一种基于网络的嵌入式信号采集仪制造技术

本实用新型专利技术属信号采集领域，克服传统仪器不能采集高频信号，无法完成密集运算，传输数据量小的缺点。它包括主板和信号调理板，信号调理板包括信号调理电路和对外控制电路，特征在于：主板包括带１０Ｍ／１００Ｍ网络控制器，运行具有ＴＣＰ／ＩＰ框架的操作系统的ＡＲＭ主控制器电路、ＤＳＰ协处理器电路、ＡＤ转换电路、ＦＰＧＡ电路；被测信号经调理电路进入ＡＤ转换电路，ＤＳＰ在ＦＰＧＡ协助下启动ＡＤ转换，并把转换完的信号读到其内部的存储器中；ＤＳＰ把数据处理完后给ＡＲＭ发出中断，ＡＲＭ从ＤＳＰ中通过ＦＰＧＡ把数据读到ＡＲＭ的存储器中，组帧以后将数据通过网络传送到远端服务器中；同时ＡＲＭ接收远端服务器发来的命令，在ＦＰＧＡ的协助下显示命令或运行状态，或发出报警信息。该仪器可进行高速信号的采集，实用性强。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

An embedded signal acquisition instrument based on Network

The utility model belongs to the field of signal acquisition, overcomes the shortcoming that traditional instruments can not collect high-frequency signals and can not complete dense calculation and transmit small amount of data. The utility model comprises a main board and signal processing board, signal conditioning board includes signal conditioning circuit and external control circuit, characterized in that the motherboard comprises an 10M / 100M network controller, running with TCP / IP framework of the operating system of ARM main controller circuit, DSP co processor circuit, AD conversion circuit, FPGA circuit; the signal to be measured by enter the AD conversion circuit circuit, DSP start AD FPGA assistance, and converts the signal end to read its internal memory; DSP the data after processing to a ARM interrupt, ARM by DSP from FPGA data to read the memory of the ARM group, after the data frame is transmitted through the Internet to the remote server; at the same time ARM to receive the remote server command With the help of FPGA, display command or operation status or send out alarm information. The instrument can collect high speed signals and is practical.

