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基于FPGA的振动信号采集系统设计及实现王凌伟;樊瑞;秦冲;赵君【摘要】针对机械设备运行中的振动监控,设计振动信号采集系统,提出了一种基于FPGA的振动信号采集系统的设计方案.重点阐述了系统硬件结构组成、信号调理电路和数据采集模块的设计,同时对A/D采样的控制逻辑进行了讨论.经试验验证表明,该系统可达到采样率10 K每秒、采集精度16位,能够满足实时性和精度要求.【期刊名称】《山西电子技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P22-24,26)【关键词】加速度传感器;振动信号;信号采集;FPGA【作者】王凌伟;樊瑞;秦冲;赵君【作者单位】中航工业西安航空计算技术研究所,陕西西安710065;中航工业西安航空计算技术研究所,陕西西安710065;中航工业西安航空计算技术研究所,陕西西安710065;中航工业西安航空计算技术研究所,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TP212;TP274.2;TN9193随着生产机械、运输机械或工程结构向着高速、高效、高精度和大型化发展，机械设备的任何部件出现故障都可能降低加工精度，带来较大的经济损失，甚至危及人身安全。
机械部件的振动状态监测已成为生产中的一个必不可少的环节，并对相应机械部件进行早期的故障预测［1，2］。
文中采用FPGA 为核心开发振动信号采集系统，对数据采集模块及通讯模块进行了同步设计。
1 总体设计振动信号采集系统以FPGA 芯片为核心，通过A/D 转换芯片采集振动信号，然后通过RS-422 串行总线接口将采集的数据传输给上位机，在故障诊断软件以作出相应的诊断处理。
振动信号采集系统的硬件按照功能模块可以划分为信号调理电路、A/D 转换电路、FPGA 控制逻辑和RS-422 接口转换电路［3］，系统硬件结构如图1 所示。
图1 系统硬件结构框图系统硬件各个功能模块的作用如下:1)信号调理电路:信号调理电路主要对由集成电路压电式(Integrated Circuit Piezoelectricity，ICP)加速度传感器采集到的振动信号进行调理驱动、放大和抗混叠滤波处理，使模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)芯片能够获取该振动信号，并作出进一步处理工作。
基于ＡＤ９６２６的高速模拟信号采集设备设计作者：杨洋来源：《沿海企业与科技》2008年第10期［摘要］文章介绍高速ADC AD9626的功能，详细说明使用FPGA来控制AD9626构成高速、高精度模拟信号采集设备的设计方法，并给出具体实现的设计方案和设计过程。
［关键词］AD9626；高速模拟信号采集；FPGA［作者简介］杨洋，中国电子科技集团公司第三十四研究所，研究方向：数据通信，广西桂林，541004［中图分类号］ TP391.9 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1007-7723（2008）10-0030-0002一、引言依据项目要求，研究一种基于AD9626的高速模拟信号采集设备，用于光信号转变为高速模拟电信号后对其进行数据采集。
在整个设备中，选用高速逻辑器件控制A/D转换和FIFO存储，同时通过FPDP（FRONT Panel Data Port）总线将采集的数据发送出去。
设备中的模拟信号采集与数据传输独立于微机的CPU，从而大大地提高了模拟信号的采样精度和传输速度。
二、AD9626的主要特性AD9626是ADI公司推出的一款高速、低功耗的12位ADC。
它采用1.8V单一电源供电,其最高转换速率能够达到250MSPS,并且在较宽的频率范围内依然有很好的动态特性。
AD9626片内自带的采样保持器、参考电压源和数据时钟输出信号，为高速模拟信号采集设计提供了简便易行可靠的方案。
AD9626有2个12位并行数据输出接口，端口A 输出口和端口B 输出口。
AD9626在正常工作时，每个时钟周期进行一次A/D变换，在时钟信号的上升沿对输入的模拟信号进行采样，通过芯片内部缓冲、采样保持器和编码后，转换得到的数字信号被锁存到输出寄存器，同时AD9626的输出数据存在固定的流水延迟。
