CN201622113U - 智能振动监测仪 - Google Patents

Abstract

智能振动监测仪，涉及振动信号的现场测试、记录与分析仪器。触摸液晶显示屏连接ARM9嵌入式处理器，ARM9嵌入式处理器内的U盘存储接口连接用于导出数据的外接U盘；ARM9嵌入式处理器连接处理器通信接口，处理器通信接口通过AVALON总线连接SDHC卡存储管理器、NIOS嵌入式处理器内核和采集控制逻辑电路；采集控制逻辑电路连接带浮点放大功能的信号采集单元，浮点放大控制单元分别连接SDHC卡存储管理器和带浮点放大功能的信号采集单元，SDHC卡存储管理器连接SDHC卡，带浮点放大功能的信号采集单元连接一体化三向振动传感器。该仪器是一种适应超大动态范围的信号测试，保证了数据的完整性的测试仪。

Description

智能振动监测仪

技术领域

本实用新型涉及振动信号的现场测试、记录与分析仪器。

背景技术

振动信号监测仪正向数字式自动记录方式发展，利用最新的微电子集成技术、电子线路技术和计算机技术，使振动记录仪轻小、便携，自带电池供电，且功能齐全。我国早期振动自记录仪的研制开始于90年代初，应用于爆破监测和大型机电设备振动监测等领域，现已有多种类产品，发展成多家竞争的局面，国外的产品也不断进入国内市场。

当前大部分振动自记录仪都基本能满足一般振动测试要求，但是在输入信号动态范围、小信号测试精度、数据存储能力与数据处理的专业化等方面，产品的设计与性能水平差异较大。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种智能振动监测仪，本实用新型是一种适应超大动态范围的信号测试，保证了数据的完整性的测试仪。

本实用新型的智能振动监测仪，包括触摸液晶显示屏1、ARM9嵌入式处理器2、处理器通信接口7、SDHC卡存储管理器8、SDHC卡9、NIOS嵌入式处理器内核10、采集控制逻辑电路11、浮点放大控制单元12、带浮点放大功能的信号采集单元13和一体化三向振动传感器14；触摸液晶显示屏1连接ARM9嵌入式处理器2，ARM9嵌入式处理器2内有U盘存储接口3、网络接口5和SDHC卡读数接口6，U盘存储接口3连接用于导出数据的外接U盘4；ARM9嵌入式处理器2通过ASB总线连接处理器通信接口7，处理器通信接口7通过AVALON总线连接SDHC卡存储管理器8、NIOS嵌入式处理器内核10和采集控制逻辑电路11；采集控制逻辑电路11连接带浮点放大功能的信号采集单元13，浮点放大控制单元12分别连接SDHC卡存储管理器8和带浮点放大功能的信号采集单元13，SDHC卡存储管理器8连接SDHC卡9，带浮点放大功能的信号采集单元13连接一体化三向振动传感器14。

本实用新型的智能振动监测仪，具有以下优点：(一)可应用于大动态输入信号范围、高精度小信号测试，并可保证数据的完整性。(二)更好的便携性和操作便利性。(三)具备超大容量存储能力。(四)具备强大的实时处理能力与高可靠性。(五)先进的数据通信接口。(六)可以应用于专业化的软件支持和二次开发。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并用最佳的实施例对本实用新型作详细的说明。

参阅图1，智能振动监测仪，包括触摸液晶显示屏1、ARM9嵌入式处理器2、处理器通信接口7、SDHC卡存储管理器8、SDHC卡9、NIOS嵌入式处理器内核10、采集控制逻辑电路11、浮点放大控制单元12、带浮点放大功能的信号采集单元13和一体化三向振动传感器14；触摸液晶显示屏1连接ARM9嵌入式处理器2，ARM9嵌入式处理器2内有U盘存储接口3、网络接口5和SDHC卡读数接口6，U盘存储接口3连接用于导出数据的外接U盘4；ARM9嵌入式处理器2通过ASB总线连接处理器通信接口7，处理器通信接口7通过AVALON总线连接SDHC卡存储管理器8、NIOS嵌入式处理器内核10和采集控制逻辑电路11；采集控制逻辑电路11连接带浮点放大功能的信号采集单元13，浮点放大控制单元12分别连接SDHC卡存储管理器8和带浮点放大功能的信号采集单元13，SDHC卡存储管理器8连接SDHC卡9，带浮点放大功能的信号采集单元13连接一体化三向振动传感器14。

