CN1226603C - 精确测量相位的嵌入式数据采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精确测量相位的嵌入式数据采集器。它包括预处理电路、A/D转换电路、FIFO存储器、键相信号倍频电路和微处理器。振动信号预处理电路的滤波器采用相位特性好的一价滤波电路，而且振动信号和键相信号的预处理电路的参数尽量一致，振动信号的相位误差减小。可编程放大电路和峰值保持器、比较器构成一个简单的放大倍数自动调节电路(AGC)，AGC电路的引入提高了键相信号预处理电路的稳定性。在键相倍频电路中引入了预测环节和鉴相环节，并且用FPGA和软件结合的方式实现，改善了倍频电路的性能，振动信号的相位误差也相应减小。
Description
所属技术领域
本发明涉及通过利用直接传导到检测器测量固体中的振动装置，特别是涉及一种精确测量相位的嵌入式数据采集器。
背景技术
本发明是在专利《大型旋转机组在线状态监测与故障诊断系统(发明专利号：ZL97102397.2)》(下称专利一)和《一体化振动信号整周期等相位同步数据采集系统高速采集系统(发明专利申请号：02145406.x》(下称专利二)的基础上提出的。
目前，一般采用电涡流或压电传感器，测量旋转机械的振动信号，可分为幅值和相位两部分。其中幅值能较精确地测量，可满足故障诊断的要求，但是因为振动信号、键相信号的预处理电路以及键相倍频电路都会影响信号的相位，在实际的数据采集器中，相位测量的精度并不高。相位信息主要有两种：1，振动信号与键相信号之间的相位差；2，振动信号不同谐波之间的相位差。第一种相位差还可用于旋转机械的整机动平衡技术，因此倍受重视。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够精确测量相位的嵌入式数据采集器(这里所说的相位是指振动信号与键相信号之间的相位差)，它由预处理电路、A/D转换电路、FIFO存储器、键相信号倍频电路和微处理器构成。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的精确测量相位的嵌入式数据采集器，包括预处理电路、A/D模数转换电路、FIFO先进先出存储器、键相信号倍频电路、微处理器。与传感器组连接的预处理电路依次接A/D模数转换电路、FIFO先进先出存储器和微处理器，预处理电路另一端经键相信号倍频电路与A/D模数转换电路另一端连接。
其中：
1)，预处理电路分为振动信号预处理和键相信号预处理两部分，其中振动信号预处理电路的一端和电涡流传感器相连，信号输入到分压电路，分压电路的输出分为两路，一路经第一低通滤波器输出直流分量，另一路经隔直电路和第二低通滤波器输出交流分量；键相信号预处理电路的一端和电涡流传感器相连，信号输入到隔直流电路，经可编程放大器、第三低通滤波器、施密特触发器输出数字电平的脉冲信号，可编程放大器、第三低通滤波器、峰值保持器和比较器还构成一个闭合的自动增益控制回路；
2)，键相信号倍频电路一端连接预处理电路，信号输入到加法计数器，经预测器、加法器、锁存器和减法计数器输出倍频脉冲信号，输出信号经第二分频器输入到鉴相器中，同时键相信号也输入鉴相器，鉴相器的输出端连到加法器中，时钟提供的时钟信号输入到减法计数器，并且经第一分频器输入到加法计数器。
本发明具有的有益效果是：振动信号预处理电路的滤波器采用相位特性好的一价滤波电路，而且振动信号和键相信号的预处理电路的参数尽量一致，振动信号的相位误差减小。AGC电路的引入提高了键相信号预处理电路的稳定性。在键相倍频电路中引入了预测环节和鉴相环节，并且用FPGA和软件结合的方式实现，改善了倍频电路的性能，同时减小了振动信号的相位误差。
附图说明
图1是数据采集模块电路框图；
图2是振动信号预处理电路框图；
图3是振动信号预处理电路原理图；
图4是键相信号预处理前后波形示意图；
图5是键相信号预处理电路框图；
图6是倍频电路框图；