（一）模拟信号采集设备的组成和工作原理设备的组成如下图1所示。
设备的所有时序和逻辑控制全部由FPGA产生，同时FPGA还对被采集的模拟信号形成新的数据帧格式并打包。
第４期２０２３年８月机电元件ＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳＶｏｌ ４３Ｎｏ ４Ａｕｇ ２０２３收稿日期：２０２３－０４－１８一种基于ＧＤ３２Ｆ４５０ＺＥＴ６多路采集系统的设计邹 勇１，李 鸽２，苏 伟３，郄永学４，井占发５（１．苏州御驱电子技术有限公司，江苏苏州，２１５５００；２－５．上海中广核工程科技有限公司，上海，２０１１０８） 摘要：为实现某型设备对多路电压和电流信号多路信号采集的功能。
设计了一套基于３２位ＭＣＵＧＤ３２Ｆ４５０ＺＥＴ６的采集系统，最高可以多达４０路信号的采集系统，实现了５路三相电压、４路三相电流，１路单相电压、电流，３路直流电压，２路直流电流的采集，共计３４路的信号采集。
通过２路ＳＰＩ通信扩展２个８通道ＡＤＣ模块，通过２路ＣＡＮ，分别实现数据通信和程序升级功能。
试验结果表明，电压、电流精度小于２％。
本多信号采样系统体积小，可靠性高，智能化高，满足系统设计要求。
关键词：车载电源；ＧＤ３２Ｆ４５０ＺＥＴ６；ＳＧＭ５１６５２Ｈ８；多路信号采集Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－６１３３．２０２３．０４．００４中图分类号：ＴＰ３９１ ９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－６１３３（２０２３）０４－００１４－０４ＡＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌＳｉｇｎａｌＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＧＤ３２Ｆ４５０ＺＥＴ６ＺＯＵＹｏｎｇ，ＬＩＧｅ，ＳＵＷｅｉ，ＱＩＥＹｏｎｇ－ｘｕｅ，ＪＩＮＧＺｈａｎ－ｆａ（１．ＳｕｚｈｏｕＹｕｑｕＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．ＬＴＤ，Ｓｕｚｈｏｕ，２１５５００；２－５．ＳｈａｎｇｈａｉＣＧＮＮｕｃｌｅａｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．ＬＴＤ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０１１０８）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎａｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｅｓｙｓｔｅｍｔｏｍｅｅｔａｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｅｑｕｉｐ ｍｅｎｔ。
ADS1262多通道数据采集系统设计徐聪辉; 李彩; 张振昭【期刊名称】《《中国测试》》【年(卷),期】2019(045)009【总页数】6页(P112-117)【关键词】数据采集系统; 体散射函数; ADS1262; STM32; 多通道【作者】徐聪辉; 李彩; 张振昭【作者单位】中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室广东广州510301; 中国科学院大学北京100049【正文语种】中文【中图分类】TN9110 引言海洋光学中，体散射函数是描述光在水体中某一散射体上散射光角度分布的一个重要的固有光学特性参数。
利用体散射函数及吸收/衰减系数可以推算得到水体及其组分的所有特征性固有光学特性参数及遥感反射率。
其在水色遥感[1]、水下军事目标跟踪[2]、生态系统建模及近海灾害的预警预告[3]等领域中有着重要的研究意义，体散射函数，尤其是覆盖0°～180°范围的广角水体体散射函数测量是水体光学特性研究中一个十分棘手的国际难题，这主要归因于散射光信号强的方向性[4]，能量主要集中在前向小角度，后向能量极其微弱，前后向不同角度甚至不同海区同一角度散射能量相差可达5个量级，其中90°～120°散射光能量最微弱，要求探测系统必须具备纳瓦级微弱光信号探测能力。
