据写入位置sample_index。当M3从采集模块10采集到数据时先存到buf1并且sample_index自增1，下次采集数据则存到下一个位置，直到buf1存满1024个数据后，将sample_index清0，并且将当前数据接收缓存设置为buf2，即buf_index = 1，此时可以启动SPI2 DMA发送将buf1数据送出；当buf2存满时又切换到buf1即buf_index=0，这样后面采集的数据就可以保存到了buf1，此时可以启动SPI2 DMA发送将buf2数据送出，如此依次交换下去，通过该种方式目前可以支持到32KHz的采样率。
综上，本发明上述实施例当中的低频信号采集系统，通过控制模块中的倍频单元调节晶体振荡模块发出的频率，分频单元用于将调节频率后的所述振荡模块发出的频率进行分频，然后经调节PWM控制单元将分频后的频率输入值采集模块，以使控制模块能够经晶体振荡模块控制采集模块的采集振动信号的频率，从而使得该系统能够根据需要调节采集模块的采集频率，从而避免出现性能严重浪费的情况。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低频信号采集系统，其特征在于，所述系统包括采集模块、控制模块、晶体振荡模块以及传输模块，所述控制模块分别与所述传输模块、所述晶体振荡模块电连接，所述晶体振荡模块与所述采集模块电连接；
所述采集模块用于采集振动信号；
所述控制模块通过所述晶体振荡模块控制所述采集模块采集振动信号，所述控制模块包括倍频单元、分频单元以及调节PWM控制单元，所述倍频单元用于调节所述晶体振荡模块发出的频率，所述分频单元用于将调节频率后的所述晶体振荡模块发出的频率进行分频，所述调节PWM控制单元用于将分频后的频率输入至所述采集模块，以使所述控制模块经所述晶体振荡模块控制所述采集模块采集振动信号的频率；
所述传输模块用于经所述控制模块接受所述采集模块采集的振动信号，并将所述振动信号传输至网关。
2.根据权利要求1所述的低频信号采集系统，其特征在于，所述控制模块内设有存储单元，所述存储单元通过乒乓缓存机制存储所述采集模块采集的振动信号。
3.根据权利要求2所述的低频信号采集系统，其特征在于，所述存储单元内设有乒乓缓存区，所述乒乓缓存区包括第一缓存区以及第二缓存区，当所述第一缓存区缓存的所述振动信号达到极限后，停止所述第一缓存区缓存所述振动信号，切换至所述第二缓存区继续缓存所述振动信号，所述第二缓存区缓存所述振动信号达到极限后，停止所述第二缓存区缓存所述振动信号，并切换至所述第一缓存区继续缓存所述振动信号。
4.根据权利要求1所述的低频信号采集系统，其特征在于，所述控制模块内设有PWM管脚，所述PWM管脚用于接收分频后的频率。
5.根据权利要求1所述的低频信号采集系统，其特征在于，所述采集模块采用型号为ADS1278的模数转换器。
6.根据权利要求1所述的低频信号采集系统，其特征在于，所述控制模块通过SPI TDMFIX方式将所述采集模块采集的所述振动信号输出至所述传输模块。
7.根据权利要求1所述的低频信号采集系统，其特征在于，所述传输模块采用SPI DMA控制器，所述SPI DMA控制器采用DMA传输方法将所述采集模块采集的振动信号传输至所述网关。
8.根据权利要求1所述的低频信号采集系统，其特征在于，所述调节PWM控制单元采用可编程调节PWM控制器，所述可编程调节PWM控制器用于编程调节输出多种频率信号，以使所述采集模块的采集频率根据所述多种频率信号进行调节。
9.根据权利要求1所述的低频信号采集系统，其特征在于，所述晶体振荡模块采用频率为8.3886MHz的无源晶体，所述无源晶体的频率满足2^n的倍数关系，其中，2^n表示2的n次方，n表示整数。
10.根据权利要求1所述的低频信号采集系统，其特征在于，所述采集模块的最高采集频率为32KHz。
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