图7是键相信号预处理电路原理图；
图8是倍频电路系统图；
图9是改进后倍频电路框图；
图10是鉴相器原理；
图11是倍频电路改进后系统图。
具体实施方式
如图1所示，精确测量相位的嵌入式数据采集器，包括预处理电路1、A/D模数转换电路2、FIFO先进先出存储器3、键相信号倍频电路4、微处理器5。其中：
1)，预处理电路分为振动信号预处理和键相信号预处理两部分，其中振动信号预处理电路的一端和电涡流传感器相连，如图2所示，信号输入到分压电路6，分压电路6的输出分为两路，一路经第一低通滤波器7输出直流分量，另一路经隔直电路8和第二低通滤波器9输出交流分量；键相信号预处理电路的一端和电涡流传感器相连，如图5所示，信号输入到隔直流电路10，经可编程放大器11、第三低通滤波器12、施密特触发器13输出数字电平的脉冲信号，可编程放大器11、第三低通滤波器12、峰值保持器14和比较器15还构成一个闭合的自动增益控制回路；
2)，键相信号倍频电路4一端连接预处理电路1，如图9所示，信号输入到加法计数器16，经预测器21、加法器22、锁存器19和减法计数器20输出倍频脉冲信号，输出信号经第二分频器24输入到鉴相器23中，同时键相信号也输入鉴相器23，鉴相器23的输出端连到加法器22中，时钟18提供的时钟信号输入到减法计数器20，并且经第一分频器17输入到加法计数器16。
如图3所示，所说的振动信号预处理电路的分压电路6包括两个电阻RP2A、RP2B和稳压二极管D2构成无源分压电路，运算放大器U18D连接成电压跟随器形式，第一低通滤波器7包括电阻R1、电容C13构成一阶无源低通滤波器，运算放大器U18C、电阻RP2C、电位器W2构成同相放大器，隔直电路8包括电容C17、电阻R4为一阶无源高通滤波器，运算放大器U18B、电阻RP2D、电位器W1构成同相放大器，第二低通滤波器9包括电阻RP2E、电容C19构成一阶无源低通滤波器，运算放大器U18A连接成电压跟随器。
如图7所示，所说的键相信号预处理电路的隔直流电路10包括电容C12、电阻R16、电阻R11构成无源低通滤波器，运算放大器U12A连接成电压跟随器，可编程放大器11包括数模转换电路U11、运算放大器U12B和电阻R5构成一个反相放大器，数模转换电路U11的8脚为输入，并从运算放大器U12B的7脚输出，数模转换电路U11的D10～D17连接到微处理器上，低通滤波12包括电阻R6、电容C15构成一阶无源低通滤波器，数模转换电路U12D、电阻R10、R12构成同相放大器，施密特触发器13包括由电阻R14、二极管D2和施密特电路U2F构成，峰值保持器14包括从运算放大器U1B的5脚输入，经电阻R1、二极管D1输出，电容C1和电阻R3构成一个电压保持器，比较器15包括电阻R4、R13、R15对电源电压进行分压，作为运算放大器U1A、U1C的基准电压，电阻R17和二极管D5构成限幅电路，电阻R18和二极管D6构成限幅电路。
本发明提出的数据采集器是嵌入式故障诊断系统的一部分。这个故障诊断系统以嵌入式微控制器(MCU)和嵌入式操作系统(RTOS)为基础。按功能有3部分组成：数据采集、数据分析和Web服务器。
1、数据采集器结构
如图1所示，预处理电路为模拟电路，振动信号和键相信号都需要经过预处理，但电路并不一样。振动信号为4路，键相信号1路。键相信号倍频电路对键相信号进行倍频并触发模/数(A/D)转换，另一个功能是测量转速。
A/D转换电路的芯片信号为MAX125，是一种高速多通道的数据采集芯片，14位字长，每个通道的转换时间为3uS。片上带有4个采样/保持电路，每个采样/保持电路可复用于2路输入。这样可同步采样4路信号，然后按顺序分别进行A/D转换，将一片MAX125用于4路振动信号的交流和直流部分，可实现交流信号的同步采样，也充分利用了输入通道。先进先出存储器(FIFO)的容量为1K字，暂时保存A/D转换的结果，由MCU成批读取，这样使系统效率大大提高。
对电路的分析可知，振动信号的相位误差主要由两个因素造成：
