黃均安

摘 要：該文設(shè)計(jì)了一種基于ERTU的機(jī)床振動(dòng)信號(hào)采集處理的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)ICP加速度傳感器采集模塊，存儲(chǔ)模塊，主系統(tǒng)模塊等，把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入ERTU系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采集和處理。

關(guān)鍵詞：ERTU系統(tǒng) 振動(dòng)信號(hào) ICP加速度傳感器 硬件

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）12（a）-0033-02

在機(jī)床切削加工過(guò)程中，機(jī)械振動(dòng)是一種極為有害的現(xiàn)象。由于振動(dòng)的產(chǎn)生，降低了工件加工表面的質(zhì)量，同時(shí)加劇了刀具和機(jī)床零件的磨損，有時(shí)甚至能造成切削工作不能正常進(jìn)行。因此在金屬機(jī)床切削工作過(guò)程中，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要。該文提出了基于振動(dòng)信號(hào)的ERTU硬件系統(tǒng)的研究。

1 ERTU系統(tǒng)的基本概況

電能量數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)方終端（ERTU）是電能量計(jì)量管理系統(tǒng)的重要組成部分。它通過(guò)RS-485或脈沖方式，采集各個(gè)計(jì)量點(diǎn)電表數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在終端，經(jīng)處理后，通過(guò)適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵧ǖ溃缫蕴W(wǎng)絡(luò)，語(yǔ)音MODEM，專(zhuān)線MODEM，光纖，GPRS等方式發(fā)送給遠(yuǎn)方主站。一個(gè)典型的ERTU主要由以下的模塊構(gòu)成：主系統(tǒng)模塊，通訊模塊（以太網(wǎng)，RS485，MODEM網(wǎng)卡），ICP加速度傳感器采集模塊，存儲(chǔ)模塊，顯示模塊（包括鍵盤(pán)設(shè)計(jì)），電源模塊，維護(hù)模塊（本地RS232通訊），如圖1所示。

除這些模塊之外，每個(gè)模塊都還有相對(duì)應(yīng)的保護(hù)功能，這些保護(hù)功能對(duì)于每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)要求不盡相同。

ERTU系工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，需要防磁、防震、防潮、防雷，并適用于變電站安裝。

圖1顯示的是ERTU的模塊組成，這個(gè)系統(tǒng)即可以看作是硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，也可以當(dāng)作軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)的軟硬設(shè)計(jì)是按照自上而下考慮的，硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短開(kāi)發(fā)和調(diào)試周期，降低開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。下面主要從硬件系統(tǒng)方面來(lái)分析ERTU的開(kāi)發(fā)。

2 ERTU硬件設(shè)計(jì)

在圖1中，可以看出主系統(tǒng)模塊是ERTU的核心，它不僅需要完成讀取、處理和存儲(chǔ)各種規(guī)約表計(jì)的大量數(shù)據(jù)，同時(shí)也需要處理RS485/232，以太網(wǎng)絡(luò)，MODEM等多方式、多主站通信，還需要解析IEC60870-5-102規(guī)約，液晶顯示和鍵盤(pán)設(shè)置維護(hù)等工作。這些復(fù)雜的功能要求終端必需具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，8/16位的CPU或者單片機(jī)是無(wú)法勝任這些要求的。顯然具有高性能的32位嵌入式CPU才是必然選擇。

一般而言，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為封閉式和開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)。封閉式體系結(jié)構(gòu)又稱為芯片級(jí)嵌入，其產(chǎn)品主要針對(duì)某種特定任務(wù)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，專(zhuān)用性較強(qiáng)，不依賴于某種總線標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)又被稱為板級(jí)嵌入，與封閉式體系結(jié)構(gòu)恰好相反，其設(shè)計(jì)立足于公開(kāi)的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。立足于開(kāi)放的總線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)者可以做出各類(lèi)模板級(jí)產(chǎn)品供用戶靈活選擇，如人機(jī)接口板、信號(hào)調(diào)理板、CPU板、模擬量I/O板和數(shù)字量 I/O板、系統(tǒng)支持板等。由于標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，用戶可以根據(jù)自身?xiàng)l件和實(shí)際情況選擇不同種類(lèi)和數(shù)量的功能模板，組合成相符合自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期，減小了開(kāi)發(fā)費(fèi)用，在實(shí)際生產(chǎn)中，嵌入式工業(yè)系統(tǒng)采用最多的就是這種嵌入方式。

