專利名稱：一種小型化多通道旋轉(zhuǎn)設(shè)備微弱信號無線采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及大型旋轉(zhuǎn)復(fù)雜環(huán)境下的小型化多通道微弱信號無線采集系統(tǒng)，是 一種在體積和重量嚴(yán)格受限條件下，實時采集監(jiān)測大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備傳感數(shù)據(jù)變化情況的裝 置，涉及遠(yuǎn)端(旋轉(zhuǎn)設(shè)備)信號采集和采集參數(shù)控制、無線通信、本地(控制端)數(shù)據(jù)管理 和實時信號分析等，能應(yīng)用于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的信號采集。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的微弱信號采集是旋轉(zhuǎn)設(shè)備測控技術(shù)的前沿領(lǐng)域，它是檢測大型旋轉(zhuǎn) 設(shè)備運行質(zhì)量的關(guān)鍵問題之一。對旋轉(zhuǎn)設(shè)備的信號采集不同于一般環(huán)境中的弱信號采集， 它具有環(huán)境惡劣、干擾大、工作條件苛刻、性能要求高等特點，一般環(huán)境中的弱信號采集技 術(shù)很難直接用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備環(huán)境中。旋轉(zhuǎn)設(shè)備信號采集大多采用用線方式，一般通過電刷實 現(xiàn)采集信號的傳輸，這種方式的靈活性和機動性受到較大限制。要完成大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的微弱信號無線采集，必須解決以下關(guān)鍵問題(1)采集調(diào) 理電路裝置空間嚴(yán)格受限；(2)電路裝置不能影響旋轉(zhuǎn)設(shè)備運行；(3)抗干擾和抗震問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型目的在于針對大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)部分傳感數(shù)據(jù)靈活采集的問題，提供 一種小型化多通道微弱信號的無線采集系統(tǒng)，在不影響旋轉(zhuǎn)設(shè)備正常工作的前提下，實現(xiàn) 多個傳感器信號的長時間采集和數(shù)據(jù)的實時分析功能，具有體積小、通道配置靈活、采集通 道多、檢測性能高、工作穩(wěn)定等特點。系統(tǒng)包括遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和本地管理子系統(tǒng)兩大子系統(tǒng)。遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系 統(tǒng)放置于轉(zhuǎn)動臺上，由程控增益放大器、程控濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采集控制電路和無線通 信電路構(gòu)成，完成多通道(可達(dá)30通道)傳感器信號的調(diào)理檢測，并通過無線通信電路將 遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和本地管理子系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)采集控制指令和采樣數(shù)據(jù)的無線傳 輸。本地管理系統(tǒng)主要由控制計算機、無線網(wǎng)絡(luò)適配器構(gòu)成，完成向遠(yuǎn)端采集系統(tǒng)發(fā)射采集 觸發(fā)脈沖、與遠(yuǎn)端采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線收發(fā)、采集數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)及分析處理等功能。系統(tǒng)采用層次模塊化結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)分為核心控制部分和數(shù)據(jù)采集部 分。數(shù)據(jù)采集方面，每個數(shù)據(jù)采集通道構(gòu)成一個小采集模塊，再將每10個通道構(gòu)成一個采 集層，三個采集層即可實現(xiàn)30個通道的數(shù)據(jù)采集工作，并可根據(jù)實際情況調(diào)整采集模塊數(shù) 及其通道數(shù)，以實現(xiàn)更多通道傳感器信號的調(diào)理與采集。