邓传加，李兆厂

（1.91550部队 93分队，辽宁 大连 116023；2.哈尔滨工程大学 水声技术国防科技重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001）

随着加工技术的不断发展，设备的结构越加精密巧妙，机器趋向于快速复杂，与其相关的振动问题日益增多[1]。通常不受控制的振动会产生噪声，引起机械应力，而且可能会导致结构发生故障，从而引发各种问题[2]。如今人们越来越关注噪声和振动对人类以及对产品工作寿命的影响[3]。例如，对混凝土泵车容易发生故障的部位进行监测；对电厂设备、石化装备等设备的检修，都需要对振动信号的采集和分析[4]。通过对振动信号分析，不仅能够找到已坏设备的故障原因，而且还可以提前预警故障的发生，从而避免造成重大的生命和财产损失。为了能对振动信号进行正确的诊断分析，准确稳定的数据采集设备就是不可或缺的。本文中给除了一种便携式振动信号采集装置的设计方案，并通过实物测试，证明了方案的可行性。

图1 总体构成框图Fig.1 The overall structure diagram

1 硬件电路构成

如图1所示，硬件电路系统由连接加速度传感器的四路信号调理单元、模数转换单元、以DSP器件为核心的控制单元和采用USB接口的与上位机通信单元构成。其中信号调理单元包括电荷放大器[5]和数控滤波放大器两部分。

振动信号首先经加速度传感器转化为微弱的电信号。电荷放大电路和数控滤波电路负责将微弱的电信号放大到适应模数转换器输入电压范围的电信号。控制单元的功能主要包括3个方面：1）控制数控滤波放大器调节对输入电压信号的放大倍数，同时程控滤除工作频带外的噪声信号；2）控制AD转换器实现模数转换；3）将模数转换得到的数字信号传输给上位机，同时接收来自上位的参数配置命令。与上位机通信单元以满足USB接口芯片为核心，负责将DSP外部扩展总线发送来的数据转换为上位机可以识别的USB2.0协议格式数据。

为了保证系统可采用USB接口通过上位机进行供电，在设计制板前，对将用到的主要芯片进行了独立的耗电电流测量。实测工作电流值如表1所示。其中运放AD745、OPA227和LTC6910用于信号调理单元，AD7865为模数转换芯片，CY7C68013A为USB2.0接口芯片，TMS320F28335为TI公司生产的浮点DSP芯片[6]。

表1 工作电流统计Tab.1 Operating current statistics

整个系统的供电框图如图2所示，其中所选用的电压转换芯片工作效率均高于85%。因此，考虑到表中所列器件所消耗电流占总电流量的90%以上，理论总电流量将不会超过500mA，即系统能够满足USB接口供电的条件[7]。

图2 电源供电框图Fig.2 Power supply block diagram

2 软件程序设计

为了完成预定数据采集的功能，需要完成四组程序，如图3所示，且需要各组程序之间紧密配合。

图3 程序构成图Fig.3 Program configuration diagram

2.1 DSP程序

DSP芯片TMS320F28335是系统的控制核心。它通过GPIO高低电平组合实现对数控滤波放大器的控制，通过启动内部定时器，产生符合AD转换器芯片控制要求的时序逻辑信号。以上功能的编程实现相对简单。而将模数转换获得的数字信号传送给USB接口芯片则是编程难点。

系统通过DSP的XINTF接口与CY7C68013A的并行总线连接，且配置CY7C68013A工作在SLAVE FIFO模式。它们之间数据传输状态如图4所示。

初始化：系统上电，DSP完成初始化后进入状态1。

状态1：配置DSP与CY7C68013A相连的引脚，设定FIFOADR0和FIFOADR1为0，此刻选择EP2的FIFO与FD总线相连。SLWR置为高电平，SLCS置为低电平，PKTEND置高电平，FULL和EMPTY引脚设为输入引脚，等待USB2.0接口反馈信号，之后进入状态2。