除開(kāi)放和標(biāo)準(zhǔn)以外，嵌入式系統(tǒng)還具有以下特性。

（1）堅(jiān)固性。在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬切削機(jī)床的環(huán)境往往較差，多油污和鐵屑，在對(duì)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，設(shè)備自身必須能夠承受一定的振動(dòng)，插卡的固定能力要強(qiáng)，電源穩(wěn)定可靠，同時(shí)有良好的耐高溫能力。

（2）低的平均故障修復(fù)時(shí)間。為了節(jié)約維修時(shí)間和成本，將控制機(jī)去掉有源電路的背板，把功能分散到其它插板上，當(dāng)插板出現(xiàn)故障后，只需更換插板，就可以實(shí)現(xiàn)故障的維修。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，用戶逐漸從專(zhuān)用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基于標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)，設(shè)備的通用性和易用性得到提高，同時(shí)使得組件的維護(hù)更加方便。此外標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的產(chǎn)品容易從多個(gè)不同的供應(yīng)商那里得到，經(jīng)濟(jì)性得到體現(xiàn)。

一個(gè)成功的嵌入式系統(tǒng)模板硬件設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮以下方面。

（1）兼容性。嵌入式系統(tǒng)要做到和PC、MS-DOS、LINUX完全兼容，充分利用商用PC所積累的軟、硬件資源。

（2）克服總線數(shù)據(jù)寬度和速度瓶頸，產(chǎn)品升級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線雖然使得系統(tǒng)開(kāi)放，但也限制了處理器性能的發(fā)揮。常規(guī)的辦法是采用高性能總線，但這無(wú)疑會(huì)大幅度增加設(shè)計(jì)費(fèi)用和產(chǎn)品成本。這里筆者是采用集成模板和I/O總線設(shè)計(jì)方案，將局部高速總線和慢速系統(tǒng)總線相結(jié)合設(shè)計(jì)，把對(duì)速度要求高的CPU、存儲(chǔ)器、硬盤(pán)和需要高速訪問(wèn)的I/O接口等做在一塊集成模板上，把相對(duì)慢速的I/O部分放在總線上。

ERTU硬件系統(tǒng)所采用的是板級(jí)嵌入，主系統(tǒng)CPU板的選擇是ERTU嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，直接決定相應(yīng)的外圍系統(tǒng)模塊的開(kāi)發(fā)，硬件系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的平臺(tái)又影響著軟件的開(kāi)發(fā)，所以選擇合理的嵌入式主CPU板是ERTU系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)。目前在主系統(tǒng)板的市場(chǎng)上有兩大主流產(chǎn)品：X86系列，ARM9系列。筆者這里僅對(duì)X86主系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

X86微處理器（SCM-7020）SCM-7020選擇的是AMD Gedode GX1處理器，具有以下的特點(diǎn)。

①X86兼容64位微處理器，支持MMX指令系統(tǒng)，速度高達(dá)300 MHz。

②SVGA顯示接口支持CRT及TFT。

③在板內(nèi)最大可達(dá)128M。

④16KB L1回寫(xiě)緩存。

⑤支持軟驅(qū)、IDE硬盤(pán)。

⑥兩串一并口。

⑦USB1.1接口。

⑧在板10/100BaseT以太網(wǎng)接口。

⑨16位PC/104總線。

⑩PC/104兼容。

可見(jiàn)這款CPU的硬件資源非常豐富，幾乎不用擴(kuò)展就可以滿足ERTU的硬件資源要求。同時(shí)支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，如Wince、Ucos、Linux等。通過(guò)對(duì)CPU進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，這款微處理器的硬件資源可以滿足ERTU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求， Gedode GX1處理器支持PC/104系統(tǒng)，大部分的外部硬件資源都是通過(guò)PC/104來(lái)實(shí)現(xiàn)。值得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)注意的是選擇不同的嵌入式CPU，決定了系統(tǒng)主板的選擇、設(shè)計(jì)，也直接影響到外圍系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計(jì)。