下面对上述技术方案目的、要点做进一步说明：

一、目的：

首先，不仅满足普通情况的振动测试，还可应用于大动态输入信号范围、高精度小信号测试。针对目前国内外同类产品普遍存在的输入信号动态范围小、小信号测试精度的问题，我公司特别设计发明了“自适应实时浮点放大技术”，即开启浮点功能后，设备可以根据实际测量信号的大小，实时地自动调节通道放大倍数，从而有效地避免了测量波型由于量程原因被削顶、限幅的现象，同时对小信号也能提高灵敏度和测试精度，以适应超大动态范围的信号测试，保证了数据的完整性。

其次，更好的便携性和操作便利性。触摸屏作为一种最新的输入设备，它是目前最筒单、方便、自然的一种人机交互方式。相比以往的操作方式，触摸屏具有易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，我公司研制的智能振动监测仪是国内首个采用触摸式彩色液晶操作界面的智能仪器。该技术的采用，极大的简化了测振仪器的使用，即使是对此类专用仪器一无所知的人，也照样能够信手拈来，解决了传统仪器设备所无法解决的问题。

再者，具备超大容量存储能力。我公司设计的新型智能振动监测仪采用最新的SDHC卡作为存储介质，其容量最大支持32GB，段数支持最多2048段，单段的存储容量和总段数等指标都远领先于国内外其他同类产品。而且，采用该存储器，数据在电源切断的情况下，可以仍然完好保存而不丢失。

还具备强大的实时处理能力与高可靠性。传统的仪器设备，通常只有一个处理器作为整个设备的控制核心。这样的单处理器系统，由于嵌入式处理器的处理能力有限，在执行多任务操作的时候，其实时性还无法满足要求，尤其是在对SD卡数据的存储速度上，目前尚无任何嵌入式处理器能达到理想的效果，通常都大大低于SD卡本身能达到的存储速度。我公司研制的新型智能振动监测仪的设计中，采用了双处理器系统的设计。一片基于ARM9内核的嵌入式处理器，独立完成人机操作界面、波形显示、数据分析、波形打印等功能；另外一片基于Nios II软核的嵌入式处理器完成采集控制、SDHC卡的实时写入、采集状态的维护等操作。同时，嵌入式处理器系统的设计均采用了硬件看门狗与软件看门狗结合的设计，及时软件跑飞，设备也能自动恢复正常工作状态，使得系统的可靠性得到很大的提高。

先进的数据通信接口。目前，大多数同类产品都采用RS232、USB或1394接口与上位机进行联机控制，而我公司研制的新型智能振动测试仪采用LAN接口，使其不仅仅是一台只能和PC近距离连接的测试设备，通过目前广泛使用的以太网，可以连接至网络中的任意一台PC终端。进而，通过INTERNET，可以在世界的任何一个地方对其进行有效的控制，真正的做到物联世界。物联网的提出，也使得支持LAN接口的新型智能振动监测仪在未来发展中，有着更广阔的应用前景。

最后提供专业化的软件支持和二次开发。仪器联机时，可使用爆破监测专用软件BM.View，该软件根据《爆破安全规程-GB 6722-2003》国家标准设计，集成了萨道夫斯基经验公式，可完成爆破振动参数分析、装药量控制和安全振速预测等工作。用户可以根据配套提供的二次开发程序接口，完成各种专业软件的开发应用。

二、发明要点：

自适应实时浮点放大

自适应浮点放大技术”就是在数据采集的过程中，预先自动根据输入信号的大小来动态调整放大倍数，从而保证正确可靠的测量数据。与一般的程控放大器不同，对不同大小的输入信号，浮点放大器的放大倍数是不同的，或者说放大倍数是可以浮动的。信号经过浮点放大后，再进行A/D转换，这样整个采集系统得到的数据就由放大倍数和A/D转换结果两部分组成。这样的数据有些类似于计算机中用的浮点数。相应的可称放大倍数为“阶码”，A/D转换结果为“尾码”。整个浮点数据采集系统的动态范围等于A/D转换器动态范围加上浮点放大器动态范围。自适应浮点放大功能的可分为：可变增益放大、数据比较分析、数据预采样三个主要部分，这部分基础功能的实现，主要依靠FPGA技术来完成。实现以上三个基本功能后，浮点采样功能理论上可实现。但是，在实际设计调试中，仍然会遇到各档零点不一、增益误差、输入信号相位延迟等原因造成的波形不连续、大量台阶等现象。在“智能振动监测仪”的研制中，通过模拟电路的优化调整结合数字信号处理的方法，成功解决了上述问题，使得该技术在实际中得以成功运用。

因此，“自适应浮点放大技术”实际上是巧妙先进的模拟线路设计和数字电路设计，加以实时数字信号处理等一系列技术手段的结晶。

触摸式彩色液晶界面

在当今嵌入式处理器的应用中，以ARM9系列最为常用。ARM9系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。其主要特点如下：