核心控制方面，通過無線通信模塊 接收從本地管理子系統(tǒng)發(fā)出的指令，根據(jù)接收到的指令生成相應(yīng)通道的配置參數(shù)再發(fā)送至 各采集模塊，并完成采樣數(shù)據(jù)存儲、發(fā)送以及其它外設(shè)管理等功能?？紤]到同步脈沖的實 時性、采集數(shù)據(jù)的可靠性要求，使用兩個相互獨立的無線通道傳輸同步脈沖和采集數(shù)據(jù)。同 步脈沖采用基于前向糾錯編碼的低速數(shù)據(jù)傳輸模塊保證實時性和可靠性，采集數(shù)據(jù)采用基 于802. llg的無線傳輸鏈路和FTP文件傳輸技術(shù)實現(xiàn)高速可靠傳輸。在遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中，采用低功耗、低漂移的程控儀用放大器AD625和AD526作為第一級和第二級放大器，對不同傳感器輸入信號設(shè)置不同的增益參數(shù)，實現(xiàn)傳感器信 號的靈活檢測。為降低采集過程中的噪聲干擾和抗混疊處理，在放大器的輸出端連接4階 巴特沃斯有源低通濾波器，該濾波器的通帶平坦且_3dB處的衰減斜率大，能夠有效保留低 頻信號和去除高頻信號。另外，在采集模塊上的FPGA通過配置相關(guān)參數(shù)來實現(xiàn)截止頻率可 調(diào)的濾波器，達(dá)到濾波器程控的目的。為保證旋轉(zhuǎn)設(shè)備實驗的可靠性和穩(wěn)定性，防止無線通 信在實驗過程中出現(xiàn)故障，需要將采集得到傳感器數(shù)據(jù)存儲于遠(yuǎn)端采集子系統(tǒng)，采用FPGA 和PC104相結(jié)合的方式來實現(xiàn)該功能，以滿足復(fù)雜旋轉(zhuǎn)設(shè)備環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)存儲和無線 傳輸要求。

圖1為遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)原理框圖圖2為一路信號采集電路的實施原理框圖圖3遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型詳細(xì)說明。(1)遠(yuǎn)端采集子系統(tǒng)遠(yuǎn)端采集子系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，主要包含兩大部分，即數(shù)據(jù)采集部分和 核心控制部分。數(shù)據(jù)采集部分完成傳感器信號調(diào)理及采集控制模塊，核心控制部分主要包 括主控模塊、PC104工控機模塊和無線通信模塊。其中，采集控制模塊和主控模塊均選用 FPGA芯片，其型號分別為XC3S50和XC3S 1500，PC104的型號選用104-1645CLDN。單通道信號采集模塊的電路原理框圖如圖2所示，傳感器信號通過信號調(diào)理電路 對源端微弱信號進行放大及濾波處理，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號傳輸至采集控制 器。由于所需測量數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍較大，需對大量程變化的輸入信號進行分級放大。對于 幅值較大的傳感器信號，可以直接在濾波處理后進行數(shù)據(jù)采集工作；而對于幅值較小的微 弱傳感器信號，則需要進行放大處理。本實用新型分別采用程控增益放大器AD625和AD526 作為第一級和第二級放大器，保證系統(tǒng)具有足夠的共模抑制比和靈活的增益配置，使各種 感知信號均能滿足后端模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入要求。其中，針對AD625的增益設(shè)置，利用數(shù)字控制 模擬開關(guān)的接通來選擇精密電阻網(wǎng)絡(luò)中與所需增益相對應(yīng)的電阻值，從而達(dá)到軟件控制器 件增益的目的。為方便信號采集的增益調(diào)整，可以在本地管理子系統(tǒng)將增益調(diào)整命令通過 無線傳輸至采集控制器，通過采集控制器來實現(xiàn)兩級放大器增益的交互控制。由于旋轉(zhuǎn)實 驗中的傳感器信號一般分布在低頻段，故在兩級放大器之后設(shè)置一個4階巴特沃斯有源低 通濾波器，該濾波器通頻帶平坦，且阻帶衰減較快，以濾除有效信號頻譜外的噪聲，并防止 干擾信號對模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣時頻譜混疊影響。采用高集成度的6通道同步采樣16位模 數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7656將經(jīng)過兩級放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，AD7656通過采集控制器 控制，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送至采集控制器芯片。