3 ERTU完成振動(dòng)檢測(cè)的主要硬件結(jié)構(gòu)

ERTU硬件設(shè)計(jì)時(shí)，主要是由ICP傳感器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ICP傳感器是內(nèi)裝微型IC放大器的壓電加速度傳感器，它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能直接和記錄、顯示和采集設(shè)備連接，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，提高了測(cè)試精度和可靠性。

此外，為了便于現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)、升級(jí)，以及操作的方便，增加了顯示模塊，鍵盤(pán)設(shè)置模塊。此模塊的正常不會(huì)影響整個(gè)ERTU的工作，但是顯示和維護(hù)模塊可以提高ERTU操作的方便行，系統(tǒng)狀況的可見(jiàn)性。

4 ERTU硬件設(shè)計(jì)的考慮

RS485/232數(shù)據(jù)采集電能表數(shù)據(jù)（這里RS485/232可以通過(guò)硬件跳線來(lái)實(shí)現(xiàn)的），然后RS485/232電平轉(zhuǎn)換芯片將采集的數(shù)據(jù)RS485/232電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成TTL電平，接著進(jìn)行光耦隔離。再通過(guò)多路串口通訊芯片與主板進(jìn)行電氣連接，同時(shí)完成中斷請(qǐng)求，并通過(guò)系統(tǒng)片選信號(hào)選中此通訊通路。

（1）電能量RS485/232數(shù)據(jù)流，如圖2所示。

（2）ICP加速度傳感器，如圖3所示。

（3）電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，所以硬件電路設(shè)計(jì)要求電源模塊要有高可靠性，一般來(lái)說(shuō)都會(huì)采用冗余設(shè)計(jì)，AC供電，DC后備，兩者之間無(wú)間隙切換（圖4）。

5 結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)床振動(dòng)信號(hào)采集的ERTU硬件系統(tǒng)，通過(guò)在真實(shí)環(huán)境中驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王佳寧，宋曉南，樊瑞.基于FPGA的振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014（12）：41-44.

[2] 宗文俊，李旦，孫濤，等，機(jī)床振動(dòng)對(duì)高精度金剛石刀具研磨質(zhì)量的影響[J].航空學(xué)報(bào)，2005（3）：367-370.

[3] 車(chē)霞，鐘佩思，鹿洪榮，等，基于LabVIEW的機(jī)床振動(dòng)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2013（18）：164-168.

[4] 張龍，曾國(guó)英，趙登峰，等，機(jī)床振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，機(jī)床與液壓，2012（40）：71-73.

摘 要：該文設(shè)計(jì)了一種基于ERTU的機(jī)床振動(dòng)信號(hào)采集處理的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)ICP加速度傳感器采集模塊，存儲(chǔ)模塊，主系統(tǒng)模塊等，把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入ERTU系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采集和處理。

關(guān)鍵詞：ERTU系統(tǒng) 振動(dòng)信號(hào) ICP加速度傳感器 硬件

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）12（a）-0033-02

在機(jī)床切削加工過(guò)程中，機(jī)械振動(dòng)是一種極為有害的現(xiàn)象。由于振動(dòng)的產(chǎn)生，降低了工件加工表面的質(zhì)量，同時(shí)加劇了刀具和機(jī)床零件的磨損，有時(shí)甚至能造成切削工作不能正常進(jìn)行。因此在金屬機(jī)床切削工作過(guò)程中，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要。該文提出了基于振動(dòng)信號(hào)的ERTU硬件系統(tǒng)的研究。