【技术实现步骤摘要】

本技术是一种具备数据处理、网络传输、液晶显示、对外控制等功能的采集信号的仪器，可应用于对机床信号的采集。
技术介绍
信号采集仪在各种领域中都有非常广泛的应用，负责将各种模拟信号数字化，以便更进一步地处理。一般信号采集仪都具有与上位机通讯的功能，通讯接口一般为RS232接口。图1是国内外现有信号采集仪的结构图，目前信号采集仪一般由以下几部分组成滤波电路、放大(调理)电路、模数(AD)转换电路、主处理器、液晶显示电路、通讯模块。被采样信号先经过滤波电路，通常是滤掉高频信号，再经过放大(调理)电路，将信号调整到满足AD接口所要求的电平的范围，然后在主处理器(一般是单片机)的控制下，将AD转换电路转换完的数字信号读到存储器中，然后把当前状态或报警等信息显示到液晶上，并把采集到的数据通过串口传输到PC机。目前，大部分机床还是需要人来操作的，并且当加工过程中出现问题时很难及时判断出问题所在。当运用采集仪采集机床的信号时，需要其能在短时间内将数据采集下来，并且经过初步的信号处理后把数据通过网络传到专家系统，由专家系统对信号做出判断，及时对机床进行控制。随着机床的精度越来越高，被采样信号频率达到5K以上，要求采集频率越来越高，同时还需要处理器来完成密集的运算等功能，在通讯方面，传输的数据量在2.34Mbps(300k/s bytes)以上，传统的信号采集仪就不能很好的完成这些复杂的任务了。
技术实现思路
本技术的目的在于采集高速信号，经过信号处理后将数据通过网络高速传送到网络服务器，同时接收服务器的指令对外部设备进行控制和相应的显示。本技术的技术方案如图2~图6所示，包括主板和信号调理板两部分，其中信号调理板包括信号调理电路和对外控制电路，其特征在于主板部分包括内带10M/100M网络控制器，并运行带TCP/IP框架的操作系统的ARM主控制器电路、DSP协处理器电路、AD转换电路、FPGA电路；被测信号经调理电路进入AD转换电路，DSP协处理器电路在FPGA电路协助下启动AD转换，并把AD转换完的数字信号读到DSP协处理器电路内部的存储器中；DSP协处理器电路把数据处理完后给ARM主控制器电路发出中断信号，ARM主控制器电路从DSP协处理器电路中通过FPGA电路把数据读到ARM主控制器电路的存储器中，组帧以后将数据通过网络传送到远端服务器中；同时ARM主控制器电路接收远端服务器发来的命令，在FPGA电路的协助下显示命令或运行状态，或发出报警信息。机床的工况信息最高频率为6kHz，由乃奎斯特采样定理可知，要保证采集到的信号不会失真，须满足公式fs≥2fm，其中fs为采样频率，fm为被采样信号最高频率。根据实践分析，要较好地原样复原被采集信号，采样频率应为被采集信号最高频率的8倍以上，即6k×8＝48kHz。机床信号有电流、振动、声发射等信号，振动和声发射信号各自要采集x、y、z3个方向上的信号才能很好的处理信号，所以选择AD的通道数应该大于等于8通道，单通道采样频率应该在48KHz以上，根据实践测量，机床信号采集的精度要求在千分之一以上，所以AD芯片精度应该选择12位以上。所需的AD芯片的总采样频率应大于48KHz×8＝384KHz。按照8通道循环采样，系统总采样频率400KHz的方式来估算，做最大点数，即2048点，FFT处理，单路信号处理要求在2048/(400×103)＝5.12×10-3s，即约5ms，内完成。每路信号采集2048点的波形数据，产生1024点的FFT频谱数据，再加上提取特征量数据约128点，每12位数据用2个字节表示，最终所需传输的数据量为(2048+1024+128)×2＝6400byte。8路信号采集到的数据量为8×6400＝51.2Kbyte。考虑到协处理器还要进行AD采集和完成与主控制器的通讯，根据实际经验分析，DSP协处理器的主频要选择在80MHz以上。DSP在5ms内产生需要通过网络实时传输的数据量为2×(1024+128)＝2304byte，所以网络中纯数据的传输速率为2304/0.005＝460k/s(byte)＝3680kbps。另外，系统还要求有显示和对外控制，根据需要完成的工作量和实践经验，所以ARM处理器主频要在50MHz以上，内带10M/100M网络控制器，并采用带TCP/IP框架的操作系统。FPGA电路完成逻辑和时序匹配的功能，为了方便硬件系统的调试，选用的FPGA要支持嵌入式逻辑分析仪。同时由于ARM、DSP的数据、地址线都要引入FPGA，AD的数据线也要引入FPGA，还要为液晶留下30针的接口，所以FPGA除去电源、地、调试接口等固定的信好线外至少还应该有100个IO口可供系统使用，芯片的管脚的数量应该在150个以上。附图说明图1现有的信号采集仪的示意框图图2本技术的基于网络的嵌入式信号采集仪的示意框图图3DSP和ARM间的HPI接口示意框图图4液晶显示接口示意框图图5AD接口示意框图图6网络接口信号连接图具体实施方式结合图2～图6对本技术作进一步的说明一种新型的基于网络的嵌入式信号采集仪，包括主板和信号调理板两部分。信号调理板包括信号调理电路和对外控制电路。主板部分包括ARM主控制器电路、DSP协处理器电路、AD转换电路、FPGA电路、显示电路、电源转换电路。被测信号经过调理电路后进入AD转换电路，DSP在FPGA协助下启动AD转换，并把AD转换完的数字信号读到DSP内部的存储器中。DSP把数据处理完后给ARM发出中断，ARM从DSP中把数据读到ARM的存储器中，组帧以后将数据通过网络传送到远端服务器中。同时ARM接收远端服务器发来的命令，在FPGA的协助下将命令或运行状态显示在LCD上，或控制报警器给出报警信息。各部分接口方式如下1、AD与DSP的接口方式如图5所示，AD与DSP的相关连线在FPGA内部相连，方便用嵌入式逻辑分析仪分析时序。AD的数据线与DSP的数据线相连，AD转换启动信号由DSP的IO区片选线IOSTRB产生2、DSP与ARM的接口方式二者间采用HPI的接口方式。HPI扩展在ARM的IO0区，接口图如图3所示DSP的HPI接口数据线与ARM的高8位数据线相连，在FPGA中用双向缓冲接口实现双向数据传输，HPI的读写线、字节控制线、寄存器选择线由ARM的通用IO口(GPIO)控制，方向控制线由ARM的读写线控制 3、网络接口方式如图6所示，ARM的网络控制器的引出线直接与物理层芯片的相应数据、控制线相连，物理层芯片输出的差分信号与网络变压相连，进一步输出到RJ45接口4、液晶接口液晶接口扩展在ARM的IO1区，液晶接口由FPGA引出，由ARM控制。液晶的数据线在FPGA内部与ARM的次高8位数据线相连，寄存器选择线与ARM的address3相连，复位信号由FPGA片内逻辑产生。由于ARM和FPGA均为3.3V电平系统，液晶为5V电平，所以需要在液晶接口中接电平转换芯片。液晶接口如图4所示ARM主处理器电路由ARM、外围存储器(SDRAM、FLASH)、看门狗、串口、网口、调试接口组成，所有通讯接口及外围控制由ARM处理。ARM主处理器为内嵌ARM7TDMI内核的嵌入式处理器。，其外部用IIC存储器来存储系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于网络的嵌入式信号采集仪，包括主板和信号调理板两部分，其中信号调理板包括信号调理电路和对外控制电路，其特征在于：主板部分包括内带１０Ｍ／１００Ｍ网络控制器，并运行带ＴＣＰ／ＩＰ框架的操作系统的ＡＲＭ主控制器电路、ＤＳＰ协处理器电路、ＡＤ转换电路、ＦＰＧＡ电路；被测信号经调理电路进入ＡＤ转换电路，ＤＳＰ协处理器电路在ＦＰＧＡ电路协助下启动ＡＤ转换，并把ＡＤ转换完的数字信号读到ＤＳＰ协处理器电路内部的存储器中；ＤＳＰ协处理器电路把数据处理完后给ＡＲＭ主控制器电路发出中断信号，ＡＲＭ主控制器电路从ＤＳＰ协处理器电路中通过ＦＰＧＡ电路把数据读到ＡＲＭ主控制器电路的存储器中，组帧以后将数据通过网络传送到远端服务器中；同时ＡＲＭ主控制器电路接收远端服务器发来的命令，在ＦＰＧＡ电路的协助下显示命令或运行状态，或发出报警信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谭延磊，张慧慧，杨健，李孝辉，王恺，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]