【導(dǎo)讀】在機(jī)器健康診斷系統(tǒng)中，便攜式信號采集發(fā)揮了很高的價值。本文中主要深入研究了操作簡單而且成本低廉的低頻便攜式信號采集。設(shè)計中以單片機(jī)PIC18F1320作為核心，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)信號采集并保存的信號采集電路。系統(tǒng)采用的芯片是串行電可擦除芯片24LC32A，該芯片能夠保存數(shù)據(jù)，經(jīng)過有線通信，將信號數(shù)據(jù)從串行口輸送到微型計算機(jī)接受并保存，最后繪制出信號的波形。微型計算機(jī)程序采用Visual Basic編程，研究結(jié)果表明成功采樣頻率為3KHz的復(fù)雜信號。
信號采集設(shè)備廣泛使用于機(jī)器健康診斷系統(tǒng)中用來記錄、監(jiān)視和診斷。機(jī)器情況數(shù)據(jù)經(jīng)常由非便攜式或者帶導(dǎo)線的設(shè)備收集。對于一些重要的應(yīng)用，比如危險或者遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)，尤其是在航空上，提供可以方便地攜帶或者讀取的設(shè)備是必要的。另外，機(jī)器健康診斷尤其是機(jī)床振動信號診斷經(jīng)常處理低頻信號，這值得關(guān)注。
本文研究一種微控制器為基礎(chǔ)的信號采集系統(tǒng)，以滿足信號采集的低成本和靈活模式。開發(fā)系統(tǒng)的主要硬件包括一臺微型計算機(jī)、一個以PIC18F1320為基礎(chǔ)的微控制器電路板以及串行通訊鏈接設(shè)備。EEPROM 24LC32A被用來進(jìn)行存儲器擴(kuò)展。微型計算機(jī)運(yùn)行控制程序。一旦用戶在微型計算機(jī)界面上決定采樣輸入，信息便通過RS-232端口送往微控制器。微型計算機(jī)和微控制器通過特定的協(xié)議通信。微型計算機(jī)告知微控制器模-數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣間隔、采樣次數(shù)與采樣通道。電路板的設(shè)計考慮了開放式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用了24引腳易于插拔的插座來容納Micro-chip微控制器。微處理器將調(diào)制的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)直接輸送到微型計算機(jī)或者存儲于EEPROM以便將來讀取。不同的命令與反饋代表系統(tǒng)的不同操作。電路板通過串行電纜在采集完信號后連接到微型計算機(jī)交互，也可以即時連接和傳送。
一、系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)的主要原理圖如圖1所示。其中PIC18F1320控制器采用5 V電源供電，支持在線串行編程，最高時鐘頻率達(dá)到40 MHz，通訊波特率可以自動檢測。端口A是雙向輸入／輸出復(fù)用管腳，ANO等管腳被定義成模擬輸入，由用戶進(jìn)行采樣通道的選擇?？偣灿?3個模／數(shù)轉(zhuǎn)換通道且采樣時間可以編程。通道輸入的被測信號經(jīng)過電子電路調(diào)制成符合微控制器電氣要求的信號。調(diào)制信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓為+5 V。電路板可在微控制器重新編程后方便地插入；同時，電路板可通過跳線設(shè)置與終端用戶進(jìn)行電纜連接。由于微控制器與串行電路的電氣特性不同，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級的MAX232芯片被使用以保證正確的數(shù)據(jù)傳輸(見圖2)。該芯片和PIC18F1320一樣適用于低功耗場合。MAX232上連接的電容采用的是電解電容，電容值為1 μF。MAX232的11腳或者10腳接微控制器的USART輸出端，12腳或者9腳接微控制器的USART輸入端。微控制器的存儲器擴(kuò)展使用了32 k的I2C串行EEPROM(見圖3)，數(shù)據(jù)可以保持200年。EEPROM的地址線A0、A1、A2被接地。串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL被分別連接到微控制器的B端口相應(yīng)管腳。寫保護(hù)WP接+5 V。
二、系統(tǒng)軟件設(shè)計
1、微型計算機(jī)控制程序
微型計算機(jī)通過用戶友好命令程序或者M(jìn)icrosoft超級終端程序與用戶交互。兩種程序都有效地與微控制器交換命令和操作數(shù)據(jù)。
命令程序界面如圖4所示，采用Visual Basic編程。界面顯示了通信握手與反饋、用戶命令選擇以及轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。讀入的數(shù)據(jù)可以用文本的形式保存。信號波形繪制例子如圖5所示。用戶應(yīng)該選擇正確的采樣間隔以保證采樣過程的準(zhǔn)確性。一般來說，通信設(shè)置的修改由用戶負(fù)責(zé)進(jìn)行。
2、微控制器算法
一旦采樣變量值被確定，信息交換模塊接手整個工作。該模塊的算法如圖6所示。模塊接收采樣間隔、采樣次數(shù)和采樣通道的決定。算法采用正確的過程以保證滿足產(chǎn)品手冊的要求從而獲得更好的模-數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄成功。在采樣過程結(jié)束后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信息通過串口以48 00、9 600或者19 200 b／s波特率輸送給微型計算機(jī)。該波特率由用戶和編程者給定。
由于微控制器算法用MPLAB C18或者匯編語言編程，將編譯過的程序下載到微控制器是必要的。為了驗(yàn)證程序和芯片上的EEPROM數(shù)據(jù)，MPLAB IDE 6．5被采用。該軟件描述了微控制器部分內(nèi)存消耗情況，這有助于用戶了解內(nèi)存的使用百分比以及EEPROM和RAM是如何被安排來存儲程序算法和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。
結(jié)語：本文深入研究了新型的操作簡單且成本低廉的信號采集系統(tǒng)，對其制作過程以及編程方面都進(jìn)行分析，方案設(shè)計的結(jié)果證明機(jī)器健康診斷信號采集做到簡單低成本的設(shè)計思路是可行的。但是精度及容量擴(kuò)展方面還需進(jìn)一步完善。
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