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

周偉，王甜甜

（鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院電子信息工程學(xué)院，河南　鄭州　451150）

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

周偉，王甜甜

（鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院電子信息工程學(xué)院，河南鄭州451150）

為了獲取虛擬示波器故障信號數(shù)據(jù)，設(shè)計一種故障信號檢測虛擬示波器的數(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。通過減少信號調(diào)理電路使輸入信號和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)換電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和采集。在系統(tǒng)的輸入端設(shè)計比例衰減與過壓保護(hù)電路，避免因電壓幅值過大造成芯片損壞。軟件設(shè)計中，詳細(xì)分析A/D采集的主程序及相關(guān)實現(xiàn)代碼。實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)采集精度高，所需時間短，具有很高的采集性能。

故障信號；虛擬示波器；數(shù)據(jù)采集；故障信號檢測

0　引言

隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬示波器因其結(jié)構(gòu)簡單、易于硬件集成、成本低、設(shè)備更新周期長而被廣泛應(yīng)用于故障信號檢測中［1-2］。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是故障信號檢測虛擬示波器的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的質(zhì)量［3］。因此，設(shè)計一種高效、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點課題，受到了越來越廣泛的關(guān)注［4-5］。

目前，有關(guān)故障信號檢測虛擬示波器數(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)計及配套的軟件開發(fā)，通過PCI接口對數(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，但該系統(tǒng)只適用于強(qiáng)故障信號的采集，針對弱故障信號，其無法實現(xiàn)采集。文獻(xiàn)［7］利用計算機(jī)對實際人工操作進(jìn)行模擬，在保證所采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時，大大加強(qiáng)了數(shù)據(jù)的采集效率，但該系統(tǒng)容易受到存儲空間與通信接口的影響，采集精度較低，沒有達(dá)到系統(tǒng)的需要。文獻(xiàn)［8］設(shè)計了一種基于FPGA的機(jī)器視覺圖像采集系統(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，通過設(shè)計的信號采集電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所提系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，但實時采集能力較差。

針對上述方法的弊端，設(shè)計了一種故障信號檢測虛擬示波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。通過信號調(diào)理電路使輸入信號和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)換電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和采集，在系統(tǒng)的輸入端設(shè)計了比例衰減與過壓保護(hù)電路。軟件設(shè)計中，詳細(xì)分析了A/D采集的主程序及相關(guān)實現(xiàn)代碼。實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)不僅采集精度高，而且所需時間短，具有很高的采集性能。

1　硬件設(shè)計

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本故障信號檢測虛擬示波器數(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經(jīng)衰減保護(hù)控制電路后進(jìn)入信號調(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)通過對緩存器進(jìn)行查詢判斷是向其寫入數(shù)據(jù)還是從中讀出數(shù)據(jù)命令，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

圖1　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2信號調(diào)理電路

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

圖2　信號調(diào)理電路圖

由圖2可看出，信號調(diào)理電路主要是通過AD526和單片機(jī)ATmega32實現(xiàn)的。AD526是由美國AD公司提供的，放大倍數(shù)完全滿足系統(tǒng)要求，而且可以通過一組數(shù)碼對其進(jìn)行調(diào)控。按照要求將輸入信號調(diào)整至合理的A/D轉(zhuǎn)換輸入?yún)^(qū)域，通過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，增加故障信號檢測虛擬示波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

1.3A/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。

圖3　A/D轉(zhuǎn)換電路

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，通過查詢的形式獲取轉(zhuǎn)換結(jié)果。如果R/-C C為0，則開啟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大造成芯片損壞的現(xiàn)象出現(xiàn)，系統(tǒng)的輸入端設(shè)計了比例衰減與過壓保護(hù)電路，電路圖如圖4所示。

圖4　衰減保護(hù)控制電路

由圖4可知，衰減保護(hù)控制電路通過單刀多擲開關(guān)確定衰減比例，將虛擬示波器采集故障信號的電壓降低至±1 V范圍之內(nèi)，從而保證芯片的正常運行，則系統(tǒng)可采集低于36 V安全電壓的故障信號了。除此之外，因為故障信號存在噪聲，尖峰脈沖的瞬時電壓很可能達(dá)到100 V，使芯片被嚴(yán)重?fù)p害，所以設(shè)計了過壓保護(hù)電路，通過2 V的穩(wěn)壓管對芯片進(jìn)行保護(hù)。

