專利名稱：精確測量相位的嵌入式數(shù)據(jù)采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及通過利用直接傳導(dǎo)到檢測器測量固體中的振動裝置，特別是涉及一種精確測量相位的嵌入式數(shù)據(jù)采集器。
背景技術(shù)：
本實用新型是在專利《大型旋轉(zhuǎn)機組在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)(發(fā)明專利號ZL97102397.2)》(下稱專利一)和《一體化振動信號整周期等相位同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速采集系統(tǒng)(發(fā)明專利申請?zhí)?2145406.x》(下稱專利二)的基礎(chǔ)上提出的。
目前，一般采用電渦流或壓電傳感器，測量旋轉(zhuǎn)機械的振動信號，可分為幅值和相位兩部分。其中幅值能較精確地測量，可滿足故障診斷的要求，但是因為振動信號、鍵相信號的預(yù)處理電路以及鍵相倍頻電路都會影響信號的相位，在實際的數(shù)據(jù)采集器中，相位測量的精度并不高。相位信息主要有兩種1，振動信號與鍵相信號之間的相位差；2，振動信號不同諧波之間的相位差。第一種相位差還可用于旋轉(zhuǎn)機械的整機動平衡技術(shù)，因此倍受重視。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種能夠精確測量相位的嵌入式數(shù)據(jù)采集器(這里所說的相位是指振動信號與鍵相信號之間的相位差)，它由預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FIFO存儲器、鍵相信號倍頻電路和微處理器構(gòu)成。
為了達到上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下本實用新型的精確測量相位的嵌入式數(shù)據(jù)采集器，包括預(yù)處理電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FIFO先進先出存儲器、鍵相信號倍頻電路、微處理器。其中1)，預(yù)處理電路分為振動信號預(yù)處理和鍵相信號預(yù)處理兩部分，其中振動信號預(yù)處理電路的一端和電渦流傳感器相連，信號輸入到分壓電路，分壓電路的輸出分為兩路，一路經(jīng)低通濾波輸出直流分量，另一路經(jīng)隔直電路和低通濾波輸出交流分量；鍵相信號預(yù)處理電路的一端和電渦流傳感器相連，信號輸入到隔直流電路，經(jīng)可編程放大器、低通濾波、施密特觸發(fā)器輸出數(shù)字電平的脈沖信號，可編程放大器、低通濾波器、峰值保持器和比較器還構(gòu)成一個閉合的自動增益控制回路；
2)，鍵相信號倍頻電路一端連接預(yù)處理電路，信號輸入到加法計數(shù)器，經(jīng)預(yù)測器、加法器、鎖存器和減法計數(shù)器輸出倍頻脈沖信號，輸出信號經(jīng)第二分頻器輸入到鑒相器中，同時鍵相信號也輸入鑒相器，鑒相器的輸出端連到加法器中，時鐘提供的時鐘信號輸入到減法計數(shù)器，并且經(jīng)第一分頻器輸入到加法計數(shù)器。
本實用新型具有的有益效果是振動信號預(yù)處理電路的濾波器采用相位特性好的一價濾波電路，而且振動信號和鍵相信號的預(yù)處理電路的參數(shù)盡量一致，振動信號的相位誤差減小。AGC電路的引入提高了鍵相信號預(yù)處理電路的穩(wěn)定性。在鍵相倍頻電路中引入了預(yù)測環(huán)節(jié)和鑒相環(huán)節(jié)，并且用FPGA和軟件結(jié)合的方式實現(xiàn)，改善了倍頻電路的性能，同時減小了振動信號的相位誤差。


圖1是數(shù)據(jù)采集模塊電路框圖；圖2是振動信號預(yù)處理電路框圖；圖3是振動信號預(yù)處理電路原理圖；圖4是鍵相信號預(yù)處理前后波形示意圖；圖5是鍵相信號預(yù)處理電路框圖；圖6是倍頻電路框圖；圖7是鍵相信號預(yù)處理電路原理圖；圖8是倍頻電路系統(tǒng)圖；圖9是改進后倍頻電路框圖；圖10是鑒相器原理；圖11是倍頻電路改進后系統(tǒng)圖。
具體實施方式