(1)，振动信号和键相信号经过滤波器时产生相移。
(2)，键相倍频电路的倍频误差。
下面进一步分析如何减小这两个因素的影响。
2、振动信号预处理电路
如图2和图3所示，振动信号预处理电路的最大特点是交、直流分离。交流和直流信号都包含了有用信息，但是直流量为-8V左右，而交流量的有效值一般小于0.3V，直流量需要作衰减处理，而交流量需放大，因此交流量和直流量分开处理是比较合理的选择。
第一低通滤波器7的截至频率为0.034Hz，第二低通滤波器9的截至频率为1.59kHz.第二低通滤波器9的作用是抗混叠滤波，这是在A/D转换之前必须进行的，专利二的相应部分是一个二阶滤波器，本发明采用一阶滤波器。这主要是考虑到一阶滤波器的相位特性比二阶滤波器好。
隔直流电路8实际上是一个高通滤波，截至频率为0.034Hz.与专利二相比，本发明作了比较大的修改。交直流分离电路不再采用减法电路，而应用了更加稳定可靠的隔直流电路。
3、键相信号预处理电路
如图4所示：实际键相信号为负电压，和振动信号一样有一个大约为-8.0V的直流分量，而且不可避免的有一些干扰脉冲。预处理电路的作用就是要将信号的电压转换成数字电路的电压值，并且滤掉干扰。
如图5和图6所示，隔直流电路10同时也对输入信号进行分压。可编程放大器11实际上是一个DA转换电路，将信号作为参考电压(Vref)输入，根据DAC0832的特点及具体电路，转换输出电压为
其中Dm为数字量输入。施密特触发器13型号为74HC14，根据Texas Instrument公司的产品说明，当电源电压为4.5V时，触发电压上升沿触发电压2.38V，下降沿触发电压为1.4V。峰值保持器14和半波整流电路类似，在电容C1两端的电压基本上等于测点test1的峰值。比较器15实际上是由两个电压比较器组成，比较器的参考电压由电源分压得到，VCC＝5V，根据电阻R4、R13、R15的阻值，可计算得到这两个比较器的参考电压分别为3V和4V。这样，就可判断峰值电压是大于4V、小于3V，还是在3V和4V之间。可编程放大器11、第三低通滤波器12、峰值保持器14、比较器15再加上MCU的干预即构成一个自动增益控制器(AGC)，很容易将信号峰值调节到3V和4V之间。这样信号可正确无误地触发施密特触发器13，另一方面，幅值较小的干扰信号则被有效地滤除了。
隔直流电路和低通滤波的参数选择和振动信号预处理电路相应部分尽量一致。这样振动信号和键相信号就会有一样的相位差，可以相互抵消。
4、键相倍频电路
如图7所示，在专利二中，提出一个用数字电路实现的倍频电路，加法计数器对两键相脉冲的间隔进行计数，得到键相信号的周期，并送入锁存器。这个计数值也作为减法计数器的计数初值，减法计数器每次减到0就发出一个脉冲。假定时钟频率为fclk，分频器进行K分频，加法计数器的计数值为N，则输入键相信号的周期为N□K/fclk，输出脉冲的周期为N/fclk，所以实现了K倍频。
如图8所示，Fi(s)和Fo(s)分别为输入和输出信号的频率。K即为倍频系数，τ即延时。根据电路特点，键相信号每1个周期加法计数器向锁存器送1次数据，会有1个周期的延时.从锁存器到减法计数器同样会有延时，如果这个电路由单片机实现，执行指令产生的延时也是很可观的。这样，倍频电路抽象为2个环节：延时环节和放大环节。
传递函数：
这是一个开环系统，为了减小倍频误差，在延时环节前加了一个预测环节，然后再增加一个分频和鉴相环节。
如图9所示，加法器22、预测器21、鉴相器23由MCU和软件实现，其他部件由FPGA硬件实现，型号为EPM7128。预测器算法如下：
ωx＝2ωl-ωc (2)
其中ωx是下一转的转速，ωl是当前一转的转速，ωc是前一转的转速。ωl-ωc实际上是一种差分运算，表示键相信号在一个周期内的转速变化。这种预测算法可以近似地看作一种比例、微分运算。当输入频率为线性函数，即转子匀加速或匀减速时可以消除延时的影响。
