基于SoC微控制器的手持式测振仪

　　1　总体方案和微控制器

　　振动诊断是机械故障诊断的一种有效手段。振动诊断主要是利用测振仪器对确定性振动的基本振动参量(加速度、速度和位移)的测量与分析来实现。随着电子技术、传感器技术和计算机技术的飞速发展,通过新技术和新理论的使用,仪器仪表正朝着小型化、智能化方向发展。本文采用美国Silicon Labo-ratories的C8051F320混合信号片上系统(SoC: Sys-temon Chip)单片机,开发手持式测振仪。仪器主要由加速度传感器、程控放大、前置滤波、积分电路、微控制器及其外围部件等组成,其总体结构如图1所示。

　　Silicon Laboratories的C8051FXXX系列是一个全集成混合信号片上系统单片机。它将CIP51核、存储器、USB控制器、A/D转换器等系统功能模块集成在一个芯片上,形成真正的片上系统,减少了由于硬件电路布线不合理而引入的干扰,增强了开发仪器的精度、稳定性和可靠性,为手持式测振仪的研究开发提供了前提条件。

　　微控制器的CIP-51内核采用流水线结构,最高运行速度可达25MIPS;CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容,支持JTAG接口在线调试,程序开发调试方便;3 V供电电压,可以用软件关断外设以节省功耗,满足测振仪的低功耗要求;集成200 ksps的单端/差分ADC,使数据采集更稳定;引入交叉开关概念,使I/O口功能可以通过软件灵活设置,为扩展存储器创造了条件;集成符合USB2.0规范的USB控制器,方便通信接口设计;芯片采用32脚LQFP封装,体积小,符合手持式设计的要求。

　　2　放大滤波电路

　　振动传感器的输出,需经放大和抗混频滤波等处理后,调理为符合A/D转换要求的电压信号,送入微控制器的片内集成A/D转换器中,进行模数转换,完成数据采集。虽然压电晶体加速度传感器能够将振动加速度转换成电荷输出,并且具有较高的灵敏度、频带和精确度。但必需配备电荷放大器才能将电荷转换成电压输出。这对于手持式测振仪来说,体积、功耗偏大。所以,采用了内置集成电路的ICP(Integrated Circuit Piezoelectric)加速度传感器。传感器与测振仪主机采用分体式结构,在主机上留有外接传感器的接口。传感器采用恒流源供电,供电电缆和信号输出共用一根导线。传感器的输出送入PGA205进行进一步的放大,以与模数转换适配。PGA205是美国BB公司推出的仪表放大器,通过数字控制端A0、A1的不同组合,可实现×1、×2、×4、×8倍的程控增益。测振仪中PGA的放大倍数的选择由微控制器的P0.0和P0.1来控制。

　　滤波器采用MAXIM公司生产的8阶巴特沃斯低通开关电容型滤波器芯片MAX291,电容器的截止频率可以由外部时钟输入得到,也可以通过外接电容由芯片内部集成的时钟振荡器得到。为了根据需要方便地对截止频率进行调整,芯片时钟输入通道C8051F320的可编程计数器阵列(PCA:Programma-ble Counter Array)得到。可编程计数器阵列提供增强的定时器功能,与标准8051的计数器/定时器相比,它需要较少的CPU干预。PCA由一个专用的16位计数器/定时器和5个16位捕捉/比较模块组成。