由于AD7656高度集成了 6個同步采 集通道，兩片AD7656就能完成一個采集層的數(shù)據(jù)采集工作。為保證信號采集系統(tǒng)運行的準(zhǔn)確度，需要對采集電路的溫漂和零漂進行抑制。針 對溫漂，放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片等元器件特性都會隨著溫度的變化有所而變化，利用數(shù)字溫度傳感器DS 18B20測量采集子系統(tǒng)的工作溫度。采用軟件修正方式解決采集電路的輸 出漂移問題，即在輸入端輸入標(biāo)準(zhǔn)測試信號，根據(jù)放大電路的設(shè)置增益及測量溫度的變化 情況在采集控制器中建立相應(yīng)的漂移數(shù)據(jù)表，從而實現(xiàn)相應(yīng)的修正。核心控制部分主要包括主控模塊、PC104模塊和無線通信模塊。主控模塊通過無 線傳輸方式獲得本地管理系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)采集指令，這些指令主要包括采集控制指令、同 步脈沖、采集參數(shù)配置指令解析等，并將這些指令解析后傳送至采集控制器模塊，實現(xiàn)傳感 器信號采集的參數(shù)配置。為提高可靠性，主控模塊同各采集通道的采集控制器間采用數(shù)字 差分接口連接，以提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。主控模塊的另一個重要作用是與PC104互連，解析 PC104所發(fā)送的指令，并分發(fā)到各個采集通道，配置各采集通道放大增益、濾波參數(shù)。此外， 根據(jù)不同通道信號的具體濾波要求，在前端模擬濾波器的基礎(chǔ)上，主控模塊還可實現(xiàn)對采 集信號設(shè)計截止頻率可調(diào)的數(shù)字低通FIR濾波器，且濾波器階數(shù)可根據(jù)具體需要而定，以 實現(xiàn)程控濾波的目的。濾波后數(shù)據(jù)進行成幀，以匹配PC104對數(shù)據(jù)的讀寫等操作。PC104主要完成采集數(shù)據(jù)存儲、采樣數(shù)據(jù)無線收發(fā)模塊接口適配、TCP/IP協(xié)議棧 和FTP文件傳輸協(xié)議等功能，以保證采樣數(shù)據(jù)的可靠傳輸。PC 104采用802. llg無線通道 與本地管理子系統(tǒng)交換控制信息及數(shù)據(jù)信息；采用RS232串口和CY7C68013USB接口與主 控模塊連接通信。PC104通過802. llg接收本地管理子系統(tǒng)發(fā)送來的工作參數(shù)配置信息 和自檢命令信息，然后通過RS232接口轉(zhuǎn)發(fā)給主控模塊，并等待主控模塊應(yīng)答。PC104通過 CY7C68013USB接口接收主控模塊發(fā)送的采集信息，存儲在固態(tài)硬盤SSD上，并通過802. llg 無線數(shù)據(jù)通道發(fā)送給本地管理子系統(tǒng)。無線通信模塊方面，實時指令和采集數(shù)據(jù)分別采用獨立的無線傳輸鏈路，實時指 令傳輸鏈路主要用于傳輸采樣同步脈沖，以保證實時性；大數(shù)據(jù)量傳輸鏈路主要用于采集 樣點值的傳輸，并保證其可靠性和高數(shù)據(jù)率?？刂浦噶钪饕瓿蓪h(yuǎn)端采集系統(tǒng)的相關(guān)工 作參數(shù)設(shè)置，主要包括信號調(diào)理電路增益、濾波器截止頻率、采集通道、實時傳輸通道號等 相關(guān)參數(shù)。方案中控制指令的傳輸采用采樣數(shù)據(jù)無線傳輸鏈路，并采用特定的包格式，以 便與采集數(shù)據(jù)進行區(qū)分。傳輸控制協(xié)議采用TCP/IP，并配以最高優(yōu)先級，保證指令傳輸?shù)?可靠性，管理計算機根據(jù)采集系統(tǒng)的回應(yīng)信息顯示相應(yīng)的參數(shù)配置狀態(tài)。具體地，遠(yuǎn)端采集 子系統(tǒng)和本地管理子系統(tǒng)通過高速無線傳輸適配器D-link DWA系列來完成，該適配器基于 802. llg,融合了 MIM0-0FDM技術(shù)，適合于多徑信道傳輸。遠(yuǎn)端采集子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與防震設(shè)計方面，由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備實驗中需要同時獲取多個 通道的數(shù)據(jù)，但又不能影響旋轉(zhuǎn)設(shè)備正常運行，故對遠(yuǎn)端采集子系統(tǒng)進行分層設(shè)計，其結(jié)構(gòu) 如圖3所示，該結(jié)構(gòu)共分六層，按從下往上的順序分別為采集層1、采集層2、采集層3、主控 層、PC104層和頂層。整個結(jié)構(gòu)外形采用圓柱形方式，其半徑可根據(jù)具體情況調(diào)整，采集電 路板為方形放置于圓柱體內(nèi)。為滿足動平衡需求，整個結(jié)構(gòu)采用對稱設(shè)計，同時電路板在適 當(dāng)位置留孔。