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基于STM32的数据采集系统设计
摘要
机械设备故障的早期检测是工业界最关心的问题之一。为了监测旋转机械的有效性，我们开发了 一个基于STM32微型信号采集系统。给出了系统的整体设计方案。利用多路振动信号 旋转轴的轴X、Y、Z可以快速获取并实时显示。我们的系统具有结构简单，低功耗，小型化的特点。
1.介绍
旋转机械振动的实时采集可以有效地预测、评估和诊断设备运行状态，得到振动数据的快速采集和实时分析可以监控旋转机械状态，保证设备安全运行。为了防止故障，减少维护时间，提高经济效益，故障诊断系统可以通过旋转机械的振动信号采集来检测这些装置，并对数据进行处理，然后及时判断设备的运行状态。而数据采集模块 是故障诊断系统的核心部分。工业领域的实际应用，是将获取设备运行参数以监控设备运行状态。在传统数据采集系统中，来自采集卡的数据通常被发送到计算机和特定的软件中用于数据采集。本文的STM32平台采用的ARM技术，已经成为嵌入式系统中的传统主流技术，并且数据采集朝着高实时、多参数、高精度的方向发展，而数据存储变得更大容量、更小型化、更便携，并且发展了多种通信模式和长距离的数据传输。从而满足实际的采集系统多任务的需求，本文的信号采集系统的新颖之处在于设计了一种基于STM32的微型信号采集系统。
2.数据采集系统的体系结构
数据采集作为监控设备的关键技术，近年来已经做了大量的工作。一 优化设计了基于现场可编程门阵列的嵌入式并行数据采集系统，合理划分和分配高速和低速模数。它使用了高速模数转换器用于数据采集和处理的转换器Stratix II系列现场可编程门阵列，其主要贡献是该系统采用紧凑型外设互连，具有模块化、坚固性和可扩展性的特点 。但是在特殊情况下需要远程控制。基于嵌入式操作系统平台的远程采集和设计采用GPRS无线技术的控制系统。为了实现多用户的数据共享，它用ARM9建立了嵌入式动态网站，用于数据采集管理和传播 和Linux操作系统。基于ARM7微处理器设计了一种数据采集终端设备LPC2290和嵌入式解决实时采集的多信道小信号和多信道传输。另一方面，两个并行的基于数字信号处理器的系统专用于旋转机器上的数据采集，内部信号调节器用于调整传感器输出到采集的输入范围，然后由设计软件进行信号后处理，虽然最常见的结构是使用基于DAS和现场可编程门阵列的，但这些程序也依赖于DAS成本。
为了满足低功耗、低成本和移动性的市场需求，本文图1 给出了数据采集系统的设计总体结构图。通过串行接口系统得到用三轴加速度传感器采集的数据，然后输入STM32控制器进行内部模数转换，模块具有12位，该过程是无干扰并行采集。我们的系统使用240x400液晶显示器，触摸屏模块实时显示采集的数据。
图1.系统硬件框架
2.1.STM32微控制器
我们系统中的处理器采用32位RISC STM32F103VET6。与类似产品相比STM32F103VET6工作频率为72MHZ，具有性能强、功耗低、实时数据、低成本的特点。处理器包括:512K闪存，64K静态随机存取存储器，它将使用五个串行端口，包含一条CAN总线、一个USB2.0从模式和一个以太网接口，还有两个还包括RS232端口。本文中的系统通过SPI总线接口，在收集大量数据时，它将被视为临时存储器具有12位分辨率的模数转换器，最快的转换速度可达1us，满量程为3.6 V系统。除设计系统电源电路外，复位电路、实时时钟电路和GPIO端口要保证系统需要和正常运行。
2.2 .数据采集
机器状态是否正常主要取决于振动信号。在本文中，要获取旋转机械转子的振动数据，我们使用了振动加速度传感器MMA7455L 可以从自由尺度的x轴、y轴和z轴收集数据。振动加速度的种类换能器具有成本低、体积小、灵敏度高、动态范围大、体积小、抗干扰的优点。MMA7455L主要由重力传感单元和信号调理电路组成，这个传感器将在信号预处理前放大微小的数据。在系统的数据采集过程中，采样阶段的误差主要是由量化引起的，当我们将最大电压视为最大电压时，误差取决于模数转换器的位数。模数转换器的位数为n，量化系数为最大值/2n，则量化误差一致分布在[- q / 2，q / 2]。
（1）
（2）
（3）
（4）
是平均误差，是方差，是信噪比。
本文设计的STM32最多可以构建三个12位并行模数转换器，其理论指标为 72dB，实际动态范围在54到60dB之间，而2或3位受噪声影响，动态测量范围可达60dB的1000倍。对于绝大多数振动信号来说10kHZ的最大采样率可以满足实际需求，采集频率一般用于8-12位模数转换器，因此这项工作是选择一个内置的采集精度高，成本低的12位模数转换器来满足本实验振动信号。
2.3 .存储和显示
我们设计了64K * 12位片上容量的系统，需要实时数据采集SRAM。过程是三轴加速度传感器系统通过SPI接口，当接收到采集请求时，它将开始收集数据，然后通过直接存储器存取并存储在静态随机存取存储器芯片中，直到数据缓冲器充满，它向中央处理器和中央处理器发送中断信号，先进先出读取所有通道数据，然后将结果直接显示在液晶显示器上。我们的系统能够快速、实时、高效地收集原始数据并可视化显示。
软件设计
C/OS-Ⅱ的移植