目前对水体体散射函数的测量主要基于单一探测器机械转动式和多探测器同步阵列式两种测量方式[5]，转动式测量技术基于单一光源、单一探测器，通过旋转光源或探测器实现0°～180°范围不同角度散射通量及体散射函数的测量，该测量方式虽具有较高的角度分辨率，但测量仪的重复性较差，测量频率低，功耗较高，不适用于水下原位测量，阵列式探测技术基于在不同方向固定安装探头来实现不同角度光通量同步采集（即多通道测量），具有速度快、重复性和可靠性高等优势[2, 6]。
本文在采用硅光电倍增管解决宽动态范围微弱光高灵敏度探测的基础上，设计了一款基于ADS1262和STM32单片机的多通道高精度数据采集系统，该系统可实现20通道模拟信号的高精度量化及实时存储，数据可根据需要实时或后下载至上位机进行分析处理。
高速多通道数据采集传输系统的设计*赵忠凯，尹达，刘海朝【摘要】摘要：设计了一种基于FPGA与DSP的高速多通道实时数据采集传输系统。
该系统通过FPGA实现对时钟、ADC、DSP等芯片的功能配置，采集数据由FPGA预处理后通过EMIF接口传送至DSP，并完成后续的复杂信号处理。
该系统最高数据采集速率可达500 MSPS，FPGA与DSP之间可实现高速率的数据传输。
实际测试结果表明，该系统实现了多通道数据的实时同步采集、传输与处理，数据采集达到较高性能，能够满足当前复杂电磁环境下精确制导雷达数据处理分析的需求。
【期刊名称】火力与指挥控制【年(卷),期】2015(000)012【总页数】5【关键词】多通道，高速数据采集，EMIF，FPGA&DSP0 引言当前电磁信号环境越来越复杂，电磁信号密度已达到百万量级［1］，这就要求雷达信号识别处理系统必须具备快速、准确识别威胁的能力，能够为之后作战提供及时可靠的信息。
随着一些新算法的出现，信号处理复杂度越来越高，动态范围也要求越来越大，信号的通道数也越来越多，因此，多通道信号的采集处理已成为当前雷达数字接收机的发展趋势。
传统的信号采集和传输方法已不能完全满足当前复杂电磁威胁环境下信号处理机对处理数据的要求［2］，必须应用更精确更高速的采集系统，保证电子战环境中的主动权，所以对雷达信号高速多通道采集传输系统的研究具有重大且深远的意义。
FPGA具有强大的数据并行处理能力，能够满足高速ADC的数据处理要求，非常适合作为本系统的逻辑控制核心。
高性能多核DSP的高速运算能力使其适合选作复杂算法的主处理芯片［3］。
1 系统总体方案雷达信号高速多通道数据采集传输系统总体框图如图1所示。
设计中所选用的ADC芯片数据转换速率最高可达500 MSPS。
FPGA芯片选择Altera公司Stratix III系列的EP3SL200F1152C2，DSP芯片选择TI公司的TMS320C6678。
涡流探伤仪的基本组成及工作原理尽管不同用途的涡流检测仪器的电路和结构各不相同，但其基本工作原理和基本结构是相同的。
下面主要介绍涡流探伤仪的基本组成及工作原理。
图5.28所示是典型涡流探伤仪的结构框图，其电子电路主要由两大部分组成：(1)基本电路：振荡器、信号检出电路、放大器、显示器和电源。
(2)信号处理电路：鉴别影响因素和抑止干扰的电路。
振荡器为桥接线圈提供电流以产生交变磁场。
这个磁场在试样中感应出涡流，使线圈的阻抗依据试详情况发生变化，于是桥接电路输出电压也发生变化，即把线困阻抗变化转换成电信号。
一般来说，这个信号的振幅很小，需用放大器加以放大，以便后继单元(如相敏检波器)之用。
在桥路输出信号中，除了有缺陷信号外、还会有一些由其他因索引起的干扰信号。
消除这些干扰信号应采用信号处理单元。
经信号处理单元的分析处理，最后输出显示、记录并触发报警装置或分选门。
常用的比较典型的祸流探伤仪有如下两种：一种是常用于管、棒、丝材探伤的穿过式涡流探伤仪器，其原理如图5.29所示。
这类仪器有阻抗的相位分析、相敏检波，但最后结果的显示足以信号的幅度为主的。
另一种是常用于手动检测不规则几何尺寸工件的探针式涡流探伤仪。
这种探伤仪又因信号显示方式不同可分为电表指示和阻抗平面显示两种。
