基于PC/104總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

摘 要：在簡要介紹了嵌入式PC/104總線標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，討論了基于該總線構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其在機械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用。本文對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、軟硬件設(shè)計、功能特點等方面進(jìn)行了敘述和討論。

關(guān)鍵詞：PC/104; 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

0. 引言

　　自90年代以來，PC總線成為最為普及的總線標(biāo)準(zhǔn)之一，其應(yīng)用已從臺式個人計算機擴展到工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域。采用PC總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的系統(tǒng)的開發(fā)雖然可以獲得大量的軟件支持，但存在體積龐大、功耗高等缺點。為解決這一矛盾，1987年有關(guān)廠家推出了PC/104總線模塊。隨著基于PC/104總線系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，PC/104總線逐漸成為嵌入式PC機的機械標(biāo)準(zhǔn)，其秉承了IBM-PC開放式總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，與IBM-PC機完全兼容，具備體積小（96＊90mm棧接式結(jié)構(gòu)）、低成本、高可靠性、長壽命、工作范圍寬、編程調(diào)試方便、外圍模塊齊全等優(yōu)點，所以在測試領(lǐng)域基于PC/104的智能儀器得到了廣泛應(yīng)用, PC/104系列產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、車輛導(dǎo)航、工程控制等各種領(lǐng)域。本文重點介紹了基于PC/104總線構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及在機械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用。

1. PC/104在機械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　隨著現(xiàn)代機械加工設(shè)備的日趨高速、高能、大型化、自動化、連續(xù)化和集成化，設(shè)備一旦發(fā)生故障且未能及時發(fā)現(xiàn)和排除，會帶來不可估量的損失。機械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)有相當(dāng)大的實用價值，可為設(shè)備預(yù)知維修提供基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)，為故障的診斷和預(yù)防提供簡便、快捷的手段，對設(shè)備的科學(xué)管理和減少維修費用，提高設(shè)備的可靠性和維修性具有極大的意義。基于PC/104總線及系列模塊構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作為機械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器，具有便攜式特性，可作為設(shè)備巡檢儀器，主要完成工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息的獲取，對信號進(jìn)行實時分析。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常，自動報警。

2. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成

　　數(shù)據(jù)采集是機械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)必不可少的一部分，它是聯(lián)接最前端的傳感器和數(shù)據(jù)處理到顯示打印輸出等的重要部分。本文介紹的是基于PC/104嵌入式模塊構(gòu)建的便攜式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它內(nèi)有通用CPU、數(shù)據(jù)采集模塊、內(nèi)存和高速硬盤,預(yù)裝完整的Windows操作系統(tǒng)，不僅如此，內(nèi)置的100M以太網(wǎng)卡可將數(shù)據(jù)通過Internet傳送到世界上的任何地方,實際上它不僅能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,而且實現(xiàn)了計算機的功能,包括聯(lián)網(wǎng)、打印等,可以把它簡單地看成一個計算機控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　本文所涉及的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用PCM-3370模塊、PCM-3718HG采集卡構(gòu)建了多通道的信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集、處理和實時顯示。整個系統(tǒng)由電源模塊供電。其中PCM-3370模塊作為主機，PCM-3718HG模塊集成采集卡完成信號的采樣，且采樣頻率可在小于100kHZ的范圍內(nèi)任意設(shè)定;顯示器可用標(biāo)準(zhǔn)CRT顯示器，也可用平板顯示器;鍵盤采用PC/104專用鍵盤。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示

3. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件組成與設(shè)計

　　由于該系統(tǒng)采用微機控制，軟件設(shè)計是必須的。系統(tǒng)硬件也只有在軟件控制下運行。

　　使用的操作系統(tǒng)是WindowsXP，因為Windows是多任務(wù)操作系統(tǒng)，功能十分強大，用Windows操作系統(tǒng)開發(fā)的儀器具有優(yōu)良的界面，而且很多生產(chǎn)廠商都為PC/104的外圍模塊提供了與Windows系統(tǒng)相對應(yīng)的驅(qū)動程序，越來越多的基于PC/104的系統(tǒng)開發(fā)采用Windows系統(tǒng)作為平臺。而LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的一種非常優(yōu)秀的圖形化編程語言，它具有美觀的用戶交互界面、良好的實時性和強大的信號分析處理功能以及靈活的可擴充性,因此選用LabVIEW軟件作為系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)平臺，為高效地搭建信號采集及分析系統(tǒng)提供了徹底的解決方案。