为了保证数据采集的实时性和安全性要求，在该系统中，一种RTOS 源代码是开放的，并且很小。它也可以很容易地被切割、重新填充和固化 基本功能包括任务管理和资源管理、存储管理和系统管理层。RTOS嵌入式系统可以支持64项任务，最多56项用户任务，以及以下4项任务最高和最低优先级将保留在系统中。分配任务的优先级 根据它们的重要性，操作系统从优先级顺序和每个任务中执行任务 有独立的优先权。操作系统内核精简，多任务功能良好与其他处理器相比，它可以移植到8位到64位的处理器上。系统中的移植是修改三个文件系统结构。主操作系统移植程序如下:
A.OS_CPU_C.H
它定义了处理器中堆栈的数据类型、长度和增长方向。因为不同 具有碳/操作系统二移植微处理器包括一系列类型定义 以确保其可移植性，并将代码修订如下:
typedef unsigned char BOOLEAN;
typedef unsigned char INT8U;
typedef signed char INT8S;
typedef unsigned short INT16U;
typedef signed short INT16U;
typedef unsigned int INT32U;
typedef signed int INT32S;
typedef float FP32;
typedef double FP64;
typedef unsigned int OS_STK;
typedef unsigned int OS_CPU_SR;
皮质-M3处理器将操作系统输入关键()和操作系统输出关键()定义为开放和关闭中断，它们必须设置为堆栈操作系统STK和中央处理器寄存器长度的32位。此外，这已经定义了堆栈指针从高地址到低地址的堆栈增长方向。
B. OS_CPU.C
要根据处理器修改函数OSTaskStkInit()，剩下的九个用户界面函数和钩子函数可以是空的，没有特殊要求，它们将为这些函数生成代码仅当操作系统文件中的操作系统设置为1时才起作用，函数OSTaskStkInit()返回堆栈指针的新顶部。
OS_CPU_A.ASM
大多数移植工作都是在这些文档中完成的，并修改了以下功能。 OsStartHighRdy()用于运行优先级最高的就绪任务，它将负责堆栈指针从TCB控制块的最高优先级任务，恢复中央处理器，然后由用户开始控制该过程。
OSCtxSw()用于任务切换，当当前任务就绪队列中有较高优先级的任务时，中央处理器 将启动OSCtxSw()任务切换以运行优先级较高的任务和任务堆栈中存储的当前任务。
OSIntCtxSw()与OSIntSw()具有类似的功能，以确保的实时性能系统，当中断到来时，它将直接运行较高优先级的任务，并且不会存储当前任务。 OSTickISR ()用于处理时钟中断，需要中断来安排其实现当更高优先级的任务正在等待时钟信号时，完成操作系统中央处理器服务请求保存和操作系统中央处理器服务请求恢复以切换中断保留关键代码，这两个功能都由关键保护功能操作系统输入实现和操作系统退出实现。
上述工作完成后C/OS-Ⅱ可以在处理器上运行。
.软件体系结构
图2示出了系统软件体系结构，以便显示可视化的数据被移植到系统中，我们的系统包含了数据采集、数据传输、液晶显示等六项任务显示器、触摸屏驱动程序、按键接口。首先，我们应该设定任务优先级和基于优先级的任务调度。它需要在数据采集，如模数驱动器、触摸屏驱动器和系统初始化，同时初始化包括:硬件平台初始化、系统时钟初始化、中断源配置、GPIO端口配置、串行端口初始化和参数配置以及液晶显示器初始化。过程是信道模块向广告信道发送采样命令，然后通知接收机模块它已经被发送样本开始命令后，接收器模块准备接收，大量数据将存储在存储器中模块完成第一次采样后，通道模块将发送完整的命令 采样到接收器模块，接收器向存储模块发送中断请求以停止数据存储后，数据将显示在液晶触摸屏上。如图3所示的数据采集过程
图2系统软件架构
图3流程图数据采集软件架构
实验
嵌入式系统的实验已经完成，数据采集来自于 MMA7455L，安装在旋转机械的工作台上。数据采集显示为如图4和图5所示，系统可以选择三个通道来从这三个通道中收集振动信号。在本文中，采样频率为5KHZ 同一通道不平衡状态下正常状态的振动信号。结果表明，我们的系统能够显示实时数据采集，快速预测初步诊断。
图4正常数据采集 图5不正常数据采集
结论
本文根据机械设计原理，设计了一种嵌入式实时信号采集系统，来检测旋转机器中的高频率出现故障。该系统基于低成本的微控制器，振动信号由三轴加速度传感器拾取，该传感器具有以下优点：低成本、高灵敏度。从x轴、y轴和z轴采集数据硬件结构，并分析了数据采集模块的工作原理。提议的系统实现数据任务管理和调度，结构紧凑，成本低，此外，系统还实时采集旋转机械的振动信号并进行分析，然后快速给出诊断结果。
感谢
这项工作得到了中国国家自然科学基金(51175169)的支持；中华民族 Ramp;D关键技术计划(2012 BAF 02 B01)；湖南省计划科技项目 羊(2009 FJ 4055)；湖南省教育厅科研基金(10K023)。
参考文献
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