(1)32bit定点RISC处理器，改进型ARM/Thumb代码交织，增强性乘法器设计。支持实时(real-time)调试；

(2)片内指令和数据SRAM，而且指令和数据的存储器容量可调；

(3)片内指令和数据高速缓冲器(cache)容量从4K字节到1M字节；

(4)设置保护单元(protcction unit)，非常适合嵌入式应用中对存储器进行分段和保护；

(5)采用AMBA AHB总线接口，为外设提供统一的地址和数据总线；

(6)支持外部协处理器，指令和数据总线有简单的握手信令支持；

(7)支持标准基本逻辑单元扫描测试方法学，而且支持BIST(built-in-self-test)；

(8)支持嵌入式跟踪宏单元，支持实时跟踪指令和数据。

ARM9的新特性能够满足各种新需求的同时减少产品研发时间并降低研发费用。

新型智能振动监测仪正是采用了当今主流的ARM9内核嵌入式处理器，实现了触摸式彩色液晶界面的功能，使其成为国内首个采用触摸式彩色液晶操作界面的智能仪器。

超大容量存储

SDHC是″Secure Digital High Capacity“的缩写，即“高容量SD存储卡”。相比SD卡，SDHC最大得到特点就是高容量(2GB-32GB)。作为SD卡的继任者，SDHC主要特征在于文件格式从以前的FAT12、FAT16提升到了FAT32，而且最高支持32GB。同时传输速度被重新定义为Class2(2MB/sec)、Class4(4MB/sec)、Class6(6MB/sec)等级别，高速的SD卡可以支持高分辨视频录制的实时存储。

符合SD2.0标准的SDHC卡，正好满足了新型智能振动监测仪对存储介质高速度、大容量的要求。因此，我们积极的采用了该技术，使得新型智能振动监测仪在目前国内外同类产品中，拥有最大的存储容量。

双嵌入式处理系统设计

传统的仪器设备，通常只有一个处理器作为整个设备的控制核心。这样的单处理器系统，其设计相对简单，只需要设计一个嵌入式处理器和外围硬件电路，依靠嵌入式处理器自带的IO等外围功能实现采集的控制与SD卡存储数据等操作，再配以一套嵌入式软件即可实现采集系统。但是由于嵌入式处理器的处理能力有限，在执行多任务操作的时候，其实时性还无法满足要求，尤其是在对SD卡数据的存储速度上，目前尚无任何嵌入式处理器能达到理想的效果，通常都大大低于SD卡本身能达到的存储速度。

为此，我公司研制的新型智能振动监测仪的设计中，采用了双处理器系统的设计。一片基于ARM9内核的嵌入式处理器，独立完成人机操作界面、波形显示、数据分析、波形打印等功能；另外一片基于Nios II软核的嵌入式处理器完成采集控制、SDHC卡的实时写入、采集状态的维护等操作；该处理器内嵌于FPGA器件中，通过FPGA内部的AVALON总线，将FPGA内部各个功能模块进行高效的整合，形成片上SOC，从而对整个采集时序、数据存储、状态维护等过程实施更高效、精确的控制。

网络化设计

LAN是最常用的组网方式。以太网使用双绞线作为传输媒介。在没有中继的情况下，最远可以覆盖200米的范围。最普及的以太网类型数据传输速率为100Mb/s，更新的标准则支持1000Mb/s和10000Mb/s的速率。

目前，大多数同类产品都采用RS232、USB或1394接口与上位机进行联机控制，而我公司研制的新型智能振动测试仪采用LAN接口，使其不仅仅是一台只能和PC近距离连接的测试设备，通过目前广泛使用的以太网，可以连接至网络中的任意一台PC终端。

专业化软件

专用软件采用C++语言开发的底层动态连接库和上层用户接口，这种双层结构可以灵活的实现功能扩展，用户可以方便的使用底层动态库开发自己的软件来扩展自己应用。在专用分析软件部分，采用了数据库技术，按分组管理和组织实验数据，并提供了组的查询、删除等数据库操作功能，每组中能够容纳多达256条实验数据，基本能满足各种规模的测试要求。能自动计算K系数和衰减系数，并具有振速预测、安全装药量预测和安全距离预测功能。实验数据的存储也采用了结构化的存储格式，用户能方便的写出自己的文件数据解析和分析工具，实现自己的分析和处理功能。

三、有意效果：

采用具有“自适应浮点放大技术”的新型智能振动监测仪，有效地避免了传统振动测量设备的使用过程中，由于量程的错误设置造成的波形被削顶、限幅的现象，同时，提高了小信号的高灵敏度和测试精度，能适应更大动态范围的信号测试，保证了数据的完整性，同时简化了测量的操作，做到了更加智能化，人性化。