如图5.30所示是以阻抗平面显示的探针式涡流探伤仪的基本结构框图。
电桥输出信号被放大，经徊敏检波和浊波变成一个包含有线圈阻抗变化的相位和幅值特征的直流信号。
将这个信号分解成分相r两个相互垂直的分量，分别加在CRT的垂直和水平偏转板上进行显示。
盡管不同用途的渦流檢測儀器的電路和結構各不相同，但其基本工作原理和基本結構是相同的。
下面主要介紹渦流探傷儀的基本組成及工作原理。
圖5.28所示是典型渦流探傷儀的結構框圖，其電子電路主要由兩大部分組成：(1)基本電路：振蕩器、信號檢出電路、放大器、顯示器和電源。
(2)信號處理電路：鑒別影響因素和抑止幹擾的電路。
基于PLC的振动信号高速数据采集系统李欣;雷菊阳【摘要】采用S7-300PLC控制数据的采集并由WinCC监控和存储振动信号,组合成通用性较强的振动信号高速数据采集系统,该系统能够更为直观地观察到振动信号的变化过程,节省了振动信号的数据采集时间,极大地提高了振动信号采集的及时性和准确性.【期刊名称】《化工自动化及仪表》【年(卷),期】2018(045)012【总页数】3页(P933-935)【关键词】振动信号;高速采集;S7-300PLC;WinCC;模数转换【作者】李欣;雷菊阳【作者单位】上海工程技术大学机械工程学院;上海工程技术大学机械工程学院【正文语种】中文【中图分类】TH865振动存在于工业生产的各方面，小到轴承大到装备，因此及时观察机械振动状态，了解振动情况，是进行安全生产的首要任务和设备安全运行的重要保证[1]。
振动信号的采集在数据采集系统中非常常见，根据振动信号的采集情况，可以掌握振动状态，估测振动部位和振动产生的原因。
传统的振动信号高速采集方法是以8位单片机为中心[2]，由于采集和监控的可靠性与准确性、周期长短与造价高低以及使用是否方便等问题，很难对振动状态进行及时反馈。
笔者采用S7-300PLC和上位机WinCC结合的方法建立振动数据采集系统，利用S7-300PLC对振动信号进行循环扫描，WinCC进行归档数据并监控振动信号采集过程。
1 系统设计在振动信号采集阶段，重点讨论振动信号的滤波和收集。
根据设计需求，选用S7-300PLC作为振动信号采集从机与作为数据归档处理主机的WinCC进行数据采集，以利于实现振动信号数据采集的灵活性[3]。
S7-300PLC数据处理模块通过对加速度传感器采集到的振动信号进行模数转换，然后将PLC采集到的数据传送到WinCC，WinCC对数据进行归档和监控。
本项目采用分开设置的方式对PLC和WinCC进行组态。
1.1 S7-300PLC对振动信号的采集S7-300PLC采集振动信号的过程如图1所示。
科技与创新｜Science and Technology & Innovation2024年 第06期DOI ：10.15913/ki.kjycx.2024.06.017基于FPGA的矩阵式MEMS传感器数据同步采集系统设计＊邵依依，陈 琴，徐豪怿，戴志晶，卜 峰（苏州市职业大学电子信息工程学院，江苏 苏州 215104）摘 要：消费级MEMS （Micro-Electro Mechanical System ，微型电子机械系统）惯性传感器使用广泛，成本低但精度相对较差。
使用多个消费级MEMS 传感器构成传感器矩阵，通过数据融合算法提高精度是一种有效方法，其中对矩阵式多传感器数据的同步采集是关键。
为此，设计了电平转换电路，基于FPGA （Field Programmable Gate Array ，现场可编程门阵列）构建了多达32路的实时同步数据采集系统，为实现高精度的矩阵式惯性传感器组件提供了一种解决方案。
关键词：MEMS 传感器；FPGA ；矩阵式；数据同步采集中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）06-0062-03——————————————————————————＊［基金项目］2023年江苏省职业院校学生创新创业培育计划项目（编号：G-2023-1602）；2023年苏州市职业大学研究性课程项目（编号：SZDYKC-230701）目前，自动驾驶等技术蓬勃发展，其中高精度导航定位是实现自主导航的关键技术[1]。
对于车辆系统而言，考虑成本与功耗等因素，采用惯性导航是切实可行的方案之一。
