CN2762198Y - 一种齿轮箱用嵌入式数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数控机床的嵌入式数据采集装置，它包括机箱、箱体内电路板和机箱上设置的振动信号输入接插口、转速信号接插口、以太网接口、串口接口、键盘及液晶屏。所述电路板包括SMART－STAR嵌入式微控制器电路板、共振解调电路板、电源电路板和转速测量电路板。局域网或广域网通过网络超五类电缆信号线与SMART－STAR嵌入式微控制器的CPU电路中的以太网模块电气连接。本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：稳定性高、具有网络功能、体积小、成本低、易维护和不需要或较少需要人工干预等优点。

Description

一种齿轮箱用嵌入式数据采集装置

技术领域

本实用新型涉及一种齿轮箱远程状态监测与故障诊断的嵌入式数据采集系统。

背景技术

目前的数据采集系统多数为两种形式：一是基于单片微机的数据采集系统，二是基于PC机板级结构的数据采集系统。基于单片微机的数据采集系统，具有体积小，成本低的特点。但是由于资源有限，一方面网络功能难以实现，另一方面对开发者和使用者的技术要求较高，要求掌握底层硬件逻辑关系，同时由于其难以应用高级语言编程，必须使用汇编等编程语言，因此一般需要专业技术人员维护。

基于PC机的数据采集系统是利用PC机开放的I/O通道的设计特点，直接A/D板卡插入其扩展槽中，通过在操作系统下编写数据采集程序实现数据采集功能。该方式要求一台设备配备一台PC机，不仅给用户增加了成本，同时在多数情况下由于设备现场环境恶劣，必须在现场附近设立专用机房。而在工业环境较为恶劣的现场，机房距离测点有几百米的距离。传感器采集得到的模拟信号经过长距离的传输容易被噪声所干扰和淹没，这样基于PC机板级结构的数据采集系统采集得到的数据由于在传输过程中失真的问题导致毫无意义。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种齿轮箱用嵌入式数据采集装置，解决了传统的使用基于单片微机的故障诊断设备，由于资源有限，无法利用网络实现远程状态监测与故障诊断功能的缺点。还解决了使用基于PC机板级结构的数据采集系统，一台机床配备一台PC机，并有专人管理，给用户增加了成本的问题。

本实用新型所述的一种齿轮箱用嵌入式数据采集装置，它包括机箱、箱体内电路板和机箱上设置的振动信号输入接插口、转速信号接插口、以太网接口、串口接口、键盘及液晶屏；所述电路板包括SMART-STAR嵌入式微控制器电路板、共振解调电路板、电源电路板和转速测量电路板；所述SMART-STAR嵌入式微控制器电路板包括利用uC/OS-II实时操作系统内核实现对多任务的调度及基于嵌入式TCP/IP协议的网络通信模块的设计，利用定时器实现数据采集的精确定时的CPU主板电路；局域网或广域网通过网络超五类电缆信号线与SMART-STAR嵌入式微控制器的CPU电路中的以太网模块电气连接；振动信号输入接插口与共振解调电路板电气连接；共振解调电路板分别于DIO电路、A/D电路、电源电路相电气连接；实现测量转速功能的接近开关与DIO电路板电气连接，实现修改嵌入式系统内部程序功能的串口与外部DTE设备相连，还与CPU卡的5孔插头电气连接；拾取被测对象振动信息的ICP振动传感器，通过振动信号输入接插口接入共振解调电路的输入端，经共振解调电路中的解调变换器和低频振动分离器变换出反应故障信息的解调信号和低频振动信号，送入A/D电路板转换为数字信号，再送入嵌入式微控制系统的CPU电路。如上所述的一种齿轮箱用嵌入式数据采集装置，所述机箱包括上箱盖，机箱和底壳；上箱盖与底壳通过螺钉和连接销与箱体2构成可拆卸连接；指示灯、液晶屏和键盘镶嵌在上箱盖1上；通讯接插口、以太网接口9，串口接口和电源开关安装在机箱侧面。

本实用新型是一种基于Internet的网络型齿轮箱远程状态监测与故障诊断及远程通讯采集控制的嵌入式数据采集器。它应用在齿轮箱远程状态监测与故障诊断系统中，也可应用于其它行业设备的远程状态监测与故障诊断系统中。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

