故障信號(hào)檢測(cè)虛擬示波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 為了獲取虛擬示波器故障信號(hào)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一種故障信號(hào)檢測(cè)虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由衰減保護(hù)控制電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩存和單片機(jī)5部分組成。通過(guò)減少信號(hào)調(diào)理電路使輸入信號(hào)和A/D模塊滿量程值之間的差異達(dá)到理想的精確度。利用單片機(jī)ATmega32和AD574組成的A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和采集。在系統(tǒng)的輸入端設(shè)計(jì)比例衰減與過(guò)壓保護(hù)電路，避免因電壓幅值過(guò)大造成芯片損壞。軟件設(shè)計(jì)中，詳細(xì)分析A/D采集的主程序及相關(guān)實(shí)現(xiàn)代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)采集精度高，所需時(shí)間短，具有很高的采集性能。

關(guān)鍵詞： 故障信號(hào)； 虛擬示波器； 數(shù)據(jù)采集； 故障信號(hào)檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN911.23?34； TP312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0097?04

Abstract： In order to acquire the fault signal data of virtual oscilloscope， a data acquisition system for virtual oscilloscope to detect fault signal was designed. The system is mainly composed of the attenuation protection and control circuit， signal conditioning circuit， A/D conversion， data cache and single chip microcomputer. The difference between the full scale value of A/D module and input signal is reduced through the signal conditioning circuit to make the D/A conversion achieve the desired accuracy. The A/D conversion circuit composed of ATmega32 and AD574 is used to convert and acquire the data. The proportion damping and overvoltage protection circuit are designed for input end of the system to avoid the chip damage caused by excessive voltage amplitude. In software design， the correlation implementation code and main program acquired by A/D are analyzed in detail. The experimental results show that the proposed system has high acquisition precision， short acquisition time， and high acquisition performance.

Keywords： fault signal； virtual oscilloscope； data acquisition； fault signal detection

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬示波器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于硬件集成、成本低、設(shè)備更新周期長(zhǎng)而被廣泛應(yīng)用于故障信號(hào)檢測(cè)中[1?2]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是故障信號(hào)檢測(cè)虛擬示波器的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量[3]。因此，設(shè)計(jì)一種高效、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題，受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注[4?5]。

目前，有關(guān)故障信號(hào)檢測(cè)虛擬示波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究有很多，相關(guān)研究也取得了一定的成果。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)介紹了數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)及配套的軟件開(kāi)發(fā)，通過(guò)PCI接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，使采樣頻率達(dá)到100 MHz，用戶可利用軟面板設(shè)置參數(shù)，得到的數(shù)據(jù)被傳輸至系統(tǒng)內(nèi)存，以波的方式在軟面板上顯示出來(lái)，但該系統(tǒng)只適用于強(qiáng)故障信號(hào)的采集，針對(duì)弱故障信號(hào)，其無(wú)法實(shí)現(xiàn)采集。文獻(xiàn)[7]利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際人工操作進(jìn)行模擬，在保證所采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時(shí)，大大加強(qiáng)了數(shù)據(jù)的采集效率，但該系統(tǒng)容易受到存儲(chǔ)空間與通信接口的影響，采集精度較低，沒(méi)有達(dá)到系統(tǒng)的需要。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的機(jī)器視覺(jué)圖像采集系統(tǒng)，依據(jù)相關(guān)研究，建立以FPGA為主處理器的基本結(jié)構(gòu)，依據(jù)系統(tǒng)需求，決定詳細(xì)的芯片型號(hào)，通過(guò)設(shè)計(jì)的信號(hào)采集電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所提系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，但實(shí)時(shí)采集能力較差。

針對(duì)上述方法的弊端，設(shè)計(jì)了一種故障信號(hào)檢測(cè)虛擬示波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路使輸入信號(hào)和A/D模塊滿量程值之間的差異盡可能的達(dá)到最小，利用A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和采集，在系統(tǒng)的輸入端設(shè)計(jì)了比例衰減與過(guò)壓保護(hù)電路。軟件設(shè)計(jì)中，詳細(xì)分析了A/D采集的主程序及相關(guān)實(shí)現(xiàn)代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)不僅采集精度高，而且所需時(shí)間短，具有很高的采集性能。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本故障信號(hào)檢測(cè)虛擬示波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。虛擬示波器的模擬故障信號(hào)經(jīng)衰減保護(hù)控制電路后進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)AD526放大后被發(fā)送至AD574進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將得到的結(jié)果保存至緩存芯片IDT7202中，單片機(jī)通過(guò)對(duì)緩存器進(jìn)行查詢判斷是向其寫(xiě)入數(shù)據(jù)還是從中讀出數(shù)據(jù)命令，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

1.2 信號(hào)調(diào)理電路

為了達(dá)到理想精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，需使輸入信號(hào)和A/D模塊滿量程值之間的差異盡量小。信號(hào)調(diào)理的主要目的是使輸入信號(hào)達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的幅度要求，并且使輸入信號(hào)的幅度增加。信號(hào)調(diào)理電路圖見(jiàn)圖2。