另外，新型的智能振动监测仪的先进性还体现在以下几个方面：

触摸式彩色液晶界面

触摸屏作为一种最新的输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。相比以往的操作方式，触摸屏具有易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，让越来越多的系统设计师认识到其的确具有相当大的优越性。

虽然众多的消费电子产品已经广泛使用了触摸式操作界面，但是在专用的测试设备上，该项技术还鲜有使用。我公司研制的智能振动监测仪积极的采用了该项技术，使其成为国内首个采用触摸式彩色液晶操作界面的智能仪器。该技术的采用，极大的简化了测振仪器的使用，即使是对此类专用仪器一无所知的人，也照样能够信手拈来，解决了传统仪器设备所无法解决的问题。

超大容量存储

实际测量环境的干扰和噪声信号往往会造成误触发，如果只有一次触发起点，误触发会使得真实的振动信号来的时候，设备已经停止记录，从而没有采集到真实信号。解决的方式可以是在采集长度内将记录分成多个段，每一个段的起点都需要满足触发条件，这样的设置可以使得在有干扰的情况下，即使被误触发了几段，剩下的记录段还是可以完整记录真实振动信号的波形。因此，新型的振动监测设备需要有长时间不间断的采集能力，这就要求设备具有大容量的存储空间。我公司设计的新型智能振动监测仪采用SDHC卡作为存储介质，其容量最大支持32GB，段数支持最多2048段，从单段的存储容量和总段数等指标都大大超过其他同类产品。

双嵌入式处理系统设计

我公司研制的新型智能振动监测仪的设计中，采用了双处理器系统的设计。一片基于ARM9内核的嵌入式处理器，独立完成人机操作界面、波形显示、数据分析、波形打印等功能；另外一片基于Nios II软核的嵌入式处理器完成采集控制、SDHC卡的实时写入、采集状态的维护等操作；该处理器内嵌于FPGA器件中，形成片上SOC，对整个采集时序、数据存储、状态维护等过程实施更高效、精确的控制。

这样的设计，使得对SDHC的读写控制由原来的纯软件代码执行变成了软硬件结合、以硬件执行为主的设计，大大提高了SDHC的读写速度，完全满足实时写入的要求。

网络化设计

目前，大多数同类产品都采用RS232、USB或1394接口与上位机进行联机控制，而我公司研制的新型智能振动测试仪采用LAN接口，使其不仅仅是一台只能和PC近距离连接的测试设备，LAN特性使得其在连接速度、连接距离以及组网方式等方面都处于领先。

通过目前广泛使用的以太网，可以连接至网络中的任意一台PC终端。进而，通过INTERNET，可以在世界的任何一个地方对其进行有效的控制，真正的做到物联世界。物联网的提出，也使得支持LAN接口的新型智能振动监测仪在未来发展中，有着更广阔的应用前景。

专业化软件支持

仪器可以联机专用软件BM.View，是根据《爆破安全规程-GB 6722-2003》国家标准设计，集成了萨道夫斯基经验公式，可完成爆破振动参数分析、装药量控制和安全振速预测等工作。

用户还可以根据配套提供的二次开发程序接口，完成各种专业软件的开发应用。

Claims (1)

1.智能振动监测仪，其特征在于，包括触摸液晶显示屏(1)、ARM9嵌入式处理器(2)、处理器通信接口(7)、SDHC卡存储管理器(8)、SDHC卡(9)、NI OS嵌入式处理器内核(10)、采集控制逻辑电路(11)、浮点放大控制单元(12)、带浮点放大功能的信号采集单元(13)和一体化三向振动传感器(14)；触摸液晶显示屏(1)连接ARM9嵌入式处理器(2)，ARM9嵌入式处理器(2)内有U盘存储接口(3)、网络接口(5)和SDHC卡读数接口(6)，U盘存储接口(3)连接用于导出数据的外接U盘(4)；ARM9嵌入式处理器(2)通过ASB总线连接处理器通信接口(7)，处理器通信接口(7)通过AVALON总线连接SDHC卡存储管理器(8)、NIOS嵌入式处理器内核(10)和采集控制逻辑电路(11)；采集控制逻辑电路(11)连接带浮点放大功能的信号采集单元(13)，浮点放大控制单元(12)分别连接SDHC卡存储管理器(8)和带浮点放大功能的信号采集单元(13)，SDHC卡存储管理器(8)连接SDHC卡(9)，带浮点放大功能的信号采集单元(13)连接一体化三向振动传感器(14)。

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