1 ERTU系統(tǒng)的基本概況

電能量數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)方終端（ERTU）是電能量計(jì)量管理系統(tǒng)的重要組成部分。它通過(guò)RS-485或脈沖方式，采集各個(gè)計(jì)量點(diǎn)電表數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在終端，經(jīng)處理后，通過(guò)適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵧ǖ?，如以太網(wǎng)絡(luò)，語(yǔ)音MODEM，專(zhuān)線MODEM，光纖，GPRS等方式發(fā)送給遠(yuǎn)方主站。一個(gè)典型的ERTU主要由以下的模塊構(gòu)成：主系統(tǒng)模塊，通訊模塊（以太網(wǎng)，RS485，MODEM網(wǎng)卡），ICP加速度傳感器采集模塊，存儲(chǔ)模塊，顯示模塊（包括鍵盤(pán)設(shè)計(jì)），電源模塊，維護(hù)模塊（本地RS232通訊），如圖1所示。

除這些模塊之外，每個(gè)模塊都還有相對(duì)應(yīng)的保護(hù)功能，這些保護(hù)功能對(duì)于每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)要求不盡相同。

ERTU系工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，需要防磁、防震、防潮、防雷，并適用于變電站安裝。

圖1顯示的是ERTU的模塊組成，這個(gè)系統(tǒng)即可以看作是硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，也可以當(dāng)作軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)的軟硬設(shè)計(jì)是按照自上而下考慮的，硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短開(kāi)發(fā)和調(diào)試周期，降低開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。下面主要從硬件系統(tǒng)方面來(lái)分析ERTU的開(kāi)發(fā)。

2 ERTU硬件設(shè)計(jì)

在圖1中，可以看出主系統(tǒng)模塊是ERTU的核心，它不僅需要完成讀取、處理和存儲(chǔ)各種規(guī)約表計(jì)的大量數(shù)據(jù)，同時(shí)也需要處理RS485/232，以太網(wǎng)絡(luò)，MODEM等多方式、多主站通信，還需要解析IEC60870-5-102規(guī)約，液晶顯示和鍵盤(pán)設(shè)置維護(hù)等工作。這些復(fù)雜的功能要求終端必需具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，8/16位的CPU或者單片機(jī)是無(wú)法勝任這些要求的。顯然具有高性能的32位嵌入式CPU才是必然選擇。

一般而言，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為封閉式和開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)。封閉式體系結(jié)構(gòu)又稱為芯片級(jí)嵌入，其產(chǎn)品主要針對(duì)某種特定任務(wù)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，專(zhuān)用性較強(qiáng)，不依賴于某種總線標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)又被稱為板級(jí)嵌入，與封閉式體系結(jié)構(gòu)恰好相反，其設(shè)計(jì)立足于公開(kāi)的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。立足于開(kāi)放的總線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)者可以做出各類(lèi)模板級(jí)產(chǎn)品供用戶靈活選擇，如人機(jī)接口板、信號(hào)調(diào)理板、CPU板、模擬量I/O板和數(shù)字量 I/O板、系統(tǒng)支持板等。由于標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，用戶可以根據(jù)自身?xiàng)l件和實(shí)際情況選擇不同種類(lèi)和數(shù)量的功能模板，組合成相符合自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期，減小了開(kāi)發(fā)費(fèi)用，在實(shí)際生產(chǎn)中，嵌入式工業(yè)系統(tǒng)采用最多的就是這種嵌入方式。

除開(kāi)放和標(biāo)準(zhǔn)以外，嵌入式系統(tǒng)還具有以下特性。

（1）堅(jiān)固性。在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬切削機(jī)床的環(huán)境往往較差，多油污和鐵屑，在對(duì)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，設(shè)備自身必須能夠承受一定的振動(dòng)，插卡的固定能力要強(qiáng)，電源穩(wěn)定可靠，同時(shí)有良好的耐高溫能力。

（2）低的平均故障修復(fù)時(shí)間。為了節(jié)約維修時(shí)間和成本，將控制機(jī)去掉有源電路的背板，把功能分散到其它插板上，當(dāng)插板出現(xiàn)故障后，只需更換插板，就可以實(shí)現(xiàn)故障的維修。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，用戶逐漸從專(zhuān)用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基于標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)，設(shè)備的通用性和易用性得到提高，同時(shí)使得組件的維護(hù)更加方便。此外標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的產(chǎn)品容易從多個(gè)不同的供應(yīng)商那里得到，經(jīng)濟(jì)性得到體現(xiàn)。

