【正文】 10CH5GND1111CH7GND 波型值路徑主要是檢測(cè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)，所以A/D的要求沒有那么高，這里設(shè)計(jì)直接采用微處理器DSP集成上的A/D轉(zhuǎn)換模塊。這里設(shè)計(jì)使用的是單信號(hào)。數(shù)據(jù)的傳輸以及通道的選擇是在兩個(gè)轉(zhuǎn)換過程之間完成的。而芯片的數(shù)字通信采用SPI的方式。CS/CONV是芯片的片選信號(hào)，同時(shí)它還可以用來驅(qū)使ADC的轉(zhuǎn)換。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖314所示圖314 LTC1867功能框圖如圖所示，CHOCH7為模擬輸入管腳，其中CH7/COM可以作為一個(gè)單一的通道或者作為一個(gè)公共的負(fù)端輸入管腳。采樣率為100ksps時(shí)。圖313 AD536A功能框圖LTC1867[29]是一款8通道的16bitA/D轉(zhuǎn)換器，其采樣率最高可到2OOksps，信噪比可達(dá)89dB。對(duì)于有效值為1V以上的電平信號(hào)，其測(cè)量范圍可達(dá)2M。它所具有的振幅因素補(bǔ)償能力，可以使振幅因素在達(dá)到7時(shí)還能保持1%的測(cè)量誤差。它可以直接計(jì)算任何包含直流和交流信號(hào)的復(fù)雜波形的有效值。后級(jí)為高精度A/D轉(zhuǎn)換，選用了凌特公司的 LTC1867芯片。，且同步數(shù)據(jù)采集時(shí)每路信號(hào)通道速度可達(dá)到1O0kps。 A/D變換部分A/D變換模塊在模數(shù)混合電路中是連接模擬和數(shù)字的橋梁，AD芯片是數(shù)據(jù)采集卡中的核心部分，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作性能與采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圖312 LTC1066抗混疊濾波器連接圖上圖中FCLK是LTCI066的抗混疊時(shí)鐘輸入端，此種工作模式下抗混疊時(shí)鐘的截止頻率FO與FCLK的關(guān)系為FCLK:FO為50:1。本設(shè)計(jì)中 LTC1066配置為橢圓濾波器，即第8腳接V+。與其它濾波芯片相比，LTC1066有著很小的輸出失調(diào)電壓，因而可以滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集的需求。為了防止信號(hào)混疊現(xiàn)象，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常常加入抗混疊濾波電路。電路中PGA3—PGAO為本放大電路的程控端，用于選擇放大電路的放大倍率，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表32。信號(hào)放大電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3—11所示。設(shè)計(jì)中采用了高精度運(yùn)算放大器芯片LTC205高精度電阻與多路模擬開關(guān)共同構(gòu)成的同向放大器實(shí)現(xiàn)?；诖朔矫婵紤]，每塊數(shù)據(jù)采集卡中的信號(hào)調(diào)理電路中都加入了程控放大電路，它可以根據(jù)用戶的實(shí)際需要與振動(dòng)信號(hào)幅值進(jìn)行設(shè)置，能夠方便地調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。(2)放大電路:針對(duì)不同類型的監(jiān)測(cè)對(duì)象，傳感器輸出的電信號(hào)也各不相同。LFPLFPLFP3與LFPLFPLFP0這兩組控制引腳為2個(gè)多路模擬開關(guān)的通道選擇信號(hào)，用于選擇使用的低通濾波器截止頻率。前級(jí)二階低通為固定截止頻率濾波器，后級(jí)二階低通濾波器截止頻率可由用戶自行選擇。信號(hào)調(diào)理電路中低通濾波部分選用了可由用戶配置的巴特沃斯低通濾波器。當(dāng)AVDAVD2為10時(shí)，使用四階高通濾波器，其截止頻率為529Hz，1kHz時(shí)信號(hào)幅值衰減達(dá)95%。當(dāng)AVDAVD2為00時(shí)，信號(hào)調(diào)理中不使用高通濾波器。模擬開關(guān)選用了美國(guó)MAXIM公司的高性能模擬開關(guān)芯片DG409，這種芯片具有極低的導(dǎo)通電阻，保證了模擬信號(hào)不受影響。波形值路徑調(diào)理模塊設(shè)計(jì):(l)高/低通濾波電路:在波形值路徑中，用戶可根據(jù)需求選擇不使用高通濾波器、使用二階高通濾波與使用四階高通濾波等效果，各濾波器的濾波截止頻率也各不相同。外部調(diào)零是基于將可調(diào)的電壓和電流注入到電路中，以補(bǔ)償電路的失調(diào)誤差。因?yàn)樵撾娐穬H在某一有限頻率范圍內(nèi)近似一個(gè)積分器的特性，所有稱它為有損耗積分器。它的高頻漸近線是一條斜率為20dB/dec的直線，并通過單位增益頻率。因此就稱為直流增益。具體的說，這個(gè)電路工作如下。令1/Z2=(R2Cs+l)/R2，給出H(s)=Z2/R1，或者H(s)=R2/(R2Cs+l)R1，指出一個(gè)實(shí)數(shù)極點(diǎn)在s=1/R2C。其電路圖和伯德圖如圖310所示。由于在低頻域|Zc|遠(yuǎn)大于R而具有極高的增益，它將趨于飽和，實(shí)際上這正是由于所謂的運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)誤差引起的。由于電容器是在反饋路徑中，所以也稱為米勒積分器，同時(shí)也被稱為反向積分器，其傳遞函數(shù)為H(s)=1/RCs。隨著充電過程的延續(xù)，電容電壓增高，充電電流減小，輸出電壓就越來越偏離理想積分器的響應(yīng)特性。若RC的乘積取值足夠大，外加電壓時(shí)電容器上的電壓只能緩慢上升。低通濾波部分如圖39所示圖38高通濾波電路圖39低通濾波電路(3)積分電路:積分電路是使輸出電壓與輸入電壓的時(shí)間積分值成比例的電路。信號(hào)調(diào)理電路在設(shè)計(jì)中加入了巴特沃斯濾波器，用以去除信號(hào)中的干擾。而有源濾波器是通過運(yùn)算則可以有效地消除以上不足，得到了廣泛的應(yīng)用，但有源濾波器較無源濾波器有著較大的噪聲。模擬濾波器可以分為有源濾波器與無源濾波器兩科。