MEMS 惯性传感器包含陀螺仪和加速度计，用于测量在惯性系统下的加速度和角速度信息，是微惯性导航系统中的关键器件。
MEMS 惯性传感器具有成本低、功耗低、体积小、易于集成等优势，在导航定位中应用广泛。
由于消费级MEMS 惯性传感器在精度、长时间漂移方面存在缺陷，测量误差较大，难以满足车辆导航需要[2]。
基于单片机的脉冲数据采集电路设计朱超;孙万麟;宋莉莉【摘要】脉冲数据采集系统是以单片机AT89S52为核心的八通道数据采集系统,该数据采集系统具有结构简单、原理清晰、功耗低、可靠性高等优点,能实现对多路模拟通道信号的数据采集与处理.并将采集的数据传送A/D转换电路,将非电信号转换为模拟信号,再由模拟信号再转化为数字信号并且通过数显器显示脉冲数据从而驱动控制电机.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2015(023)004【总页数】4页(P158-160,164)【关键词】单片机;数据采集系统;脉冲数据;转换电路【作者】朱超;孙万麟;宋莉莉【作者单位】新疆昌吉学院物理系,新疆昌吉831100;新疆昌吉学院物理系,新疆昌吉831100;新疆昌吉学院物理系,新疆昌吉831100【正文语种】中文【中图分类】TP274+.1脉冲信号的丢失往往是造成误差的主要因素，特别是对一些非电信号的检测，比如说位移量转化为脉冲信号，而精确的测量位移然后准确的转化为脉冲数据就显得尤为重要，现阶段市场上有很多一起可以直接将脉冲数据转化为位移、速度等物理量，如数字显示器，但很少有将位移量转化为脉冲信号的，因此，我们可以设计一种可以直接将位移量转化为脉冲数据的，并且可以通过显示器显示的测量电路，这将给我们测量带来诸多便利。
1 AT89S52数据采集指标分析常见的数据采集系统提出采用上位机和下位机两层结构模式。
下位常采用单片机完成前端的多路数据采集，上位机则通常用PC机或工控机来实现系统的控制和相关的数据处理机结果显示。
有线常用RS－232或RS－485通信协议等，其上可以运行地址或数据等不同的信号类型，之间采用分时或编码的方式加以区分。
由于采用主从双MCU系统，所以这部分问题的核心在于选择什么芯片[1]。
设计要求采样八通道，精度为4位，因此可以采用8位的ADC芯片，选用RS－232串口，由于RS－232性价比高，在短距离传输稳定等优点，在本设计中完全可以满足要求。
文章编号:1671-5497(2002)04-0062-04收稿日期:2002205210作者简介:高印寒(1951-),男,吉林敦化人,吉林大学教授。
基于线阵涡流传感器的高速多通道涡流信号采集系统高印寒,吴定超,马增治(吉林大学测试科学实验中心,吉林长春 130025)摘 要:介绍了基于线阵涡流传感器的二维数据采集系统,采用了多路模拟选择开关、X 2R 正交分解器和数字信号处理器,有效地提高了信号采集处理速度,并给出了系统原理图和相关器件框图。
关键词:线阵涡流传感器;X 2R 正交分解器;数字信号处理器;信号采集系统中图分类号:TM9381 文献标识码:A为了提高检测速度、缩短信号处理时间及有利于信号的实时处理,确定涡流检测探头的型号与精度十分重要。
通过加大探头的移动速度或将单检测线圈改为多检测线圈可以缩短涡流信号实时成像处理的时间,但机械扫描速度较低,所以本文采用线阵探头且使用电子开关,实现在一次扫描过程中各探头同时进行信号采集。
通过电子开关选通控制,可以加快信号采集速度。
1 采集电路的设计来自线阵涡流传感器的多路信号首先经过多路模拟开关,模拟开关在数字信号处理器DSP 的控制下对多路信号进行逻辑切换。
本文选用的A/D7502多路模拟开关同时选通两路,因此前置放大器必须能满足两路同时输入。
将放大的信号送到X 2R 正交分解器,进行相敏检波和低通滤波处理后,再经过A/D 转换后送入数字信号处理器进行预处理,完成信号的实部和虚部的幅值和相角的预处理并确定它们与扫描座标的对应关系。
采集电路原理如图1所示。
图1 信号采集系统原理图Fig.1 Principle diagram of signal collection system第32卷 第4期吉林大学学报(工学版) Vol.32 No.42002年10月Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition ) Oct.2002111 传感器的选型传统的涡流检测技术有两个缺点:①分辨率的限制。