如圖1所示，精確測量相位的嵌入式數(shù)據(jù)采集器，包括預(yù)處理電路1、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路2、FIFO先進先出存儲器3、鍵相信號倍頻電路4、微處理器5。其中1)，預(yù)處理電路分為振動信號預(yù)處理和鍵相信號預(yù)處理兩部分，其中振動信號預(yù)處理電路的一端和電渦流傳感器相連，如圖2所示，信號輸入到分壓電路6，分壓電路6的輸出分為兩路，一路經(jīng)低通濾波7輸出直流分量，另一路經(jīng)隔直電路8和低通濾波9輸出交流分量；鍵相信號預(yù)處理電路的一端和電渦流傳感器相連，如圖5所示，信號輸入到隔直流電路10，經(jīng)可編程放大器11、低通濾波12、施密特觸發(fā)器13輸出數(shù)字電平的脈沖信號，可編程放大器11、低通濾波器12、峰值保持器14和比較器15還構(gòu)成一個閉合的自動增益控制回路；2)，鍵相信號倍頻電路4一端連接預(yù)處理電路1，如圖9所示，信號輸入到加法計數(shù)器16，經(jīng)預(yù)測器21、加法器22、鎖存器19和減法計數(shù)器20輸出倍頻脈沖信號，輸出信號經(jīng)第二分頻器24輸入到鑒相器23中，同時鍵相信號也輸入鑒相器23，鑒相器23的輸出端連到加法器22中，時鐘18提供的時鐘信號輸入到減法計數(shù)器20，并且經(jīng)第一分頻器17輸入到加法計數(shù)器16。
如圖3所示，所說的振動信號預(yù)處理電路的分壓器6包括兩個電阻RP2A、RP2B和穩(wěn)壓二極管D2構(gòu)成無源分壓電路，運算放大器U18D連接成電壓跟隨器形式，低通濾波7包括電阻R1、電容C13構(gòu)成一階無源低通濾波器，運算放大器U18C、電阻RP2C、電位器W2構(gòu)成同相放大器，隔直電路8包括電容C17、電阻R4為一階無源高通濾波器，運算放大器U18B、電阻RP2D、電位器W1構(gòu)成同相放大器，低通濾波9包括電阻RP2E、電容C19構(gòu)成一階無源低通濾波器，運算放大器U18A連接成電壓跟隨器。
如圖7所示，所說的鍵相信號預(yù)處理電路的隔直流電路10包括電容C12、電阻R16、電阻R11構(gòu)成無源低通濾波器，運算放大器U12A連接成電壓跟隨器，可編程放大器11包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路U11、運算放大器U12B和電阻R5構(gòu)成一個反相放大器，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路U11的8腳為輸入，并從數(shù)模轉(zhuǎn)換電路U12B的7腳輸出，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路U11的D10～D17連接到微處理器上，低通濾波12包括電阻R6、電容C15構(gòu)成一階無源低通濾波器，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路U12D、電阻R10、R12構(gòu)成同相放大器，施密特觸發(fā)器13包括由電阻R14、二極管D2和施密特電路U2F構(gòu)成，峰值保持器14包括從運算放大器U1B的5腳輸入，經(jīng)電阻R1、二極管D1輸出，電容C1和電阻R3構(gòu)成一個電壓保持器，比較器15包括電阻R4、R13、R15對電源電壓進行分壓，作為運算放大器U1A、U1C的基準(zhǔn)電壓，電阻R17和二極管D5構(gòu)成限幅電路，電阻R18和二極管D6構(gòu)成限幅電路。
本實用新型提出的數(shù)據(jù)采集器是嵌入式故障診斷系統(tǒng)的一部分。這個故障診斷系統(tǒng)以嵌入式微控制器(MCU)和嵌入式操作系統(tǒng)(RTOS)為基礎(chǔ)。按功能有3部分組成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和Web服務(wù)器。
1、數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)如圖1所示，預(yù)處理電路為模擬電路，振動信號和鍵相信號都需要經(jīng)過預(yù)處理，但電路并不一樣。振動信號為4路，鍵相信號1路。鍵相信號倍頻電路對鍵相信號進行倍頻并觸發(fā)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，另一個功能是測量轉(zhuǎn)速。