一個(gè)成功的嵌入式系統(tǒng)模板硬件設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮以下方面。

（1）兼容性。嵌入式系統(tǒng)要做到和PC、MS-DOS、LINUX完全兼容，充分利用商用PC所積累的軟、硬件資源。

（2）克服總線數(shù)據(jù)寬度和速度瓶頸，產(chǎn)品升級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線雖然使得系統(tǒng)開(kāi)放，但也限制了處理器性能的發(fā)揮。常規(guī)的辦法是采用高性能總線，但這無(wú)疑會(huì)大幅度增加設(shè)計(jì)費(fèi)用和產(chǎn)品成本。這里筆者是采用集成模板和I/O總線設(shè)計(jì)方案，將局部高速總線和慢速系統(tǒng)總線相結(jié)合設(shè)計(jì)，把對(duì)速度要求高的CPU、存儲(chǔ)器、硬盤(pán)和需要高速訪問(wèn)的I/O接口等做在一塊集成模板上，把相對(duì)慢速的I/O部分放在總線上。

ERTU硬件系統(tǒng)所采用的是板級(jí)嵌入，主系統(tǒng)CPU板的選擇是ERTU嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，直接決定相應(yīng)的外圍系統(tǒng)模塊的開(kāi)發(fā)，硬件系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的平臺(tái)又影響著軟件的開(kāi)發(fā)，所以選擇合理的嵌入式主CPU板是ERTU系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)。目前在主系統(tǒng)板的市場(chǎng)上有兩大主流產(chǎn)品：X86系列，ARM9系列。筆者這里僅對(duì)X86主系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

X86微處理器（SCM-7020）SCM-7020選擇的是AMD Gedode GX1處理器，具有以下的特點(diǎn)。

①X86兼容64位微處理器，支持MMX指令系統(tǒng)，速度高達(dá)300 MHz。

②SVGA顯示接口支持CRT及TFT。

③在板內(nèi)最大可達(dá)128M。

④16KB L1回寫(xiě)緩存。

⑤支持軟驅(qū)、IDE硬盤(pán)。

⑥兩串一并口。

⑦USB1.1接口。

⑧在板10/100BaseT以太網(wǎng)接口。

⑨16位PC/104總線。

⑩PC/104兼容。

可見(jiàn)這款CPU的硬件資源非常豐富，幾乎不用擴(kuò)展就可以滿足ERTU的硬件資源要求。同時(shí)支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，如Wince、Ucos、Linux等。通過(guò)對(duì)CPU進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，這款微處理器的硬件資源可以滿足ERTU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求， Gedode GX1處理器支持PC/104系統(tǒng)，大部分的外部硬件資源都是通過(guò)PC/104來(lái)實(shí)現(xiàn)。值得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)注意的是選擇不同的嵌入式CPU，決定了系統(tǒng)主板的選擇、設(shè)計(jì)，也直接影響到外圍系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計(jì)。

3 ERTU完成振動(dòng)檢測(cè)的主要硬件結(jié)構(gòu)

ERTU硬件設(shè)計(jì)時(shí)，主要是由ICP傳感器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ICP傳感器是內(nèi)裝微型IC放大器的壓電加速度傳感器，它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能直接和記錄、顯示和采集設(shè)備連接，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，提高了測(cè)試精度和可靠性。

此外，為了便于現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)、升級(jí)，以及操作的方便，增加了顯示模塊，鍵盤(pán)設(shè)置模塊。此模塊的正常不會(huì)影響整個(gè)ERTU的工作，但是顯示和維護(hù)模塊可以提高ERTU操作的方便行，系統(tǒng)狀況的可見(jiàn)性。

4 ERTU硬件設(shè)計(jì)的考慮

RS485/232數(shù)據(jù)采集電能表數(shù)據(jù)（這里RS485/232可以通過(guò)硬件跳線來(lái)實(shí)現(xiàn)的），然后RS485/232電平轉(zhuǎn)換芯片將采集的數(shù)據(jù)RS485/232電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成TTL電平，接著進(jìn)行光耦隔離。再通過(guò)多路串口通訊芯片與主板進(jìn)行電氣連接，同時(shí)完成中斷請(qǐng)求，并通過(guò)系統(tǒng)片選信號(hào)選中此通訊通路。