高分辨率是在缩小涡流场半径条件下获得的,因此,高分辨率与探头的有效扫描宽度之间存在矛盾。
②大面积扫描和深层检测的限制。
对于高分辨率的大面积涡流检测,线阵涡流探头比传统的机械式扫描探头更具优势。
近一二年间加拿大R/D 公司等已成功地将这一技术应用到许多工业领域。
因此,采用线阵涡流传感器有利于提高信号检测速度和进行实时处理。
112 线阵涡流传感器的工作原理线阵涡流探头是将很多小探头线圈按特定的结构类型密布在敞开(或封闭)的平面或曲面上,构成阵列。
工作时,采用电子学的方法按照设定的逻辑程序对阵列单元分时切换,将各单元获取的涡流响应信号接入仪器的信号处理系统中,完成一个阵列的巡回检测。
线阵涡流探头的一次检测过程相当于传统的单个涡流探头对部件受检面(平面或曲面)往返步进扫描的检测过程。
涡流信号的响应时间极短,它只需激励信号的几个周期,高频时主要由信号处理系统的响应时间决定。
因此,线阵涡流传感器的单元切换速度快,使探头整体允许的(手动式或机械式驱动)扫描速度也可以很快。
这一点是传统的探头机械扫描(不论是旋转扫描或二维平面扫描)系统所无法比拟的。
与传统的涡流检测系统相比,线阵涡流传感器系统主要是增加了逻辑切换部件。
这部分电路模块可内置于探头中,也可装在仪器里。
模拟切换可以是简单的线圈单元切换,也可以包含对某些类型线圈进行组合以克服检测“盲区”。
它的主要特点为:①能够对被检工件的展开面或封闭面进行大面积的高速扫描检测。
②对被测表面(含近表面)的检测可达到与传统单探头同样的分辨率。
③能用于扫描检测任何固定形状构成的检测面,如板材、条、棒材等。
④能变换线圈的结构类型以形成特殊的阵列能力。
可以采用多频和混频的方法调节渗透深度,抑制干扰,提高信噪比。
⑤采用C 扫描显示方式时,图像直观、清晰,检测结果一目了然,同时也可方便地选取信号的阻抗平面和时基扫描显示。
113 多路模拟转换开关的选型由于采用多检测线圈的涡流传感器,所以需要有多路和多参数的采集和控制,如果每一路都单独采用各自的输入回路,即每一路都采用放大、采样/保持、A/D 等环节,不仅成本比单路成倍增加,而且会导致系统体积庞大。
又由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致,给系统的校准带来很大困难。
因此,除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D 外,通常采用公共的采样/保持及A/D 转换电路,而要实现这种设计,往往采用多路模拟开关。
表1 AD7502选通真值表Table 1 True value on gating of AD7502A 1A 0E N ON 0011&50112&61013&71114&8X X 0None 多路开关主要用于信号切换,如在某一时刻接通某一路,让该路信号输入而让其它路断开,从而达到信号切换的目的。
多路开关的选择通常要考虑通道数量、泄漏电流、切换速度、开关电阻等情况。
本系统从通用的角度出发,采用可更换探头的形式,探头中的线圈数可根据具体情况来选择,一般情况下,选择8,16,32,64,128。
不同的探头线圈数不一样,所以采用的转换开关数也不一样。
这里以线圈数选择8为例,采用2个差动4通道多路模拟开关AD7502。
可以同时选通两路,同一时间内处理两路信号可以节省一部分切换时间。
因为线圈数不同,所需的转换开关数也不同,所以这里设置可更换探头和即插即用电路,以适应不同的检测要求。
AD7502选通真值表如表1所示。
114 X 2R 正交分解器为了达到对被测体的二维信号检测,提供更丰富的有关被测体的信息,可靠提取二维信息是涡流检测技术的关键之一,X 2R 正交分解器是实现提取二维信息的电子电路。
由于涡流检测线圈的阻抗变化中携带了有关被测试件的信息,它所引起的信号复制和相位变化共同反应了被测对象的大小及深浅。
线圈的阻抗是一个复阻抗,它是一个矢量,包括互相垂直的电抗和电阻两个分量,可表示为:・36・第4期高印寒等:一种基于线阵涡流传感器的高速多通道涡流信号采集系统Z =R +j ωL (1)基于矢量分解原理的X 2R 正交分解器的两个输出分别对应R 和ωL 分量。