A/D轉(zhuǎn)換電路的芯片信號為MAX125，是一種高速多通道的數(shù)據(jù)采集芯片，14位字長，每個通道的轉(zhuǎn)換時間為3uS。片上帶有4個采樣/保持電路，每個采樣/保持電路可復(fù)用于2路輸入。這樣可同步采樣4路信號，然后按順序分別進行A/D轉(zhuǎn)換，將一片MAX125用于4路振動信號的交流和直流部分，可實現(xiàn)交流信號的同步采樣，也充分利用了輸入通道。先進先出存儲器(FIFO)的容量為1K字，暫時保存A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，由MCU成批讀取，這樣使系統(tǒng)效率大大提高。
對電路的分析可知，振動信號的相位誤差主要由兩個因素造成(1)，振動信號和鍵相信號經(jīng)過濾波器時產(chǎn)生相移。
(2)，鍵相倍頻電路的倍頻誤差。
下面進一步分析如何減小這兩個因素的影響。
2、振動信號預(yù)處理電路如圖2和圖3所示，振動信號預(yù)處理電路的最大特點是交、直流分離。交流和直流信號都包含了有用信息，但是直流量為-8V左右，而交流量的有效值一般小于0.3V，直流量需要作衰減處理，而交流量需放大，因此交流量和直流量分開處理是比較合理的選擇。
低通濾波器7的截至頻率為0.034Hz，低通濾波器9的截至頻率為1.59kHz.低通濾波9的作用是抗混疊濾波，這是在A/D轉(zhuǎn)換之前必須進行的，專利二的相應(yīng)部分是一個二階濾波器，本實用新型采用一階濾波器。這主要是考慮到一階濾波器的相位特性比二階濾波器好。
隔直流電路8實際上是一個高通濾波，截至頻率為0.034Hz.與專利二相比，本實用新型作了比較大的修改。交直流分離電路不再采用減法電路，而應(yīng)用了更加穩(wěn)定可靠的隔直流電路。
3、鍵相信號預(yù)處理電路如圖4所示實際鍵相信號為負(fù)電壓，和振動信號一樣有一個大約為-8.0V的直流分量，而且不可避免的有一些干擾脈沖。預(yù)處理電路的作用就是要將信號的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電路的電壓值，并且濾掉干擾。
如圖5和圖6所示，隔直流電路10同時也對輸入信號進行分壓?？删幊谭糯笃?1實際上是一個DA轉(zhuǎn)換電路，將信號作為參考電壓(Vref)輸入，根據(jù)DAC0832的特點及具體電路，轉(zhuǎn)換輸出電壓為Vout=-VrefDin256,]]>其中Din為數(shù)字量輸入。施密特觸發(fā)器13型號為74HC14，根據(jù)Texas Instrument公司的產(chǎn)品說明，當(dāng)電源電壓為4.5V時，觸發(fā)電壓上升沿觸發(fā)電壓2.38V，下降沿觸發(fā)電壓為1.4V。峰值保持器14和半波整流電路類似，在電容C1兩端的電壓基本上等于測點test1的峰值。比較器15實際上是由兩個電壓比較器組成，比較器的參考電壓由電源分壓得到，VCC＝5V，根據(jù)電阻R4、R13、R15的阻值，可計算得到這兩個比較器的參考電壓分別為3V和4V。這樣，就可判斷峰值電壓是大于4V、小于3V，還是在3V和4V之間?？删幊谭糯笃?1、低通濾波器12、峰值保持器14、比較器15再加上MCU的干預(yù)即構(gòu)成一個自動增益控制器(AGC)，很容易將信號峰值調(diào)節(jié)到3V和4V之間。這樣信號可正確無誤地觸發(fā)施密特觸發(fā)器13，另一方面，幅值較小的干擾信號則被有效地濾除了。
隔直流電路和低通濾波的參數(shù)選擇和振動信號預(yù)處理電路相應(yīng)部分盡量一致。這樣振動信號和鍵相信號就會有一樣的相位差，可以相互抵消。
4、鍵相倍頻電路如圖7所示，在專利二中，提出一個用數(shù)字電路實現(xiàn)的倍頻電路，加法計數(shù)器對兩鍵相脈沖的間隔進行計數(shù)，得到鍵相信號的周期，并送入鎖存器。這個計數(shù)值也作為減法計數(shù)器的計數(shù)初值，減法計數(shù)器每次減到0就發(fā)出一個脈沖。假定時鐘頻率為fclk，分頻器進行K分頻，加法計數(shù)器的計數(shù)值為N，則輸入鍵相信號的周期為NgK/fclk，輸出脈沖的周期為N/fclk，所以實現(xiàn)了K倍頻。