如图10所示，键相信号作为一个MCU的中断输入，在每一个上升沿即产生中断，记下加法计数器的值N，并对加法计数器清零。输出脉冲经第二分频器分频后也作为MCU的一个中断输入，同样在波形的上升沿产生中断，记下加法计数器的值N1。这样，两波形的相位差即为：2π□N1/N。将π作为目标相位差，如果相位有偏移，就将偏移值乘一个适当的系数，加到锁存器中。
如图11所示，本图是对图10的抽象，与PID控制类似，有比例、微分、积分三个环节。对相应的三个系数比例系数Kp、微分系数Kd、积分系数Ki进行调整，将进一步改善倍频电路的性能。
Claims (3)
1，精确测量相位的嵌入式数据采集器，包括预处理电路(1)、A/D模数转换电路(2)、FIFO先进先出存储器(3)、键相信号倍频电路(4)、微处理器(5)，与传感器组连接的预处理电路(1)依次接A/D模数转换电路(2)、FIFO先进先出存储器(3)和微处理器(5)，预处理电路(1)另一端经键相信号倍频电路(4)与A/D模数转换电路(2)另一端连接，其特征在于：
1)，预处理电路分为振动信号预处理和键相信号预处理两部分，其中振动信号预处理电路的一端和电涡流传感器相连，信号输入到分压电路(6)，分压电路(6)的输出分为两路，一路经第一低通滤波器(7)输出直流分量，另一路经隔直电路(8)和第二低通滤波器(9)输出交流分量；键相信号预处理电路的一端和电涡流传感器相连，信号输入到隔直流电路(10)，经可编程放大器(11)、第三低通滤波器(12)、施密特触发器(13)输出数字电平的脉冲信号，可编程放大器(11)、第三低通滤波器(12)、峰值保持器(14)和比较器(15)还构成一个闭合的自动增益控制回路；
2)，键相信号倍频电路(4)一端连接预处理电路(1)，信号输入到加法计数器(16)，经预测器(21)、加法器(22)、锁存器(19)和减法计数器(20)输出倍频脉冲信号，输出信号经第二分频器(24)输入到鉴相器(23)中，同时键相信号也输入鉴相器(23)，鉴相器(23)的输出端连到加法器(22)中，时钟(18)提供的时钟信号输入到减法计数器(20)，并且经第一分频器(17)输入到加法计数器(16)。
2，根据权利要求1所述的精确测量相位的嵌入式数据采集器，其特征在于：所说的振动信号预处理电路的分压电路(6)包括两个电阻RP2A、RP2B和稳压二极管D2构成无源分压电路，运算放大器U18D连接成电压跟随器形式，第一低通滤波器(7)包括电阻R1、电容C13构成一阶无源低通滤波器，运算放大器U18C、电阻RP2C、电位器W2构成同相放大器，隔直电路(8)包括电容C17、电阻R4为一阶无源高通滤波器，运算放大器U18B、电阻RP2D、电位器W1构成同相放大器，第二低通滤波器(9)包括电阻RP2E、电容C19构成一阶无源低通滤波器，运算放大器U18A连接成电压跟随器。
3，根据权利要求1所述的精确测量相位的嵌入式数据采集器，其特征在于：所说的键相信号预处理电路的隔直流电路(10)包括电容C12、电阻R16、R11构成无源低通滤波器，运算放大器U12A连接成电压跟随器，可编程放大器(11)包括数模转换电路U11、运算放大器U12B和电阻R5构成一个反相放大器，数模转换电路U11的8脚为输入，并从运算放大器U12B的7脚输出，数模转换电路U11的D10～D17脚连接到微处理器上，第三低通滤波器(12)包括电阻R6、电容C15构成一阶无源低通滤波器，数模转换电路U12D、电阻R10、R12构成同相放大器，施密特触发器(13)包括由电阻R14、二极管D2和施密特电路U2F构成，峰值保持器(14)包括从运算放大器U1B的5脚输入，经电阻R1、二极管D1输出，电容C1和电阻R3构成一个电压保持器，比较器(15)包括电阻R4、R13、R15对电源电压进行分压，作为运算放大器U1A、U1C的基准电压，电阻R17和二极管D5构成限幅电路，电阻R18和二极管D6构成限幅电路。
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