長(zhǎng)期以來，由于運(yùn)行環(huán)境惡劣、監(jiān)測(cè)和維護(hù)手段不完善，風(fēng)機(jī)不斷地出現(xiàn)減速器斷齒、軸承燒毀、傳動(dòng)軸彎曲、聯(lián)軸器膜片損壞、甚至葉片斷裂等故障?；贛Axl320的風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)儀就是此監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)很重要的一部分，其關(guān)鍵部件是模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。MAXl320是Maxim公司推出的并行14位8通道同步采集的A/D轉(zhuǎn)換芯片，非常適合應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、加速度、位移、工藝量等的數(shù)據(jù)采集。這里介紹了一種基于ARM7風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集接口方案，A/D芯片就是采用MAXl320，該監(jiān)測(cè)儀的處理器采用Philips公司的LPC2290。

　　l MAXl320概述

　　MAXl320是一種8輸入通道、14位高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有獨(dú)立的采樣/保持(T/H)電路為每一通道提供了同時(shí)采樣。該器件具有先進(jìn)/先出(FIFO)功能可減少接口開銷，并可在轉(zhuǎn)換結(jié)束或轉(zhuǎn)換之間讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　1.1 引腳及其特征

　　引腳及其特征如下：

　　CH0～CH7：為8路模擬量輸入口。

　　D0～D13：為14位并行數(shù)字輸出，其中DO～D7為雙向數(shù)據(jù)線。

　　CS，RD，WR：分別為片選信號(hào)，讀信號(hào)，寫信號(hào)。

　　CONVST：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。CONVST低電平時(shí)跟蹤獲取模擬信號(hào)，上升沿時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

　　EOC，EOLC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出(EOC)，低電平表示一個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀此通道轉(zhuǎn)換結(jié)果。最后轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出(EOLC)，低電平表示最后一個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后就可以連續(xù)讀取被開通所有通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　CLK，INTCLK/EXTCLK：外部時(shí)鐘輸入引腳(CLK)，時(shí)鐘模式選擇輸(INTCLK/EXTCLK)，該引腳接AVDD選擇內(nèi)部時(shí)鐘(時(shí)鐘頻率為10 MHz)，接.AGND選擇外部時(shí)鐘輸入(100 kHz～12.5 MHz)。

　　ALLON：通道使能輸入。該引腳接高電平使能開通所有的輸入通道(CH0～CH7)，接低電平則只有被選中的通道才進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

　　SHDN：掉電輸入引腳。SHDN=O選擇正常模式，SHDN=1選擇掉電模式。

　　1.2 MAXl320工作過程

　　MAXl320共有8個(gè)模擬輸入通道，可通過寄存器的設(shè)置選擇使用。當(dāng)ALLON設(shè)為低電平時(shí)，設(shè)置寄存器選擇打開通道，同時(shí)拉低CS和WR，然后向數(shù)據(jù)線D0～D7寫入數(shù)據(jù)，D0～D7依次對(duì)應(yīng)著通道CH0～CH7，通過向數(shù)據(jù)線D0～D7中寫入“1”來選中對(duì)應(yīng)的通道。如果當(dāng)ALLON設(shè)為高電平時(shí)，所有通道都被打開，無需設(shè)置配置寄存器。當(dāng)模擬輸入通道確定后，給CONVST發(fā)一個(gè)低電平，即啟動(dòng)1次模/數(shù)轉(zhuǎn)換。假設(shè)8路模人通道都被使用，則芯片內(nèi)部的8個(gè)采樣/保持器在CONVST上升沿到來之前跟蹤輸入信號(hào)，在其上升沿，輸入模擬信號(hào)被采樣/保持，然后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。EOC一旦出現(xiàn)下降沿，就表明一路轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOLC一旦出現(xiàn)下降沿，就表明全部模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束。對(duì)于轉(zhuǎn)換結(jié)果，有兩種讀取結(jié)果方式：可以在每轉(zhuǎn)換一路后，就將該路轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀走，然后進(jìn)行下一路轉(zhuǎn)換(見圖1(a));也可以等到所有通道全部轉(zhuǎn)換完后依次讀取，整個(gè)讀數(shù)過程中EOLC信號(hào)一直為低，直到CONVST的下一個(gè)下降沿(見圖1(b))。

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　　2 MAXl320在風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

　　該風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)儀是基于ARM7處理器的，處理器采用Philips公司的LPC2290。其數(shù)據(jù)采集部分硬件框圖如圖2所示。

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　　實(shí)際的風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)儀根據(jù)不同時(shí)段不同要求可選擇性地同時(shí)測(cè)量多路的信號(hào)輸入，所以這里置引腳AL—LON要接地，根據(jù)要求寫配置寄存器，開啟需要開通的通道，不用的通道就關(guān)閉，使其降低功耗。因?yàn)榭紤]到此監(jiān)測(cè)儀所使用的環(huán)境比較惡劣，如果使用外部時(shí)鐘，則輸入的時(shí)鐘信號(hào)容易被干擾，從而導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊不穩(wěn)定，所以使引腳INTCLK/EXTCLK也接+3.3 V，選擇內(nèi)部時(shí)鐘(10 MHz)，10 MHz頻率完全能滿足此監(jiān)測(cè)儀的采樣要求。