（1）電能量RS485/232數(shù)據(jù)流，如圖2所示。

（2）ICP加速度傳感器，如圖3所示。

（3）電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，所以硬件電路設(shè)計(jì)要求電源模塊要有高可靠性，一般來(lái)說(shuō)都會(huì)采用冗余設(shè)計(jì)，AC供電，DC后備，兩者之間無(wú)間隙切換（圖4）。

5 結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)床振動(dòng)信號(hào)采集的ERTU硬件系統(tǒng)，通過(guò)在真實(shí)環(huán)境中驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王佳寧，宋曉南，樊瑞.基于FPGA的振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014（12）：41-44.

[2] 宗文俊，李旦，孫濤，等，機(jī)床振動(dòng)對(duì)高精度金剛石刀具研磨質(zhì)量的影響[J].航空學(xué)報(bào)，2005（3）：367-370.

[3] 車(chē)霞，鐘佩思，鹿洪榮，等，基于LabVIEW的機(jī)床振動(dòng)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2013（18）：164-168.

[4] 張龍，曾國(guó)英，趙登峰，等，機(jī)床振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，機(jī)床與液壓，2012（40）：71-73.

摘 要：該文設(shè)計(jì)了一種基于ERTU的機(jī)床振動(dòng)信號(hào)采集處理的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)ICP加速度傳感器采集模塊，存儲(chǔ)模塊，主系統(tǒng)模塊等，把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入ERTU系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采集和處理。

關(guān)鍵詞：ERTU系統(tǒng) 振動(dòng)信號(hào) ICP加速度傳感器 硬件

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）12（a）-0033-02

在機(jī)床切削加工過(guò)程中，機(jī)械振動(dòng)是一種極為有害的現(xiàn)象。由于振動(dòng)的產(chǎn)生，降低了工件加工表面的質(zhì)量，同時(shí)加劇了刀具和機(jī)床零件的磨損，有時(shí)甚至能造成切削工作不能正常進(jìn)行。因此在金屬機(jī)床切削工作過(guò)程中，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要。該文提出了基于振動(dòng)信號(hào)的ERTU硬件系統(tǒng)的研究。

1 ERTU系統(tǒng)的基本概況

電能量數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)方終端（ERTU）是電能量計(jì)量管理系統(tǒng)的重要組成部分。它通過(guò)RS-485或脈沖方式，采集各個(gè)計(jì)量點(diǎn)電表數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在終端，經(jīng)處理后，通過(guò)適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵧ǖ?，如以太網(wǎng)絡(luò)，語(yǔ)音MODEM，專(zhuān)線MODEM，光纖，GPRS等方式發(fā)送給遠(yuǎn)方主站。一個(gè)典型的ERTU主要由以下的模塊構(gòu)成：主系統(tǒng)模塊，通訊模塊（以太網(wǎng)，RS485，MODEM網(wǎng)卡），ICP加速度傳感器采集模塊，存儲(chǔ)模塊，顯示模塊（包括鍵盤(pán)設(shè)計(jì)），電源模塊，維護(hù)模塊（本地RS232通訊），如圖1所示。

除這些模塊之外，每個(gè)模塊都還有相對(duì)應(yīng)的保護(hù)功能，這些保護(hù)功能對(duì)于每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)要求不盡相同。

ERTU系工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，需要防磁、防震、防潮、防雷，并適用于變電站安裝。

圖1顯示的是ERTU的模塊組成，這個(gè)系統(tǒng)即可以看作是硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，也可以當(dāng)作軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)的軟硬設(shè)計(jì)是按照自上而下考慮的，硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短開(kāi)發(fā)和調(diào)試周期，降低開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。下面主要從硬件系統(tǒng)方面來(lái)分析ERTU的開(kāi)發(fā)。