每層結(jié)構(gòu)間采用銅皮減震，電路板與結(jié)構(gòu)間采用防震螺釘連接。每個數(shù)據(jù)采 集通道構(gòu)成一個小的采集模塊，并將信號調(diào)理和采集控制器模塊設(shè)計為十個通道組成一個 采集層，共構(gòu)成三個采集層。核心控制部分將主控模塊和PC104模塊分別單獨作為一層，以 減小占用的截面尺寸，并在頂層放置無線通信裝置，以完成與本地管理子系統(tǒng)間指令和數(shù) 據(jù)的無線傳輸功能。(2)本地管理子系統(tǒng)[0021]本地管理子系統(tǒng)主要由控制計算機、無線網(wǎng)絡(luò)適配器和有線網(wǎng)絡(luò)適配器構(gòu)成，完 成與遠(yuǎn)端采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線收發(fā)、采集數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)及分析處理等功能，另外還包括一 個與控制臺相連的觸發(fā)脈沖無線發(fā)射裝置，用于向遠(yuǎn)端采集系統(tǒng)發(fā)射采集觸發(fā)脈沖。觸發(fā)同步脈沖和采集數(shù)據(jù)采用獨立的無線收發(fā)裝置，保證同步脈沖的實時性和采 集數(shù)據(jù)的可靠傳輸?？刂婆_發(fā)送的觸發(fā)脈沖通過專線與本地觸發(fā)脈沖無線發(fā)射設(shè)備連接， 控制計算機通過以太網(wǎng)將接收到的采集數(shù)據(jù)送到其它用戶。
權(quán)利要求一種小型化多通道旋轉(zhuǎn)設(shè)備微弱信號無線采集系統(tǒng)，其特征在于由遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和本地管理子系統(tǒng)組成，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包含程控增益放大器、程控濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采集控制電路和無線通信電路，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過無線通信電路與本地管理子系統(tǒng)連接，接入遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的傳感器信號經(jīng)過兩級程控增益放大器和4階巴特沃斯有源低通濾波器后利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過采集控制電路將該數(shù)字信號存儲于固態(tài)硬盤上并通過無線通信電路發(fā)送至本地管理子系統(tǒng)，完成多通道微弱信號的采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種小型化多通道旋轉(zhuǎn)設(shè)備微弱信號無線采集系統(tǒng)，其特征在 于遠(yuǎn)端采集子系統(tǒng)采用一種6通道同步采樣16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種小型化多通道旋轉(zhuǎn)設(shè)備微弱信號無線采集系統(tǒng)，其特征在 于遠(yuǎn)端采集子系統(tǒng)采用六層圓柱形結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實用新型小型化多通道旋轉(zhuǎn)設(shè)備微弱信號無線采集系統(tǒng)由遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和本地管理子系統(tǒng)組成，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過無線通信電路與本地管理子系統(tǒng)連接，接入遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的傳感器信號經(jīng)過兩級程控增益放大器和4階巴特沃斯有源低通濾波器后利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過采集控制電路將該數(shù)字信號存儲于固態(tài)硬盤上并通過無線通信電路發(fā)送至本地管理子系統(tǒng)，完成多通道微弱信號的采集。本實用新型采用層次模塊化結(jié)構(gòu)，降低了采集子系統(tǒng)的尺寸要求，便于系統(tǒng)維護。
文檔編號G08C17/00GK201690447SQ20092027138
公開日2010年12月29日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者張曉琴, 李強, 江虹, 羅向東, 肖宇峰, 貝偉仰, 陳春梅, 馬上, 黃玉清 申請人:西南科技大學(xué)