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基于PC/104总线的数据采集系统设计及应用 |
| 摘 要：在简要介绍了嵌入式PC/104总线标准的基础上，讨论了基于该总线构建的数据采集系统及其在机械加工设备状态监测中的应用。本文对数据采集系统的组成、软硬件设计、功能特点等方面进行了叙述和讨论。 关键词：PC/104; 数据采集系统;加工设备状态监测 0. 引言 自90年代以来，PC总线成为最为普及的总线标准之一，其应用已从台式个人计算机扩展到工业控制、仪器仪表等领域。采用PC总线标准进行的系统的开发虽然可以获得大量的软件支持，但存在体积庞大、功耗高等缺点。为解决这一矛盾，1987年有关厂家推出了PC/104总线模块。随着基于PC/104总线系统的推广应用，PC/104总线逐渐成为嵌入式PC机的机械标准，其秉承了IBM-PC开放式总线结构的优点，与IBM-PC机完全兼容，具备体积小（96＊90mm栈接式结构）、低成本、高可靠性、长寿命、工作范围宽、编程调试方便、外围模块齐全等优点，所以在测试领域基于PC/104的智能仪器得到了广泛应用, PC/104系列产品已广泛应用于通信设备、车辆导航、工程控制等各种领域。本文重点介绍了基于PC/104总线构建的数据采集系统及在机械加工设备状态监测中的应用。 1. PC/104在机械加工设备状态监测系统中的应用 随着现代机械加工设备的日趋高速、高能、大型化、自动化、连续化和集成化，设备一旦发生故障且未能及时发现和排除，会带来不可估量的损失。机械加工设备状态监测技术有相当大的实用价值，可为设备预知维修提供基础资料和数据，为故障的诊断和预防提供简便、快捷的手段，对设备的科学管理和减少维修费用，提高设备的可靠性和维修性具有极大的意义。基于PC/104总线及系列模块构建的数据采集系统，作为机械加工设备状态监测系统的数据采集器，具有便携式特性，可作为设备巡检仪器，主要完成工业现场设备状态信息的获取，对信号进行实时分析。当设备出现异常，自动报警。 2. 数据采集系统硬件组成 数据采集是机械加工设备状态监测系统必不可少的一部分，它是联接最前端的传感器和数据处理到显示打印输出等的重要部分。本文介绍的是基于PC/104嵌入式模块构建的便携式的数据采集系统,它内有通用CPU、数据采集模块、内存和高速硬盘,预装完整的Windows操作系统，不仅如此，内置的100M以太网卡可将数据通过Internet传送到世界上的任何地方,实际上它不仅能够进行数据采集,而且实现了计算机的功能,包括联网、打印等,可以把它简单地看成一个计算机控制的数据采集系统。 本文所涉及的便携式数据采集系统采用PCM-3370模块、PCM-3718HG采集卡构建了多通道的信号采集系统，实现多通道的数据采集、处理和实时显示。整个系统由电源模块供电。其中PCM-3370模块作为主机，PCM-3718HG模块集成采集卡完成信号的采样，且采样频率可在小于100kHZ的范围内任意设定;显示器可用标准CRT显示器，也可用平板显示器;键盘采用PC/104专用键盘。系统的总体结构如图1所示  图1系统结构总体框图 3. 数据采集系统的软件组成与设计 由于该系统采用微机控制，软件设计是必须的。系统硬件也只有在软件控制下运行。 使用的操作系统是WindowsXP，因为Windows是多任务操作系统，功能十分强大，用Windows操作系统开发的仪器具有优良的界面，而且很多生产厂商都为PC/104的外围模块提供了与Windows系统相对应的驱动程序，越来越多的基于PC/104的系统开发采用Windows系统作为平台。而LabVIEW是美国NI公司开发的一种非常优秀的图形化编程语言，它具有美观的用户交互界面、良好的实时性和强大的信号分析处理功能以及灵活的可扩充性,因此选用LabVIEW软件作为系统实现的技术平台，为高效地搭建信号采集及分析系统提供了彻底的解决方案。 便携式数据采集系统软件的设计思想是采用模块化式的设计，应用程序主要包括几大模块:数据采集、数据显示、数据传送、数据接收、数据存储和数据处理模块（如图2所示）。  图2程序框图 采集程序的信号由传感器拾取，经电荷放大器后，通过PCM-3718HG数据采集卡，即可实现对数据的采集。将得到的原始数据在时域显示，然后存储或者通过DataSocket直接传给数据信号处理模块。采集程序及信号处理程序以LabVIEW为开发平台。采集程序及处理程序如图3、图4所示：  图3 数据采集系统前面板 程序实现功能： （1） 参数设置功能：系统具有强大的设置功能，可以对采集的通道数、采样频率、增益、缓冲区大小、报警上下限等进行设置。 （2） 采集控制功能：可手动控制程序采集，同时可通过程序进行连续采集和定时采集。 （3） 波形显示功能：能实时显示单通道或多通道趋势图，对设备状态进行实时监测。 （4） 数据分析功能：由于采集到的信号蕴含了设备状态变化和故障特征的丰富信息，信号处理是提取特征信息的主要手段，通过信号处理可以实现时域和频域的互换，并且通过联合时频分析，可以揭示出信号中的某些实质性的问题，因此本系统采用时域、频域及联合时频等分析方法对信号进行分析处理，以提取有用的特征量。 （5） 报警功能：可任意设置各通道上下限的阈值，当采集的数据超过限制可自动报警，以提示现场工作人员设备运行出现异常，及时采取措施。 （6） 故障预测：系统可根据对采集数据的处理提取反映设备运行状态的特征量，根据特征量来预测设备以后的运行状态的变化趋势。 （7） 故障诊断：当发生报警后，系统对发生故障的通道进行诊断，给出可能发生故障的类型。 （8） 自动存储打印功能：将采集到的设备运行状态的正常数据及报警时的异常数据，以当前系统时间为文件名存储为二进制文件，也可以以表格形式存进数据库，可生成报表打印。便于对数据进行查询，分析及处理。为加工设备状态监测提供数据资料。 （9） 数据通信功能：可利用网络接口，通过DataSocket进行远程通信，将数据传输到远程计算机，用户可以不在现场就可以监测到现场的设备运行状态，同时在远程端可对数据进行分析。  图4 数据处理程序前面板 4. 结束语 作者的创新点：该系统是运用当今主要工业控制计算机技术-嵌入式PC/104总线结构及其扩展模块设计的数据采集系统，由于PC/104模块具有独特的堆叠式总线扩展方式、体积小、功耗低、可靠性高等特点，因此该采集系统具有便携性，克服了传统PC机的缺点。其次采集系统以LabVIEW为开发平台，其人机界面友好，功能强大;开发效率高、可维护性强;测试精度、稳定性和可靠性能得到充分保证;具有很高的性能价格比，节省投资。适合测控领域的计算机编程。 该系统已经在磨床加工设备状态监测中经过实际调试，对多路数据采集、处理及传输，对采集控制、采集速度、异常处理报警等都进行了测试。可为加工设备状态监测提供基础资料和数据，保证加工系统的稳定性和安全性。 |