(2)高/低通濾波電路:在數(shù)據(jù)采集過程中，被測(cè)信號(hào)中經(jīng)常會(huì)混有高頻或低頻干擾信號(hào)，對(duì)有用信號(hào)造成干擾，進(jìn)而影響到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度。電容IC101作為電源級(jí)間電容，提供一定得濾波功能。圖36包含了振動(dòng)加速度傳感器的供電電路。圖36中電阻IR104和IR105以及運(yùn)放TL064組成了基本的同相比例放大器，把有加速度壓電傳感器采集到的微小狀態(tài)值電信號(hào)放大到可供后級(jí)處理的幅值。這部分調(diào)理電路較為簡(jiǎn)單，主要包括信號(hào)去直流分量、信號(hào)增益與信號(hào)保護(hù)電路三部分。圖36 調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖狀態(tài)值路徑調(diào)理模塊設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)中印刷電路板上集成了4路狀態(tài)值信號(hào)，他們?yōu)橥耆溺R像電路，這里我們以其中一條通路為例介紹其硬件設(shè)計(jì)。由傳感器發(fā)出的信號(hào)通用要經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后才能由A/D芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，較為常用的模擬信號(hào)調(diào)理電路主要包括信號(hào)激勵(lì)、隔離、放大、濾波、線性化等等。信號(hào)調(diào)理簡(jiǎn)介:在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理是對(duì)傳感器發(fā)出的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)行信號(hào)電平、極性、幅值轉(zhuǎn)換，使之與A/D轉(zhuǎn)換器所需的電平極性相一致[27]。除此之外，它的連接電纜也不會(huì)很長(zhǎng)，過長(zhǎng)的電纜線會(huì)使電荷量出現(xiàn)較大衰減。放大器有兩種形式:一種是電壓放大器，另一種是電荷放大器。為了便于應(yīng)用，在壓電元件輸出和測(cè)量電路之間配接了一個(gè)放大器，起作用是把壓電元件微弱的信號(hào)放大。凡為極板間的絕緣電阻。其中Q是壓電元件受力產(chǎn)生的電荷，兩電極板之間有點(diǎn)位差U0。因此一般不能直接顯示、記錄和使用，而需要經(jīng)過阻抗變換和信號(hào)放大。常見的壓電材料可分為兩類，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。這種將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或者稱為電致伸縮效應(yīng)[26]。反過來，在電介質(zhì)極化方向上施加電場(chǎng)，其會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變。當(dāng)外力去掉后，又重新回到原來的狀態(tài)。目前多用于加速度和動(dòng)態(tài)力或壓力的測(cè)量。現(xiàn)在主流的加速的傳感器大多使用的是壓電式傳感器。圖34 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 信號(hào)采集電路部分本系統(tǒng)主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大型機(jī)泵及電機(jī)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，被測(cè)量主要為被測(cè)對(duì)象的機(jī)械振動(dòng)特性，如被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)頻率、振幅、相位等，傳感器則是用于將這些被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)可以采集到的電信號(hào)，因此傳感器的信號(hào)是否準(zhǔn)確以及信號(hào)調(diào)理是否得當(dāng)直接關(guān)系到了數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。而波形值通道信號(hào)經(jīng)處理后直接送入DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)化模塊處理。設(shè)備的狀態(tài)值經(jīng)由振動(dòng)傳感器測(cè)量后進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路模塊進(jìn)行前端的信號(hào)處理，這里包括了狀態(tài)值路徑和波形值路徑兩種方式的處理，可以對(duì)振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行定點(diǎn)或連續(xù)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。圖33 CAN總線連接電路圖多通道波形狀態(tài)值智能節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖34所示。TJA1040引腳5是SPLIT，這個(gè)引腳提供了VCC/2的電壓，可以將共模電壓穩(wěn)定到額定的VCC/2，所以引腳SPLIT要被連接到分離終端的中間分接頭。CAN模塊的TXCAN和RXCAN分別與收發(fā)器的TXD和RXD連接。這里為了不引入噪聲并抑制零漂，選用凌特公司的LTC2052作為放大器運(yùn)放。 有效值轉(zhuǎn)換模塊有效值轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)添加了一級(jí)精度擴(kuò)展，這里將有效值輸出通過一個(gè)10倍同相放大器與原信號(hào)一同輸出。它們經(jīng)由單片機(jī)控制的多路開關(guān)通向有效值轉(zhuǎn)換器。圖32 單節(jié)點(diǎn)傳感器結(jié)構(gòu)圖 濾波電路結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷轉(zhuǎn)變后的電信號(hào)含有噪聲，前端的電壓跟隨的作用主要就是去噪放大。