　　便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計思想是采用模塊化式的設(shè)計，應(yīng)用程序主要包括幾大模塊:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理模塊（如圖2所示）。

　　采集程序的信號由傳感器拾取，經(jīng)電荷放大器后，通過PCM-3718HG數(shù)據(jù)采集卡，即可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。將得到的原始數(shù)據(jù)在時域顯示，然后存儲或者通過DataSocket直接傳給數(shù)據(jù)信號處理模塊。采集程序及信號處理程序以LabVIEW為開發(fā)平臺。采集程序及處理程序如圖3、圖4所示：

　　程序?qū)崿F(xiàn)功能：

　　（1） 參數(shù)設(shè)置功能：系統(tǒng)具有強大的設(shè)置功能，可以對采集的通道數(shù)、采樣頻率、增益、緩沖區(qū)大小、報警上下限等進(jìn)行設(shè)置。

　　（2） 采集控制功能：可手動控制程序采集，同時可通過程序進(jìn)行連續(xù)采集和定時采集。

　　（3） 波形顯示功能：能實時顯示單通道或多通道趨勢圖，對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。

　　（4） 數(shù)據(jù)分析功能：由于采集到的信號蘊含了設(shè)備狀態(tài)變化和故障特征的豐富信息，信號處理是提取特征信息的主要手段，通過信號處理可以實現(xiàn)時域和頻域的互換，并且通過聯(lián)合時頻分析，可以揭示出信號中的某些實質(zhì)性的問題，因此本系統(tǒng)采用時域、頻域及聯(lián)合時頻等分析方法對信號進(jìn)行分析處理，以提取有用的特征量。

　　（5） 報警功能：可任意設(shè)置各通道上下限的閾值，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過限制可自動報警，以提示現(xiàn)場工作人員設(shè)備運行出現(xiàn)異常，及時采取措施。

　　（6） 故障預(yù)測：系統(tǒng)可根據(jù)對采集數(shù)據(jù)的處理提取反映設(shè)備運行狀態(tài)的特征量，根據(jù)特征量來預(yù)測設(shè)備以后的運行狀態(tài)的變化趨勢。

　　（7） 故障診斷：當(dāng)發(fā)生報警后，系統(tǒng)對發(fā)生故障的通道進(jìn)行診斷，給出可能發(fā)生故障的類型。

　　（8） 自動存儲打印功能：將采集到的設(shè)備運行狀態(tài)的正常數(shù)據(jù)及報警時的異常數(shù)據(jù)，以當(dāng)前系統(tǒng)時間為文件名存儲為二進(jìn)制文件，也可以以表格形式存進(jìn)數(shù)據(jù)庫，可生成報表打印。便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，分析及處理。為加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)資料。

　　（9） 數(shù)據(jù)通信功能：可利用網(wǎng)絡(luò)接口，通過DataSocket進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計算機，用戶可以不在現(xiàn)場就可以監(jiān)測到現(xiàn)場的設(shè)備運行狀態(tài)，同時在遠(yuǎn)程端可對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4. 結(jié)束語

　　作者的創(chuàng)新點：該系統(tǒng)是運用當(dāng)今主要工業(yè)控制計算機技術(shù)-嵌入式PC/104總線結(jié)構(gòu)及其擴展模塊設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于PC/104模塊具有獨特的堆疊式總線擴展方式、體積小、功耗低、可靠性高等特點，因此該采集系統(tǒng)具有便攜性，克服了傳統(tǒng)PC機的缺點。其次采集系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺，其人機界面友好，功能強大;開發(fā)效率高、可維護(hù)性強;測試精度、穩(wěn)定性和可靠性能得到充分保證;具有很高的性能價格比，節(jié)省投資。適合測控領(lǐng)域的計算機編程。

　　該系統(tǒng)已經(jīng)在磨床加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中經(jīng)過實際調(diào)試，對多路數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸，對采集控制、采集速度、異常處理報警等都進(jìn)行了測試。可為加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測提供基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)，保證加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

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