2　軟件設(shè)計

2.1A/D采集程序設(shè)計

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

圖5　A/D采集程序設(shè)計流程圖

2.2代碼設(shè)計

詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集源代碼如下：

3　實驗結(jié)果分析

為了驗證本文設(shè)計的故障信號檢測虛擬示波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實驗分析。實驗將嵌入式系統(tǒng)作為對比進(jìn)行分析。將故障信號檢測發(fā)生器的信號作為輸入信號，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，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，這時的波形如圖7所示。

圖6　某通道波形

圖7　通道參數(shù)改變

對頻率是250 Hz時的波形進(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。

圖8　通道250 Hz的故障信號波形

圖9　通道采集結(jié)果

分析上述過程可以看出，采用本文系統(tǒng)對故障信號檢測虛擬示波器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到的信息較為全面，驗證了本文系統(tǒng)的有效性。分別采用本文系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)對虛擬示波器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對兩種系統(tǒng)的采集時間和存儲時間進(jìn)行比較分析，得到的結(jié)果如表1所示。

表1　兩種系統(tǒng)運行時間比較結(jié)果s

分析表1可以看出，采用本文系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集所需的采集時間和存儲時間均優(yōu)于嵌入式系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)的整體運行時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于嵌入式系統(tǒng)，驗證了本文系統(tǒng)的高效性。在上述實驗的基礎(chǔ)上，對本文系統(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，不僅采集的數(shù)據(jù)量和實際故障數(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)，說明本文系統(tǒng)具有很高的準(zhǔn)確性。

4　結(jié)論

本文設(shè)計了一種故障信號檢測虛擬示波器數(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，通過信號調(diào)理電路使輸入信號和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)換電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和采集。為了避免因電壓幅值過大造成芯片損壞的現(xiàn)象出現(xiàn)，在系統(tǒng)的輸入端設(shè)計了比例衰減與過壓保護(hù)電路。軟件設(shè)計中，詳細(xì)分析了A/D采集的主程序及相關(guān)實現(xiàn)代碼。實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)不僅采集精度高，而且所需時間短，具有很高的采集性能。

表2　兩種系統(tǒng)準(zhǔn)確性比較結(jié)果

［1］李軍，劉鳳，劉志華，等.便攜式虛擬示波器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.中國儀器儀表，2013（3）：58-61.

［2］吳建，王高，王明艷，等.基于高速數(shù)據(jù)采集卡DAQCard-010501的虛擬示波器設(shè)計［J］.電子測試，2013（6）：30-33.

［3］劉培珍，夏湖培，姚金杰.基于LabWindows/CVI的地下震動信號檢測與處理系統(tǒng)［J］.測試科學(xué)與儀器（英文版），2015，6（1）：57-62.

［4］李正友，李天偉，王沛，等.便攜式航海儀器電路虛擬檢測和診斷系統(tǒng)［J］.計算機(jī)測量與控制，2008，16（3）：301-303.

［5］陳新華，尹川，谷士鵬.基于MDC103的模擬飛控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與聯(lián)試故障分析［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2014（31）：81-82.

［6］馬楊云，牟方銳，王章瑞.100 MHz虛擬示波器數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機(jī)測量與控制，2003，11（12）：983-985.

［7］袁雪，張志文，司慶丹.基于ARM的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.國外電子測量技術(shù)，2014，34（11）：66-71.

［8］崔宏巍，胡松華.基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的汽車發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與設(shè)計［J］.現(xiàn)代制造，2015（24）：145-147.

Design of data acquisition system for virtual oscilloscope to detect fault signal

ZHOU Wei，WANG Tiantian
（School of Electronics Information and Engineering，SIAS International University，Zhengzhou University，Zhengzhou 451150，China）

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.

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

TN911.23-34；TP312

A

1004-373X（2016）20-0097-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.20.024

2016-02-26

國家自然科學(xué)基金（61305612）；鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院2014年度科研經(jīng)費資助項目（2014KYZD03）

周偉（1984—），男，河南泌陽人，講師。主要研究方向為嵌入式技術(shù)。