2 ERTU硬件設(shè)計(jì)

在圖1中，可以看出主系統(tǒng)模塊是ERTU的核心，它不僅需要完成讀取、處理和存儲(chǔ)各種規(guī)約表計(jì)的大量數(shù)據(jù)，同時(shí)也需要處理RS485/232，以太網(wǎng)絡(luò)，MODEM等多方式、多主站通信，還需要解析IEC60870-5-102規(guī)約，液晶顯示和鍵盤(pán)設(shè)置維護(hù)等工作。這些復(fù)雜的功能要求終端必需具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，8/16位的CPU或者單片機(jī)是無(wú)法勝任這些要求的。顯然具有高性能的32位嵌入式CPU才是必然選擇。

一般而言，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為封閉式和開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)。封閉式體系結(jié)構(gòu)又稱為芯片級(jí)嵌入，其產(chǎn)品主要針對(duì)某種特定任務(wù)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，專(zhuān)用性較強(qiáng)，不依賴于某種總線標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)又被稱為板級(jí)嵌入，與封閉式體系結(jié)構(gòu)恰好相反，其設(shè)計(jì)立足于公開(kāi)的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。立足于開(kāi)放的總線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)者可以做出各類(lèi)模板級(jí)產(chǎn)品供用戶靈活選擇，如人機(jī)接口板、信號(hào)調(diào)理板、CPU板、模擬量I/O板和數(shù)字量 I/O板、系統(tǒng)支持板等。由于標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，用戶可以根據(jù)自身?xiàng)l件和實(shí)際情況選擇不同種類(lèi)和數(shù)量的功能模板，組合成相符合自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期，減小了開(kāi)發(fā)費(fèi)用，在實(shí)際生產(chǎn)中，嵌入式工業(yè)系統(tǒng)采用最多的就是這種嵌入方式。

除開(kāi)放和標(biāo)準(zhǔn)以外，嵌入式系統(tǒng)還具有以下特性。

（1）堅(jiān)固性。在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬切削機(jī)床的環(huán)境往往較差，多油污和鐵屑，在對(duì)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，設(shè)備自身必須能夠承受一定的振動(dòng)，插卡的固定能力要強(qiáng)，電源穩(wěn)定可靠，同時(shí)有良好的耐高溫能力。

（2）低的平均故障修復(fù)時(shí)間。為了節(jié)約維修時(shí)間和成本，將控制機(jī)去掉有源電路的背板，把功能分散到其它插板上，當(dāng)插板出現(xiàn)故障后，只需更換插板，就可以實(shí)現(xiàn)故障的維修。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，用戶逐漸從專(zhuān)用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基于標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)，設(shè)備的通用性和易用性得到提高，同時(shí)使得組件的維護(hù)更加方便。此外標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的產(chǎn)品容易從多個(gè)不同的供應(yīng)商那里得到，經(jīng)濟(jì)性得到體現(xiàn)。

一個(gè)成功的嵌入式系統(tǒng)模板硬件設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮以下方面。

（1）兼容性。嵌入式系統(tǒng)要做到和PC、MS-DOS、LINUX完全兼容，充分利用商用PC所積累的軟、硬件資源。

（2）克服總線數(shù)據(jù)寬度和速度瓶頸，產(chǎn)品升級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線雖然使得系統(tǒng)開(kāi)放，但也限制了處理器性能的發(fā)揮。常規(guī)的辦法是采用高性能總線，但這無(wú)疑會(huì)大幅度增加設(shè)計(jì)費(fèi)用和產(chǎn)品成本。這里筆者是采用集成模板和I/O總線設(shè)計(jì)方案，將局部高速總線和慢速系統(tǒng)總線相結(jié)合設(shè)計(jì)，把對(duì)速度要求高的CPU、存儲(chǔ)器、硬盤(pán)和需要高速訪問(wèn)的I/O接口等做在一塊集成模板上，把相對(duì)慢速的I/O部分放在總線上。

ERTU硬件系統(tǒng)所采用的是板級(jí)嵌入，主系統(tǒng)CPU板的選擇是ERTU嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，直接決定相應(yīng)的外圍系統(tǒng)模塊的開(kāi)發(fā)，硬件系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的平臺(tái)又影響著軟件的開(kāi)發(fā)，所以選擇合理的嵌入式主CPU板是ERTU系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)。目前在主系統(tǒng)板的市場(chǎng)上有兩大主流產(chǎn)品：X86系列，ARM9系列。筆者這里僅對(duì)X86主系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