如圖8所示，F(xiàn)i(s)和Fo(s)分別為輸入和輸出信號的頻率。K即為倍頻系數(shù)，τ即延時。根據(jù)電路特點，鍵相信號每1個周期加法計數(shù)器向鎖存器送1次數(shù)據(jù)，會有1個周期的延時。從鎖存器到減法計數(shù)器同樣會有延時，如果這個電路由單片機實現(xiàn)，執(zhí)行指令產(chǎn)生的延時也是很可觀的。這樣，倍頻電路抽象為2個環(huán)節(jié)延時環(huán)節(jié)和放大環(huán)節(jié)。
傳遞函數(shù)H(s)=Fo(s)Fi(s)=Ke-τs----(1)]]>這是一個開環(huán)系統(tǒng)，為了減小倍頻誤差，在延時環(huán)節(jié)前加了一個預(yù)測環(huán)節(jié)，然后再增加一個分頻和鑒相環(huán)節(jié)。
如圖9所示，加法器22、預(yù)測器21、鑒相器23由MCU和軟件實現(xiàn)，其他部件由FPGA硬件實現(xiàn)，型號為EPM7128。預(yù)測器算法如下ωx＝2ω1-ωc(2)其中ωx是下一轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，ω1是當(dāng)前一轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，ωc是前一轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。ω1-ωc實際上是一種差分運算，表示鍵相信號在一個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速變化。這種預(yù)測算法可以近似地看作一種比例、微分運算。當(dāng)輸入頻率為線性函數(shù)，即轉(zhuǎn)子勻加速或勻減速時可以消除延時的影響。
如圖10所示，鍵相信號作為一個MCU的中斷輸入，在每一個上升沿即產(chǎn)生中斷，記下加法計數(shù)器的值N，并對加法計數(shù)器清零。輸出脈沖經(jīng)第二分頻器分頻后也作為MCU的一個中斷輸入，同樣在波形的上升沿產(chǎn)生中斷，記下加法計數(shù)器的值N1。這樣，兩波形的相位差即為2πg(shù)N1/N。將π作為目標(biāo)相位差，如果相位有偏移，就將偏移值乘一個適當(dāng)?shù)南禂?shù)，加到鎖存器中。
如圖11所示，本圖是對圖10的抽象，與PID控制類似，有比例、微分、積分三個環(huán)節(jié)。對相應(yīng)的三個系數(shù)比例系數(shù)Kp、微分系數(shù)Kd、積分系數(shù)Ki進行調(diào)整，將進一步改善倍頻電路的性能。
權(quán)利要求1，精確測量相位的嵌入式數(shù)據(jù)采集器，包括預(yù)處理電路(1)、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(2)、FIFO先進先出存儲器(3)、鍵相信號倍頻電路(4)、微處理器(5)，其特征在于1)，預(yù)處理電路分為振動信號預(yù)處理和鍵相信號預(yù)處理兩部分，其中振動信號預(yù)處理電路的一端和電渦流傳感器相連，信號輸入到分壓電路(6)，分壓電路(6)的輸出分為兩路，一路經(jīng)低通濾波(7)輸出直流分量，另一路經(jīng)隔直電路(8)和低通濾波(9)輸出交流分量；鍵相信號預(yù)處理電路的一端和電渦流傳感器相連，信號輸入到隔直流電路(10)，經(jīng)可編程放大器(11)、低通濾波(12)、施密特觸發(fā)器(13)輸出數(shù)字電平的脈沖信號，可編程放大器(11)、低通濾波器(12)、峰值保持器(14)和比較器(15)還構(gòu)成一個閉合的自動增益控制回路；2)，鍵相信號倍頻電路(4)一端連接預(yù)處理電路(1)，信號輸入到加法計數(shù)器(16)，經(jīng)預(yù)測器(21)、加法器(22)、鎖存器(19)和減法計數(shù)器(20)輸出倍頻脈沖信號，輸出信號經(jīng)第二分頻器(24)輸入到鑒相器(23)中，同時鍵相信號也輸入鑒相器(23)，鑒相器(23)的輸出端連到加法器(22)中，時鐘(18)提供的時鐘信號輸入到減法計數(shù)器(20)，并且經(jīng)第一分頻器(17)輸入到加法計數(shù)器(16)。