放大濾波電路將信號(hào)處理后分成高頻加速度、低頻加速度、速度、位移4個(gè)測(cè)量量傳入有效值轉(zhuǎn)換。如圖32所示，整個(gè)的傳感器包括采集、濾波放大、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理上傳幾個(gè)模塊。智能節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中的智能節(jié)點(diǎn)有單通道狀態(tài)值智能節(jié)點(diǎn)和多通道波形狀態(tài)值智能節(jié)點(diǎn)兩種。 CAN總線把掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線上所有智能節(jié)點(diǎn)連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系，可以實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化功能。實(shí)現(xiàn)兩大基本功能:通信和I/O口管理。在本系統(tǒng)中，它位于傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)所在的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，起著承上啟下的作用。主控機(jī)是系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的匯總、分析、存儲(chǔ)備份的部分，我們?cè)谥骺貦C(jī)上就可以檢測(cè)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，還可以根據(jù)數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況預(yù)測(cè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，這樣有利于提前發(fā)現(xiàn)隱患，確保安全生產(chǎn)。在本系統(tǒng)中CAN總線智能節(jié)點(diǎn)數(shù)目最多不超過 1000點(diǎn)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的需要選用單通道狀態(tài)值智能節(jié)點(diǎn)或多通道波形狀態(tài)值智能節(jié)點(diǎn)兩種設(shè)備。在對(duì)比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連(ISO/OSI)模型的七層結(jié)構(gòu)的同時(shí)，介紹了CAN總線的技術(shù)規(guī)范，更深入的了解了CAN總線的通信過程。MAC子層:主要負(fù)責(zé)報(bào)文分幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測(cè)和標(biāo)定。.2)數(shù)據(jù)鏈路層按照 ，數(shù)據(jù)鏈路層又可劃分為邏輯鏈路控制(LLC— Logic Link Control)與媒體訪問控制(MAC—Medium Access Control)兩個(gè)部分。不過考慮到CAN總線主要應(yīng)用于工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)，其單次傳輸?shù)男畔⒘枯^小，實(shí)時(shí)性要求較高，因此綜合考慮ISO/OSI基準(zhǔn)模型，將CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其分層結(jié)構(gòu)如圖2—1所示，而應(yīng)用層可以由用戶自行定義。 CAN總線技術(shù)規(guī)范國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連(ISO/OSI)模型將各種協(xié)議分為七層，自下而上依次為:物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、會(huì)話層、表達(dá)層、應(yīng)用層[23]。CAN采用短幀發(fā)送，每幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為8個(gè)，傳輸時(shí)間短，不易受干擾。當(dāng)信息遭到破壞后能重發(fā)，節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤情況下可以自動(dòng)退出總線。 CAN總線特點(diǎn)(1) CAN采用多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報(bào)文識(shí)別碼)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁方式競(jìng)爭(zhēng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù),總線利用率高，數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)性好。連接—CAN串行通信鏈路是一條眾多單元均可以被連接的總線，理論上，單元數(shù)目是無限的，實(shí)際上，單元總數(shù)受限于延遲時(shí)間和總線的電器負(fù)載。如果不存在新的錯(cuò)誤，從檢出錯(cuò)誤到下一個(gè)報(bào)文開始發(fā)送的回復(fù)時(shí)間最多為29個(gè)位時(shí)間。出錯(cuò)標(biāo)注和恢復(fù)時(shí)間—已損報(bào)文由檢驗(yàn)出錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注。安全性—為了獲得盡可能高的數(shù)據(jù)傳輸安全性，在每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)中均設(shè)有錯(cuò)誤檢測(cè)、標(biāo)定和自檢的強(qiáng)有力措施。仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都對(duì)發(fā)送位電平與總線上檢測(cè)到得電平進(jìn)行比較，若相同則該單元可繼續(xù)發(fā)送。這種仲裁規(guī)則可以使信息和時(shí)間均無損失。