(1)稳定性高，可安放在测点附近，避免了模拟信号在传输过程中失真的问题。

(2)具有网络功能。相比PC，不需要复杂的操作系统，与单片微机相比，资源丰富，功能强大实现了internert网络接入功能。

(3)体积小，成本低。可直接安放在工业现场，不需要机房。

(4)易维护。不需要或较少需要人工干预，对于“黑匣子”系统上电即可运行。

附图说明

图1是本实用新型的数据采集器外观结构示意图。

图2是本实用新型的数据采集器的电路原理框图。

图3是本实用新型的共振解调电路板电路图。

图4是本实用新型的编制远程数据库访问程序流程图。

具体实施方式

本发明是通过下述技术方案实现的：

本数据采集器外观结构示意图如图1所示。数采器由上箱盖1，机箱2，底壳3，振动信号输入接插口4、5、6、7，转速信号接插口8，以太网接口9，串口接口10，指示灯11，液晶屏12，键盘13，电源开关及接口14以及箱体内所有电路板15共同构成。电路板包括SMART-STAR嵌入式微控制器电路板，共振解调电路板，电源电路板，转速测量电路板。数采器各组成部分的相互位置和连接关系为：上箱盖1与底壳3均通过螺钉和连接销与箱体2构成可拆卸连接。指示灯11，液晶屏12，键盘13，镶嵌在上箱盖1上；通讯接插口4、5、6、7、8，以太网接口9，串口接口10，和电源开关及接口14安装在机箱侧面；机箱2安放所有电路板。各电路板除内部相互连接实现特定的功能之外，还与各接口相连实现与外部信号的通讯。

数采器内部电路框图如图2所示。电路板电路由电源电路、SMART-STAR嵌入式微控制系统的底板电路、CPU电路、A/D电路、DIO电路，共振解调板电路以及以太网接口电路共同电气连接构成，并通过局域网或广域网、数据库服务器、远程故障诊断中心共同连接构成远程状态监测与故障诊断系统。其电气连接关系为电源电路分别通过电源线分别与共振解调电路、SMART-STAR嵌入式微控制系统底板电路电气连接。SMART-STAR嵌入式微控制系统的CPU电路、A/D电路、DIO电路分别与底板电路电气连接。其中CPU电路由Rabbit 2000TM的微处理器电路、512K闪存电路和512KSRAM电路构成。局域网或广域网通过网络超五类电缆信号线与SMART-STAR嵌入式微控制系统的CPU电路中的以太网模块电气连接。振动信号输入接插口与共振解调电路板电气连接；共振解调电路板分别于DIO电路、A/D电路、电源电路相电气连接。接近开关与DIO电路板电气连接，实现测量转速的功能。串口与外部DTE设备相连，与CPU卡的5孔插头电气连接，实现修改嵌入式系统内部程序的功能。以太网接口12与以太网模块电气相连，并通过网络超五类电缆信号线与局域网/广域网相电气连接。

ICP振动传感器拾取被测对象的振动信息，通过振动信号输入接插口接入共振解调电路的输入端，经共振解调电路中的解调变换器和低频振动分离器变换出反应故障信息的解调信号和低频振动信号，送入A/D电路板转换为数字信号，再送入嵌入式微控制系统的CPU电路，CPU主板电路利用uC/OS-II实时操作系统内核实现对多任务的调度，基于嵌入式TCP/IP协议的网络通信模块的设计，利用定时器实现数据采集的精确定时。并利用Web服务实现了数据采集器对远程数据库访问接口，完成了嵌入式数据采集器对Web服务的调用。

具体实施如下：1.uC/OS-II操作系统多任务：首先把CPU初始化，再进行操作系统初始化，主要完成任务控制块(TCB)初始化，TCB优先级表初始化，TCB链表初始化，事件控制块(ECB)链表初始化，空任务的创建等等；然后就可以开始创建新任务；最后调用OSSTART()函数启动多任务调度。本数据采集器主要完成两个任务调度，一个任务用于完成人机界面交互，通过键盘设置参数信息，另一个任务用于完成数据采集、传输等功能。

2.数据采集器系统中基于嵌入式TCP/IP协议网络通信过程为：(1)用sock_init()函数初始化socket，此操作应在实时操作系统初始化后面。(2)用ifconfig()配置底层网络连接，选用以太网连接或Modem拨号连接。(3)用resolve()函数将目标计算机域名地址解析为IP地址。(4)调用tcp_open()函数，向目标计算机发送Socket连接请求。(5)利用sock_established()函数，等待socket连接建立成功。(6)用sock_write()发送数据、sock_fastread()接收数据。

3.精确定时数据采集过程：利用CPU卡中的嵌入式微处理器提供的计数/定时器TimerB，系统驱动函数库和A/D卡函数实现精确定时数据采集程序。实现程序中包括两部分代码，一部分为定时器的初始化代码：首先设置A/D完成标志为假，再将A/D采集计数器设为0，然后设定A/D采集的点数，调用TimerB()初始化定时器B，等待A/D完成标志为真；另外一部分为定时器中断服务程序代码：首先调用A/D函数anaIn()，完成一次A/D转换，保存结果到缓冲区，然后A/D采集计数器加1，如果采集点数达到设定值，将完成标志置位真，调用TimerBUnint()卸载定时器B。

4.数据采集器远程读写数据库：图4为数据采集器对数据库的远程读取图。本发明以Web Service的方式提供了两个访问数据库的接口：GetParameter、SaveData。数采器的向GetParameter发送本机的设备编号，得到最新的关于本设备的采样设置信息；根据采样信息，通过定时器进行精确采样，包括多测点、分段、是否解调等，同时测量转速；然后将数据作为SaveData的参数保存的数据库中。数采器对Web服务接口调用的实现步骤为：