图4 数据传输状态图Fig.4 Data transfer state diagram

状态2：查看IN FIFO的状态是否“满”。若“不满”，则转向状态3，若“满”，则停留在状态2。

状态3：将要写入的数据放到数据线FD[15:0]上，当写信号SLRW为低电平时，将数据写入FIFO中，然后转到状态4。

状态4：判断有无新数据到达，若有转入状态2，若无，则等待。

这里将CY7C68013A的FIFO映射到DSP的ZONE7。为避免出现数据堵塞现象，配置CY7C68013A主频时钟低于DSP主频时钟。

2.2 固件程序

固件程序是实现DSP与上位机通信所不可缺少的，它实现USB接口芯片初始化、USB设备请求等功能。本文中的固件程序采用KeiluV3编写，其流程如图5所示。

2.3 驱动程序

图5 固件框架流程图Fig.5 Firmware framework flowchart

驱动程序的编写利用了 DDK2600、VC++6.0和 Driver Studio3.2。EZ-USB系列驱动程序分为通用驱动程序和设备驱动程序[8-9]，都有典型的例子。利用这些例子程序，代码的编写量大为降低，甚至不需要修改它们，就能直接使用。本设计就直接使用了这些例子，且做到了在设备接入后，程序从计算机自动下载到接口芯片。

2.4 上位机程序

完整的上位机程序是一套显示控制软件，包含有非常丰富的内容。这里只给出与数据接收相关的通信模块的实现方法。

在程序开始运行后，首先初始化USB设备变量、控制端点变量和线程变量，再通过IsOpen函数检测USB设备是否成功连接到上位机。确定连接成功后，将读取设备的VID、PID、设备名称等显示到软件界面。最后将USB接口芯片FIFO内的数据读到主机缓冲区，实现文件存储和抽样显示。

3 系统测试

对完成的的数据采集系统实物进行了性能测试。利用信号源提供1 kHz的标准正弦信号，然后在DSP开发软件CCS中观察采集到的数据波形，如图6所示。测试结果表明经放大滤波后的信号经模数转换后能够完好进入DSP芯片内部。

图6 采集到的数据Fig.6 Data collected

进一步利用BUSHOUND软件监控数据采集系统在运行时的最大数据传输速度，如图7所示。注意，此时数据由DSP内部产生。根据图7给出结果，最大传输速度能够达到8MB/s。

本系统包括4各通道，最高采样频率为300 kHz，AD位宽为14位 （按2字节计算），需要的最高传输速率为2.4MB/s。因此，USB接口实际传输能力能够满足设计需求。

图7 USB2.0传输速度Fig.7 USB2.0 transfer speeds

4 结束语

提出了一种实现便携式数据采集系统的设计方案，并据此完成了一款试验样机。经过测试，该样机在上位机通过USB接口供电的情况下，可完成四通道最高300kHz的数据采集任务，且运行稳定。本采集系统的研制成功为类似功能产品的研发提供了一个很好的参考实例。

[1]王金福.机械故障诊断技术中的信号处理方法:时域分析[J].噪声与振动控制，2013（2）:128-132.WANG Jin-fu.Review of signal processing methods in fault diagnosis formachinery[J].Noise and Vibration Control，2013（2）:128-132.

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[4]王太勇，陈珊.机械设备智能诊断系统[J].精密制造与自动化，2003（9）:79-81.WANG Tai-yong，CHEN Shan.Intelligent fault diagnosis system ofmechanical equipment[J].Precise Manufacturing&Automation，2003（9）:79-81.

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[6]Texas Instruments Incorporated.TMS320F28335，TMS320 F28334， TMS320F28332， TMS320F28235， TMS320F28234，TMS320F28232 Digital Signal Controllers （DSC）[EB/OL].（2012-08）[2014-09-10].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tms320f28332.pdf.

[7]Cypress Semiconductor Corporation.Cypress USB Console Users’Guide[EB/OL]（2003）.[2014-09-11].http://www.cypress.com/?docID=62338.

[8]Cypress Semiconductor Corporation.EZ-USB FX2 Technical Reference Manual[EB/OL].（2014-04-24）[2014-09-12].http://www.cypress.com/?docID=48811.

[9]Cypress Semiconductor Corporation.EZ-USB General Purpose Driver Specification[EB/OL].（1999-02-23）.[2014-09-20].http://www.cypress.com/?docID=89524.