X86微處理器（SCM-7020）SCM-7020選擇的是AMD Gedode GX1處理器，具有以下的特點(diǎn)。

①X86兼容64位微處理器，支持MMX指令系統(tǒng)，速度高達(dá)300 MHz。

②SVGA顯示接口支持CRT及TFT。

③在板內(nèi)最大可達(dá)128M。

④16KB L1回寫(xiě)緩存。

⑤支持軟驅(qū)、IDE硬盤(pán)。

⑥兩串一并口。

⑦USB1.1接口。

⑧在板10/100BaseT以太網(wǎng)接口。

⑨16位PC/104總線。

⑩PC/104兼容。

可見(jiàn)這款CPU的硬件資源非常豐富，幾乎不用擴(kuò)展就可以滿足ERTU的硬件資源要求。同時(shí)支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，如Wince、Ucos、Linux等。通過(guò)對(duì)CPU進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，這款微處理器的硬件資源可以滿足ERTU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求， Gedode GX1處理器支持PC/104系統(tǒng)，大部分的外部硬件資源都是通過(guò)PC/104來(lái)實(shí)現(xiàn)。值得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)注意的是選擇不同的嵌入式CPU，決定了系統(tǒng)主板的選擇、設(shè)計(jì)，也直接影響到外圍系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計(jì)。

3 ERTU完成振動(dòng)檢測(cè)的主要硬件結(jié)構(gòu)

ERTU硬件設(shè)計(jì)時(shí)，主要是由ICP傳感器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ICP傳感器是內(nèi)裝微型IC放大器的壓電加速度傳感器，它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能直接和記錄、顯示和采集設(shè)備連接，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，提高了測(cè)試精度和可靠性。

此外，為了便于現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)、升級(jí)，以及操作的方便，增加了顯示模塊，鍵盤(pán)設(shè)置模塊。此模塊的正常不會(huì)影響整個(gè)ERTU的工作，但是顯示和維護(hù)模塊可以提高ERTU操作的方便行，系統(tǒng)狀況的可見(jiàn)性。

4 ERTU硬件設(shè)計(jì)的考慮

RS485/232數(shù)據(jù)采集電能表數(shù)據(jù)（這里RS485/232可以通過(guò)硬件跳線來(lái)實(shí)現(xiàn)的），然后RS485/232電平轉(zhuǎn)換芯片將采集的數(shù)據(jù)RS485/232電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成TTL電平，接著進(jìn)行光耦隔離。再通過(guò)多路串口通訊芯片與主板進(jìn)行電氣連接，同時(shí)完成中斷請(qǐng)求，并通過(guò)系統(tǒng)片選信號(hào)選中此通訊通路。

（1）電能量RS485/232數(shù)據(jù)流，如圖2所示。

（2）ICP加速度傳感器，如圖3所示。

（3）電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，所以硬件電路設(shè)計(jì)要求電源模塊要有高可靠性，一般來(lái)說(shuō)都會(huì)采用冗余設(shè)計(jì)，AC供電，DC后備，兩者之間無(wú)間隙切換（圖4）。

5 結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)床振動(dòng)信號(hào)采集的ERTU硬件系統(tǒng)，通過(guò)在真實(shí)環(huán)境中驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王佳寧，宋曉南，樊瑞.基于FPGA的振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014（12）：41-44.

[2] 宗文俊，李旦，孫濤，等，機(jī)床振動(dòng)對(duì)高精度金剛石刀具研磨質(zhì)量的影響[J].航空學(xué)報(bào)，2005（3）：367-370.

[3] 車(chē)霞，鐘佩思，鹿洪榮，等，基于LabVIEW的機(jī)床振動(dòng)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2013（18）：164-168.

[4] 張龍，曾國(guó)英，趙登峰，等，機(jī)床振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，機(jī)床與液壓，2012（40）：71-73.