(1)按照2所述，建立与提供Web Services服务的计算机的Socket连接。可通过域名或IP地址和端口号(默认为80)，与对方建立socket连接。

(2)形成远程调用Web服务的HTTP的Post方法，以实现远程调用。

(3)按照XML的格式打包数据，对于采集数据用Base64编码后，与其它数据一起打包。

(4)Post方法将打包的数据与合并，形成Web服务调用的文本。

(5)用Socket将数据发送到Web服务器。

(6)接收Web服务返回的SOAP消息。

本发明的实施方式如下：(1)按照图1所示设计、加工、制造本数据采集器的机体。材料可以自选，例如可以选用铁板或者工程塑料；(2)按照图2所示筛选元其它电路板元器件并进行组装，例如传感器信号接入接插口可选用标准的BNC接头，转速信号接插口可选用标准的三芯航空接头；底板可选用美国Z-World公司SMART-STAR嵌入式控制系统系列的SR9010或者SR9050型底板，CPU板可选用SMART-STAR嵌入式控制系统系列SR9150型主板，AD板可选用SR9310或者SR9410型A/D板；DIO板可选用SR9200，SR9205，SR9210，或者SR9220型数字I/O卡；LCD屏可选用SMART-STAR系列的101-0502型122*32点阵显示屏及键盘组件。(3)按照图3所示绘制共振解调电路板；(4)按照图4编制远程数据库访问程序，编写精确定时数据采集程序，网络通信程序及人机界面和指示灯程序并将各个程序固化在主板的存储器当中。通过数据控制信号电缆线将各个电路板连接好，通过螺钉将底板，共振解调板，电源电路板安装与数采器机箱内，并通过数据控制信号电缆线与各传感器输入接插口相连接，这样便可实施本实用新型。

共振解调板电路见图3：

本电路属于一种与非电量电测传感器配接得检测电路，特别涉及一种与受感有关振动信息量的传感器配接，能对振动和对故障冲击引发的振动进行解调变换从而对振动和故障进行检测的仪器。振动是旋转体，旋转机械通常需要进行检测的一种信息，对于故障冲击引发的振动，进行解调变换，输出一种与故障冲击一一对应的，幅值放大了的，时域展宽了的解调信号，进而进行频谱分析和故障诊断，又是一种有效而被广泛使用的故障检测手段。

本电路的目的是根据上述检测要求，设计一种至少能输出低频振动信号、故障冲击解调信号。至外接计算机AD接口，供计算机进行振动与解调故障分析等的检测、诊断电路，仅需一个能受感有关振动信息量，包括故障冲击引发的振动信息在内的传感器配接。

该电路含有其配接传感器的信号处理器，经信号处理器分离出的交流振动信号，；解调变换器则从交流振动信号中变换出反映故障冲击信息的解调信号，而低频振动分离器则分离出与转速对应的低频振动信号。经处理的所有各种信号输出到供外接计算机采样和分析诊断的计算机AD接口。

Claims (2)

1、一种齿轮箱用嵌入式数据采集装置，其特征在于：它包括机箱、箱体内电路板和机箱上设置的振动信号输入接插口、转速信号接插口、以太网接口、串口接口、键盘及液晶屏；所述电路板包括SMART-STAR嵌入式微控制器电路板、共振解调电路板、电源电路板和转速测量电路板；所述SMART-STAR嵌入式微控制器电路板包括利用uC/OS-II实时操作系统内核实现对多任务的调度及基于嵌入式TCP/IP协议的网络通信模块的设计，利用定时器实现数据采集的精确定时的CPU主板电路；局域网或广域网通过网络超五类电缆信号线与SMART-STAR嵌入式微控制器的CPU电路中的以太网模块电气连接；振动信号输入接插口与共振解调电路板电气连接；共振解调电路板分别于DIO电路、A/D电路、电源电路相电气连接；实现测量转速功能的接近开关与DIO电路板电气连接，实现修改嵌入式系统内部程序功能的串口与外部DTE设备相连，还与CPU卡的5孔插头电气连接；拾取被测对象振动信息的ICP振动传感器，通过振动信号输入接插口接入共振解调电路的输入端，经共振解调电路中的解调变换器和低频振动分离器变换出反应故障信息的解调信号和低频振动信号，送入A/D电路板转换为数字信号，再送入嵌入式微控制系统的CPU电路。

2、如权利要求1所述的一种齿轮箱用数据采集装置，其特征在于：所述机箱包括上箱盖，机箱和底壳；上箱盖与底壳通过螺钉和连接销与箱体2构成可拆卸连接；指示灯、液晶屏和键盘镶嵌在上箱盖1上；通讯接口、以太网接口9，串口接口和电源开关安装在机箱侧面。

Images