多主站—當(dāng)總線開放時(shí)，任何單元均可發(fā)送報(bào)文，發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的單元會(huì)贏的總線的訪問權(quán)。優(yōu)先權(quán)—總線訪問期間，標(biāo)識(shí)符定義了一個(gè)報(bào)文靜態(tài)的優(yōu)先權(quán)。數(shù)據(jù)相容性—在CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可以確保報(bào)文同時(shí)被所有節(jié)點(diǎn)或者沒有節(jié)點(diǎn)接收，因此，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相容性是借助于成組和出錯(cuò)處理達(dá)到的。報(bào)文通信—個(gè)報(bào)文的內(nèi)容由其標(biāo)識(shí)符ID命名。信息路由—在CAN系統(tǒng)中，一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)不使用有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任何信息。 CAN中的一些基本概念報(bào)文—總線上的信息以不同的格式的報(bào)文傳送，但長(zhǎng)度有限。 。1991年9月PHILIP SSEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范[16]（)。CAN總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)參照CAN總線通信協(xié)議，介紹了智能節(jié)點(diǎn)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際的通信需要，重定義了部分的通信協(xié)議，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。這是因?yàn)?①現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)將開辟過程控制的新紀(jì)元②現(xiàn)場(chǎng)總線將對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來根本性變革③目前所做出的有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)總線的決定將在未來的幾十年中影響控制領(lǐng)域④現(xiàn)場(chǎng)總線將在很大程度上改變現(xiàn)有的所有實(shí)現(xiàn)控制和維護(hù)的方法由此可以預(yù)見在不久的將來，現(xiàn)場(chǎng)總線將進(jìn)入飛速發(fā)展期，其主要發(fā)展趨勢(shì)為:(1)FCS將會(huì)在一定的時(shí)期內(nèi)成為主流控制系統(tǒng)(2)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的緊密結(jié)合。近年來，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)己經(jīng)逐漸成為全世界自動(dòng)控制領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。但是它在我國(guó)卻剛剛進(jìn)入開發(fā)和應(yīng)用階段。另外，用戶可極其方便地共享數(shù)據(jù)庫(kù)。(8)開放式系統(tǒng):現(xiàn)場(chǎng)總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，所有技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)都是公開的，所有制造商都必須遵循。(7)統(tǒng)一組態(tài):由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表都引入了功能塊的概念，所有廠商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法。實(shí)現(xiàn)一表多用，不僅方便了用戶，也節(jié)省了成本。即使某臺(tái)儀表故障，換上其它品牌的同類儀表照常工作，實(shí)現(xiàn)“即插即用”。(3)可控狀態(tài):操作員在控制室既可了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作狀況，也能對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，還可預(yù)測(cè)或?qū)ふ夜收希麄€(gè)系統(tǒng)始終都處于操作員的監(jiān)控之下，提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性和可維護(hù)性。如果增加現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表，只需并行掛接到電纜上，無需架設(shè)新的電纜。這樣就為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(如DCS)結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖11所示。位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送器與控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器、開關(guān)、電動(dòng)機(jī)之間均為一對(duì)一的物理連接。[14]現(xiàn)場(chǎng)總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連十分簡(jiǎn)單，用戶不必在硬件或軟件上花太多氣力?，F(xiàn)場(chǎng)總線也不例外。通信線供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通信線上獲取能量，對(duì)于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場(chǎng)儀表，可以采用這種方式。調(diào)節(jié)閥的羈絆功能是信號(hào)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補(bǔ)償模塊，也可以有PID控制和運(yùn)算模塊，