　　3 MAxl320外圍模擬電路的設(shè)計(jì)

　　3.1 模擬輸入電路

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　　工業(yè)風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)最常見的測(cè)量信號(hào)參數(shù)就是風(fēng)機(jī)軸振動(dòng)加速度、速度、位移。此監(jiān)測(cè)儀可連接加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器，具體模擬部分電路方框圖見圖3。圖3中接入的就是ICP加速度傳感器，且只是一組ICP模擬輸入，它分為ICP_V(垂直方向)和ICP_H(水平方向)的兩路輸入，A-V，A_H，V_V，V_H，S_V，S_H分別為加速度、速度、位移的垂直方向和水平方向輸出。如果使用速度傳感器，則第一級(jí)輸出的是速度，第二級(jí)輸出的位移，第三級(jí)電路沒意義。如果用位移傳感器，則第一級(jí)輸出的是位移，第二，三級(jí)電路沒意義。低通濾波電路和積分電路所使用的運(yùn)算放大器都是用集成芯片MAX4164，它集成了4個(gè)低功耗運(yùn)算放大器。低通濾波電路是采用二階低通濾波，對(duì)于普通的一階低通濾波電路，增加了RC環(huán)節(jié)，加大衰減斜率，使濾波效果更好。積分電路是最典型的積分運(yùn)算電路，在輸入端加一個(gè)1μF的電容是為了濾掉直流分量，在積分電容上并聯(lián)一個(gè)電阻是防止低頻信號(hào)增益過大和積分漂移所造成的飽和或截止現(xiàn)象，大小一般大于等于輸入電阻的10倍以上?？?a target="_blank">編程放大器采用LTC6911-2，它是一種兩匹配可編程放大器集成芯片，可通過對(duì)3位可編程接口G1，G2，G3寫值從而得到0，1，2，4，8，16，32，64輸出放大倍數(shù)。

　　3.2 多路選擇電路

　　用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)器的模擬信號(hào)輸入一般都多于8路，所以可以在.MAXl320的8通道輸入外加上多路選擇電路，該監(jiān)測(cè)儀用CD74HC4052來組成多路選擇電路。CD74Hc4052是一個(gè)雙電源輸入，四組通道選擇芯片，通過選擇S0，S1，可以使輸出四組中的任意一組，最大模擬輸入范圍在±5 V。

　　4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

　　4.1 程序設(shè)計(jì)

　　MAXl320的底層驅(qū)動(dòng)程序是在集成開發(fā)環(huán)境ADSI.2開發(fā)的，其中A/D轉(zhuǎn)換軟件流程如圖4所示。

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　　在實(shí)際應(yīng)用中為了能控制ADC的采樣頻率，該設(shè)計(jì)使用定時(shí)器對(duì)A/D整個(gè)采樣、讀取數(shù)據(jù)的過程進(jìn)行行定時(shí)操作，從而使監(jiān)測(cè)儀能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的各種要求改變采樣頻率。這其中對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換的軟件設(shè)計(jì)，就有所改變：當(dāng)要使用比較低的采樣頻率時(shí)(100 Hz～5 kHz)，定時(shí)的時(shí)間就比較長(zhǎng)，因?yàn)楸颈O(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)是基于μC/Os-Ⅱ嵌入式系統(tǒng)下，所以使用定時(shí)器中斷方式，這樣就會(huì)避免在采樣這個(gè)任務(wù)里一直等待定時(shí)的到來，降低多任務(wù)操作系統(tǒng)的運(yùn)行效率。把采樣，讀取數(shù)據(jù)整個(gè)過程放在中斷服務(wù)程序，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，就立刻跳到中斷服務(wù)程序里執(zhí)行采樣讀取操作，然后再跳出中斷程序，繼續(xù)執(zhí)行主程序后面的操作;當(dāng)要使用比較高的采樣頻率時(shí)(5～40 kHz)，因?yàn)槎〞r(shí)時(shí)間很短，所以可以用查詢方式，一直查詢定時(shí)器中斷標(biāo)志位，當(dāng)中斷標(biāo)志位置位時(shí)，就執(zhí)行采樣讀取操作。

　　4.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　采用內(nèi)部時(shí)鐘，并使8通道都開通，通道0～7都輸入1 kHz的正弦波(峰峰值為2 V)，把MAXl320的D0～D13與的LPC2290的D0～D13接起，其他的對(duì)應(yīng)的引腳根據(jù)圖3連接起來，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，因?yàn)?個(gè)通道的數(shù)據(jù)都一樣，所以只讀取通道O轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，結(jié)果如表1所示。

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　　以上測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)是采樣1 kHz正弦波1個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)值，一共采樣38個(gè)點(diǎn)，其中正值部分采樣點(diǎn)有19個(gè)值，負(fù)值部分采樣點(diǎn)也有19個(gè)值，表1只列出其中一部分具有代表性的值。把這些采樣點(diǎn)在坐標(biāo)上標(biāo)出，就可以還原出輸入的正弦波。通過示波器可以看到實(shí)際跟蹤捕獲信號(hào)和采樣信號(hào)所用的時(shí)間和理論值基本相同。但是，等待EOLC信號(hào)變低由于本身執(zhí)行程序需要時(shí)間，再加上讀取轉(zhuǎn)化結(jié)果是受到處理器數(shù)據(jù)總線本身的速度限制，整個(gè)采樣頻率就低于理想值。可以通過一些改進(jìn)來減小這兩個(gè)因素對(duì)采樣頻率的影響即：

　　(1)可以把EOLC接到處理器的外部中斷信號(hào)引腳，采用中斷方式，這就要比原來設(shè)計(jì)的查詢方式響應(yīng)速度快;

　　(2)可以提高CPU時(shí)鐘周期或減少讀寫操作所占用的CPU周期數(shù)。

　　5 結(jié) 語

　　通過上面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果以及示波器測(cè)出的采樣時(shí)間(0.3μs左右)和轉(zhuǎn)換時(shí)間(3.7μs)可知，8個(gè)通道同時(shí)工作時(shí)，采樣轉(zhuǎn)換總時(shí)間是4μs左右，所以可以算出每個(gè)通道的吞吐量大概是250kS/s，這樣完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)采集的要求。