专利名称：一体化振动信号整周期等相位高速同步数据采集系统的制作方法
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，是一种一体化振动信号整周期等相位高速同步数据采集系统。
背景技术：
旋转机械的振动信号包含丰富的状态信息。旋转机械振动测量较常用的方法是在轴承、联轴器等部位安装振动传感器，将振动量转换成电信号，该电信号经一定的变换电路进行变换处理(如滤波、放大等)，再用采样电路将模拟量转换成数字量，然后送入计算机，作进一步处理。旋转机械的振动测量必须满足以下几个要求1)交流信号和直流信号分别采样；2)采样频率高，采集点数多；3)要有固定的相位起始点，及整周期等相位采样。
目前，比较常见的做法是采用通用的数据采集系统，但必须研制专用的调理电路和键相信号处理电路，与其配合起来完成上述这种特殊的采样任务。这样电路板卡数量比较多，电路之间的连线也比较复杂。一方面，占用工控机较多的总线插槽，当工控机的插槽不足时，还需要附加机箱。另一方面，也不利于提高系统的稳定性和可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种将振动信号调理电路、键相信号处理电路、A/D转换电路集成在一块电路板上，形成一体化振动信号整周期等相位高速同步数据采集系统。
本发明采用的技术方案如下它包括一端与传感器的振动信号连接的能分离交、直流信号并分别进行放大的调理电路，调理电路的另一端接模数转换电路，经先进先出存储器接ISA总线，一端接键相信号的键相信号处理电路，经倍频后接模/数转换电路，读写控制电路分别与模/数转换电路和先进先出的存储器连接。
所说的调理电路为8路，每一路的振动信号接减法电路和经隔交流电路分成二路，一路接调零电路经放大电路输出直流分量，另一路接减法电路经低通滤波器输出直流分量。
键相信号处理电路包括一端与键相信号连接的将键相信号的电压转换成数字电路电压的预处理部份，预处理部份的另一端接加法计数器分成二路，一路经分频器、时钟接减法计数器，另一路经锁存器、接减法计数器，减法计数器的采集脉冲接模/数转换电路，锁存器经并行接口电路接ISA总线。
本发明具有的有益效果是将振动信号调理电路、键相信号处理电路、AD转换电路集成在一块电路板上，形成一个功能完整的�？�。提高了系统运行的稳定性和可靠性，并且减少了电路板的数量，有利于节省工控机的总线插槽，使系统的安装和接线变得简单。采集系统利用专用的键相信号处理电路实现信号的整周期等相位采集控制，采用严格同步的高速AD转换芯片和特殊的电路设计，保证振动信号之间的同步性要求。
图1是本发明的结构框图；图2是调理电路框图；图3是键相信号处理电路框图；图4是A/D转换及其控制电路图；图5是读写控制电路时序图；图6是调理电路原理图；图7是键相信号处理电路原理图；图8是驱动程序流程图。
具体实施例方式
一、采集系统工作原理如图1所示，信号取自传感器，由调理电路1分离交流和直流信号并分别放大，送至A/D转换电路2。键相信号处理电路3对键相脉冲进行倍频后，作为A/D转换电路的外触发信号，这样可实现对振动信号的整周期采样。A/D转换的结果暂时储存在先进先出(FIFO)存储器4，读写控制电路5的作用是正确控制数据从A/D转换电路转移到FIFO存储器中，当FIFO中的数据半满(达到FIFO容量的一半)时，可向工控机发出信号，由工控机读取数据，并进一步处理和存储。
二、振动信号调理电路如图2所示，调理电路现为8路，附图所示是其中一路。振动信号经过隔交流电路6后，分离出直流分量，经调零电路7和放大电路8放大后，直流分量输出到A/D转换电路；直流分量与原信号在减法电路9中相减后，输出交流分量，同时对交流分量进行放大，以提高采样的精度，而低通滤波器10则将高频噪声成分滤掉。
三、键相信号处理电路如图3所示，键相信号处理电路3实际上是一个倍频电路。旋转机械的转轴上一般设有一凹槽，用专门的传感器监测凹槽的位置，转轴每转一周，传感器就发出一个脉冲信号。键相信号处理电路就将这脉冲信号倍频，触发数据采集电路，这样可实现整周期采样。通常用一个锁相环电路(如CD4046)实现倍频。这种方法的电路比较简单，在转速恒定时能很好地工作，但是在旋转机械的升、降速阶段，难以适应转速的变化。另外锁相环电路是一模拟电路，电子元件(如电阻、电容等)的参数变化会影响电路的稳定和精度，不利于电路的长时间连续工作。这里提出的键相信号处理电路是一个全数字式的结构，能实时跟踪转速变化，实现整周期采样，工作稳定、可靠。其原理是先测量键相信号的周期，再计算得到倍频信号的周期，由一个计数器发出倍频信号，本电路巧妙地用时钟分频的方法代替计算过程，因而电路简单、可靠，实时性好。
键相信号处理电路的预处理部分12将键相信号的电压转换成数字电路的电压。时钟信号17约10MHZ，经分频器14分频后作为加法计数器13的时钟信号，对键相信号进行计数。计数从一个键相脉冲开始，到下一脉冲为止清零，然后重新开始计数，计数值即代表脉冲周期。将此计数值保存到锁存器16中，作为减法计数器18的初始值。减法计数器的时钟不进行分频。当减法计数器减到0时输出一脉冲，再将锁存器的值写入。这样输出脉冲即为所要求的倍频信号，调整分频器的分频率，即可得到不同的采样点数。
锁存器的值同时送到并行接口电路15，选用最常见的8255，工控机可随时读出此值，经简单换算就可得转子的速度值。设有加法计数器的溢出标记，工控机读出后即可判断转子是停机还是运转。