2，根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確測量相位的嵌入式數(shù)據(jù)采集器，其特征在于所說的振動信號預(yù)處理電路的分壓器(6)包括兩個電阻(RP2A、RP2B)和穩(wěn)壓二極管(D2構(gòu)成無源分壓電路，運算放大器(U18D)連接成電壓跟隨器形式，低通濾波(7)包括電阻(R1)、電容(C13)構(gòu)成一階無源低通濾波器，運算放大器(U18C)、電阻(RP2C)、電位器(W2)構(gòu)成同相放大器，隔直電路(8)包括電容(C17)、電阻(R4)為一階無源高通濾波器，運算放大器(U18B)、電阻(RP2D)、電位器(W1)構(gòu)成同相放大器，低通濾波(9)包括電阻(RP2E)、電容(C19)構(gòu)成一階無源低通濾波器，運算放大器(U18A)連接成電壓跟隨器。
3，根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確測量相位的嵌入式數(shù)據(jù)采集器，其特征在于所說的鍵相信號預(yù)處理電路的隔直流電路(10)包括電容(C12)、電阻(R16、R11)構(gòu)成無源低通濾波器，運算放大器(U12A)連接成電壓跟隨器，可編程放大器(11)包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(U11)、運算放大器(U12B)和電阻(R5)構(gòu)成一個反相放大器，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(U11)的8腳為輸入，并從數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(U12B)的7腳輸出，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(U11)的D10～D17腳連接到微處理器上，低通濾波(12)包括電阻(R6)、電容(C15)構(gòu)成一階無源低通濾波器，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(U12D)、電阻(R10、R12)構(gòu)成同相放大器，施密特觸發(fā)器(13)包括電阻(R14)、二極管(D2)和施密特電路(U2F)構(gòu)成，峰值保持器(14)包括從運算放大器(U1B)的5腳輸入，經(jīng)電阻(R1)、二極管(D1)輸出，電容(C1)和電阻(R3)構(gòu)成一個電壓保持器，比較器(15)包括電阻(R4、R13、R15)對電源電壓進行分壓，作為運算放大器(U1A、U1C)的基準(zhǔn)電壓，電阻(R17)和二極管(D5)構(gòu)成限幅電路，電阻(R18)和二極管(D6)構(gòu)成限幅電路。
專利摘要本實用新型公開了一種精確測量相位的嵌入式數(shù)據(jù)采集器。它包括預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FIFO存儲器、鍵相信號倍頻電路和微處理器。振動信號預(yù)處理電路的濾波器采用相位特性好的一價濾波電路，而且振動信號和鍵相信號的預(yù)處理電路的參數(shù)盡量一致，振動信號的相位誤差減小?？删幊谭糯箅娐泛头逯当３制?、比較器構(gòu)成一個簡單的放大倍數(shù)自動調(diào)節(jié)電路(AGC)，AGC電路的引入提高了鍵相信號預(yù)處理電路的穩(wěn)定性。在鍵相倍頻電路中引入了預(yù)測環(huán)節(jié)和鑒相環(huán)節(jié)，并且用FPGA和軟件結(jié)合的方式實現(xiàn)，改善了倍頻電路的性能，振動信號的相位誤差也相應(yīng)減小。
文檔編號G01M7/00GK2685861SQ20032012256
公開日2005年3月16日 申請日期2003年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月15日
發(fā)明者任達千, 楊世錫, 嚴(yán)拱標(biāo), 吳昭同 申請人:浙江大學(xué)