基于PIC18F1320微控制器的信號(hào)采集系統(tǒng)

摘要：便攜式信號(hào)采集在機(jī)器健康診斷系統(tǒng)中有較高的應(yīng)用價(jià)值。機(jī)器健康診斷的信號(hào)特點(diǎn)是包括低頻信號(hào)。本文研究是為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易而且低成本的低頻便攜式信號(hào)采集。以Microchip公司單片機(jī)PIC18F1320為核心設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采集和保存。系統(tǒng)采用串行電可擦除芯片24LC32A保存數(shù)據(jù)，經(jīng)過有線通信，信號(hào)數(shù)據(jù)由串行口通過MAX232芯片輸送到微型計(jì)算機(jī)接收和保存，最后繪制出信號(hào)波形。微型計(jì)算機(jī)程序采用Visual Basic編程。研究成功采樣頻率為3 kHz的復(fù)雜信號(hào)，證明該方案符合設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：信號(hào)采集；PIC18F1320；數(shù)據(jù)通信；微型計(jì)算機(jī)；微芯；Visual Basic

信號(hào)采集設(shè)備廣泛使用于機(jī)器健康診斷系統(tǒng)中用來記錄、監(jiān)視和診斷。機(jī)器情況數(shù)據(jù)經(jīng)常由非便攜式或者帶導(dǎo)線的設(shè)備收集。對(duì)于一些重要的應(yīng)用，比如危險(xiǎn)或者遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)，尤其是在航空上，提供可以方便地?cái)y帶或者讀取的設(shè)備是必要的。另外，機(jī)器健康診斷尤其是機(jī)床振動(dòng)信號(hào)診斷經(jīng)常處理低頻信號(hào)，這值得關(guān)注。
本文研究一種微控制器為基礎(chǔ)的信號(hào)采集系統(tǒng)，以滿足信號(hào)采集的低成本和靈活模式。開發(fā)系統(tǒng)的主要硬件包括一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)、一個(gè)以PIC18F1320為基礎(chǔ)的微控制器電路板以及串行通訊鏈接設(shè)備。EEPROM 24LC32A被用來進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行控制程序。一旦用戶在微型計(jì)算機(jī)界面上決定采樣輸入，信息便通過RS-232端口送往微控制器。微型計(jì)算機(jī)和微控制器通過特定的協(xié)議通信。微型計(jì)算機(jī)告知微控制器模-數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣間隔、采樣次數(shù)與采樣通道。電路板的設(shè)計(jì)考慮了開放式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用了24引腳易于插拔的插座來容納Micro-chip微控制器。微處理器將調(diào)制的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)直接輸送到微型計(jì)算機(jī)或者存儲(chǔ)于EEPROM以便將來讀取。不同的命令與反饋代表系統(tǒng)的不同操作。電路板通過串行電纜在采集完信號(hào)后連接到微型計(jì)算機(jī)交互，也可以即時(shí)連接和傳送。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的主要原理圖如圖1所示。其中PIC18F1320控制器采用5 V電源供電，支持在線串行編程，最高時(shí)鐘頻率達(dá)到40 MHz，通訊波特率可以自動(dòng)檢測(cè)。端口A是雙向輸入／輸出復(fù)用管腳，ANO等管腳被定義成模擬輸入，由用戶進(jìn)行采樣通道的選擇。總共有13個(gè)模／數(shù)轉(zhuǎn)換通道且采樣時(shí)間可以編程。通道輸入的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過電子電路調(diào)制成符合微控制器電氣要求的信號(hào)。調(diào)制信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓為+5 V。電路板可在微控制器重新編程后方便地插入；同時(shí)，電路板可通過跳線設(shè)置與終端用戶進(jìn)行電纜連接。由于微控制器與串行電路的電氣特性不同，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的MAX232芯片被使用以保證正確的數(shù)據(jù)傳輸(見圖2)。該芯片和PIC18F1320一樣適用于低功耗場(chǎng)合。MAX232上連接的電容采用的是電解電容，電容值為1 μF。MAX232的11腳或者10腳接微控制器的USART輸出端，12腳或者9腳接微控制器的USART輸入端。微控制器的存儲(chǔ)器擴(kuò)展使用了32 k的I2C串行EEPROM(見圖3)，數(shù)據(jù)可以保持200年。EEPROM的地址線A0、A1、A2被接地。串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL被分別連接到微控制器的B端口相應(yīng)管腳。寫保護(hù)WP接+5 V。