当工控机发出启动键相信号电路的命令后，并非立即输出采样脉冲，而是等到有键相信号到来时才开始输出采样脉冲，这样就保证了每一次采集，振动信号的初始相位是一样的。
四、模/数(A/D)转换及其控制电路原理如图4所示，这是本采集系统的核心部分。模/数转换电路2的型号为MAX125，是一种高速2×4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。每块采集卡有两片MAX125，可采集8路数据。在控制信号CONVST的上升沿开始AD转换，当转换结束时，状态信号INT变为低电平，所以AD转换可用软件触发，也可以由键相信号处理电路来触发。
在采集速度比较低的时候，A/D转换电路可直接连到总线上，每次转换结束就由工控机将数据读取。但当采集速度提高时，工控机的响应速度就跟不上，很容易造成数据丢失。所以在A/D电路和总线之间增加了先进先出存储器4，型号为IDT7202，每片的容量为1K*9，设有空、半满、满三个状态标记位，可供查询。数据暂时存放在这里，当数据超过一定容量时由PC机成批读取。目前常用的Windows操作系统为分时系统，实时响应的能力较差，这更加使A/D芯片和计算机之间的缓冲成为必需。
如图5所示，当两片A/D芯片的转换都结束时，INTO变为低电平，触发单片机89C2051的中断，单片机在READ1和WRITE端发出4个脉冲，从一片A/D读出4个通道的转换结果写到FIFO中，在读第一个数据时，INTO恢复到高电平，紧接着在READ2和WRITE端发出4个脉冲，将另一A/D的转换结果也写到FIFO中。
五、振动信号调理电路工作原理如图6所示，此图与附图2相对应，在电路的输入和输出端都有电压跟随器，可使电路的输入阻抗大而输出阻抗小。隔交流电路6是一个二阶低通滤波器，调零电路7是一反相放大电路，通过调节电位器W25来调整零点，放大电路8也是一个反向放大器，放大倍数可由W2来调节，减法电路9使直流分量和原信号相减，得到交流信号，W17用于调整放大倍数，低通滤波器10是一个二阶滤波电路，将高频成分滤掉，又称抗混叠滤波器。
六、键相信号处理电路工作原理如图7所示，此图与图3相对应。预处理12对键相信号进行隔直流、放大、电平转换，成为数字信号。芯片74LS590是带有锁存器的8位加法计数器，所以附图3中的加法计数器13和锁存器16由同一芯片实现。两片74LS590组成一个16位的计数器。分频器14由一片74AS867和74LS153组成，分频数可选32、64、128和256。时钟17为一个石英晶体振荡电路。减法计数器18为16位计数器，由2片74AS868组成。
七、驱动程序流程如图8所示，驱动程序采用delphi语言嵌入汇编语言的方式编写，写成子程序形式，可供其他程序调用，先采集交流信号，启动键相电路后即开始A/D转换。用查询方法确定FIFO是否半满，再将FIFO容量的一半(即512)读到工控机。再循环查询，直到每个通道都采集了1024个数据。然后采集直流信号，每个通道1个数据，用软件触发，延迟一定时间后读数据。
权利要求
1.一体化振动信号整周期等相位高速同步数据采集系统，其特征在于它包括一端与传感器的振动信号连接的能分离交、直流信号并分别进行放大的调理电路(1)，调理电路(1)的另一端接模数转换电路(2)，经先进先出存储器(4)接ISA总线，一端接键相信号的键相信号处理电路(3)，经倍频后接模/数转换电路(2)，读写控制电路(5)分别与模/数转换电路(2)和先进先出的存储器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一体化振动信号整周期等相位高速同步数据采集系统，其特征在于所说的调理电路(1)为8路，每一路的振动信号接减法电路(9)和经隔交流电路(6)分成二路，一路接调零电路(7)经放大电路(8)输出直流分量，另一路接减法电路(9)经低通滤波器(10)输出交流分量。
3.根据权利要求1所述的一体化振动信号整周期等相位高速同步数据采集系统，其特征在于所说的键相信号处理电路(3)包括一端与键相信号连接的将键相信号的电压转换成数字电路电压的预处理部份(2)，预处理部份(2)的另一端接加法计数器分成二路，一路经分频器(14)、时钟(17)接减法计数器(18)，另一路经锁存器(16)、接减法计数器(18)，减法计数器(18)的采集脉冲接模/数转换电路(2)，锁存器(16)经并行接口电路(15)接ISA总线。
全文摘要
本发明公开了一种一体化振动信号整周期等相位高速同步数据采集系统。它包括一端与传感器的振动信号连接的能分离交、直流信号并分别进行放大的调理电路，调理电路的另一端接模数转换电路，经先进先出存储器接ISA总线，一端接键相信号的键相信号处理电路，经倍频后接模/数转换电路，读写控制电路分别与模/数转换电路和先进先出的存储器连接。本发明将调理电路、键相信号处理电路、A/D转换电路集成在一块电路板上，形成一个功能完整的模块。提高系统运行的稳定性和可靠性，并且减少电路板的数量，有利于节省工控制的总线插槽，使系统的安装和接线变得简单。
文档编号G01M7/00GK1410745SQ0214540
公开日2003年4月16日 申请日期2002年11月12日 优先权日2002年11月12日
发明者杨世锡, 任达千, 严拱标, 康飚, 郑林生, 吴昭同 申请人:浙江大学
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