实质上可看作是由2个锁相放大器(L IA )构成的正交矢量型L IA ,其基本原理框图如图2所示。
图2 X 2R 正交分解器原理框图Fig.2 Block diagram of X 2R orthogonal resolver图2中振荡器的输出信号为:U 0=B sin ωt (2)它一方面作为激励信号去激励涡流探头,使其产生涡流信号并经前置放大器后得到:U s =A sin (ωt -φ)(3)作为测量信号分别输入到2个相敏检波电路中。
另一方面U 0作为参考信号经方波转换电路后变换成幅度为±1V ,占空比为1∶1的方波,并通过90°移相,获得2个正交的方波信号作为相敏检波电路的参考信号输入。
其中相敏检波电路由乘法器实现,它完成涡流信号与参考信号的相乘操作。
低通滤波器相当于一个积分过程,其输出为:U R =1T ∫T/20U s d t =A πcos φG R (4)U x =1T ∫(T/2)～(π/2)0～(π/2)U s d t =A πsin φG x (5)式中G x 、G R 分别为2个通道的等效增益;T 为信号周期。
当G x =G R 时,相角φ为:φ=arctan (U x /U R )(6) 涡流检测系统中,X 2R 正交分解器的2个输出U R 、U x 可直接送到示波器的水平偏转板和垂直偏转板进行阻抗平面图的定性显示,也可送入A/D 采集板。
通过对2路信号同时采样,由后续电路完成对涡流信号阻抗的定量分析。
115 A/D 转换模块A/D 转换模块主要由采集保持器HTC 20300、高速逐次逼近A/D 转换器HAS 21202组成,其中HTC 20300的孔径时间小于20ps ,获取时间为20ns 。
HAS 21202的转换时间最多不超过2186μs ,转换速率可达350kHz ,二者常配合使用。
A/D 转换接口与主机常用的接口方式有查询法和中断法。
前者占用软件处理时间,后者占用硬件资源。
在构成高速数据采集系统时,A/D 转换接口的启动、查询所产生的附加处理时间将降低整个系统的采集速度。
同时,本系统所采用的转换芯片HAS 21202对启动脉冲宽度有不得小于100ns 的限制。
因最低位转换完成时间取决于启动脉冲下降沿,太宽的脉冲宽度将影响工作速度,所以,其推荐启动脉冲宽度为150ns 。
此时对应最短转换时间为2.86μs 。
当利用主信号处理器以读写方式直接启动HAS 21202时,因DSP 的读写周期有效,能使电平宽度为2个时钟周期,即100ns ,所以需外加脉冲匹配电路,但会导致系统调试复杂。
为此,采用了与主机时钟脉冲同步的A/D 口自启动方式。
达到两个目的:一是不需设置专门的由主机软件编程所决定的启动接口电路,当主机对各通道端口进行读操作的同时,也自动启动了通道的A/D 转换器,从而在软件处理中省去转换口的启动过程。
此外,由于转换过程的起・46・吉林大学学报(工学版)第32卷始时刻由读写有效电平决定,所以与主机频率同步,因此可有目的地设计各端口采集信号处理程序,使之与A/D 转换器的一次转换时间相匹配。
只要设计合理,可不必监测各端口转换器是否完成,而直接采取定时读取的方法,使一次取样过程的时间大为缩短。
二是利用DSP 的双相时钟信号特点组成简单的脉冲筛选电路,形成150ns 脉宽的A/D 转换器启动脉冲,适应HAS 21202的要求。
从而构成简单、成本较低、性能优异的高速多通道采集系统。
2 系统软件设计采用Visual C ++编写主控软件,在Windows N T 操作系统上运行,主要完成通讯口等的初始化和关闭,DSP 板的自检、复位和程序的加载、对多路转换开关的逻辑转换和A/D 转换器的控制等,实现逻辑开关按要求顺序开启。
基于N T 平台的ADSP21060主控软件的流程如下:综上所述可知:采用可更换的线阵涡流探头使得本系统成为通用的涡流信号采集系统。
采用高速数字信号处理器以及面向对象的编程语言有效地提高了扫描速度、数据处理速度和可靠性。
另外X 2R 正交分解器对二维信号的有效提取,为涡流信号实时处理和成像提供了极大的方便。
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