由圖2可看出，信號(hào)調(diào)理電路主要是通過(guò)AD526和單片機(jī)ATmega32實(shí)現(xiàn)的。AD526是由美國(guó)AD公司提供的，放大倍數(shù)完全滿足系統(tǒng)要求，而且可以通過(guò)一組數(shù)碼對(duì)其進(jìn)行調(diào)控。按照要求將輸入信號(hào)調(diào)整至合理的A/D轉(zhuǎn)換輸入?yún)^(qū)域，通過(guò)AD574轉(zhuǎn)換電路完成轉(zhuǎn)換，以保證低輸入情況下的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確率，增加故障信號(hào)檢測(cè)虛擬示波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路主要由Ateml公司的AVR系列單片機(jī)ATmega32和AD574組成，詳細(xì)電路圖如圖3所示。

在A/D轉(zhuǎn)換電路中，選擇AD574芯片0～10 V單極性輸入的形式，將AD574芯片的第2引腳和地直接相連，以完成12位高精度轉(zhuǎn)換，得到的結(jié)果被分成兩次進(jìn)行輸出。將AD574的狀態(tài)引腳STS和單片機(jī)PC的第3引腳相連，通過(guò)查詢的形式獲取轉(zhuǎn)換結(jié)果。如果R/[C]C為0，則開(kāi)啟A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)20 μs后STS接第1引腳，則A/D轉(zhuǎn)換完成，當(dāng)前將R/[C]置1，也就是在虛擬示波器的數(shù)據(jù)端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。

1.4 衰減保護(hù)控制電路

為了避免因電壓幅值過(guò)大造成芯片損壞的現(xiàn)象出現(xiàn)，系統(tǒng)的輸入端設(shè)計(jì)了比例衰減與過(guò)壓保護(hù)電路，電路圖如圖4所示。

由圖4可知，衰減保護(hù)控制電路通過(guò)單刀多擲開(kāi)關(guān)確定衰減比例，將虛擬示波器采集故障信號(hào)的電壓降低至±1 V范圍之內(nèi)，從而保證芯片的正常運(yùn)行，則系統(tǒng)可采集低于36 V安全電壓的故障信號(hào)了。除此之外，因?yàn)楣收闲盘?hào)存在噪聲，尖峰脈沖的瞬時(shí)電壓很可能達(dá)到100 V，使芯片被嚴(yán)重?fù)p害，所以設(shè)計(jì)了過(guò)壓保護(hù)電路，通過(guò)2 V的穩(wěn)壓管對(duì)芯片進(jìn)行保護(hù)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 A/D采集程序設(shè)計(jì)

為了達(dá)到理想的數(shù)據(jù)采集效率，將采樣最小時(shí)間設(shè)置為1 μs。A/D采集程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的故障信號(hào)檢測(cè)虛擬示波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)將嵌入式系統(tǒng)作為對(duì)比進(jìn)行分析。將故障信號(hào)檢測(cè)發(fā)生器的信號(hào)作為輸入信號(hào)，直接從軟件界面上觀察波形的改變情況。采用本文系統(tǒng)對(duì)某通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。當(dāng)波形顯示如圖6所示時(shí)，調(diào)節(jié)控制面板上的按鈕，使波形的形狀出現(xiàn)變化，以模擬故障信號(hào)，這時(shí)的波形如圖7所示。

對(duì)頻率是250 Hz時(shí)的波形進(jìn)行采集，得到的波形圖如圖8所示。波形的詳細(xì)信息如圖9所示。

分析上述過(guò)程可以看出，采用本文系統(tǒng)對(duì)故障信號(hào)檢測(cè)虛擬示波器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到的信息較為全面，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的有效性。分別采用本文系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)對(duì)虛擬示波器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)兩種系統(tǒng)的采集時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間進(jìn)行比較分析，得到的結(jié)果如表1所示。

分析表1可以看出，采用本文系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集所需的采集時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間均優(yōu)于嵌入式系統(tǒng)，說(shuō)明本文系統(tǒng)的整體運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于嵌入式系統(tǒng)，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的高效性。在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)本文系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的采集數(shù)量和采集準(zhǔn)確率進(jìn)行比較分析，得到的結(jié)果如表2所示。分析表2可以看出，和嵌入式系統(tǒng)相比，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，不僅采集的數(shù)據(jù)量和實(shí)際故障數(shù)據(jù)量基本相同，而且采集正確率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于嵌入式系統(tǒng)，說(shuō)明本文系統(tǒng)具有很高的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種故障信號(hào)檢測(cè)虛擬示波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，衰減保護(hù)控制電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩存和單片機(jī)。為了達(dá)到理想精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路使輸入信號(hào)和A/D模塊滿量程值之間的差異盡可能的達(dá)到最小。利用Ateml公司的AVR系列單片機(jī)ATmega32和AD574組成的A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和采集。為了避免因電壓幅值過(guò)大造成芯片損壞的現(xiàn)象出現(xiàn)，在系統(tǒng)的輸入端設(shè)計(jì)了比例衰減與過(guò)壓保護(hù)電路。軟件設(shè)計(jì)中，詳細(xì)分析了A/D采集的主程序及相關(guān)實(shí)現(xiàn)代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)不僅采集精度高，而且所需時(shí)間短，具有很高的采集性能。

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