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本文介绍了基于ARM920T内核的S3C2410的振动测试分析仪的设计过程.详细介绍7本振动测试分析仪的硬件电路设计及软件设计.性能较以往的产品有大幅度的提高.能够进行FFT实时计算,并显示频谱,具有美观的彩形界面及触摸屏接口,操作界面友好方便
引言
在大型旋转机械、桥梁、地下铁路、加工机床等领域,对振动信号进行采集和分析,可以实现危险预报、故障诊断、性能指标分析等多项功能.传统的便携式振动测量分析仪大多用单片机或RISC CPU作为核心处理器,一般是8位或16位的,内存只有几Kb,外部存储器的容量也只有1～2 Mb,再加上CPU的主频不高,进行大量数据运算(如FFT等),需要很长时间,图像显示基本上依靠黑白液晶屏,可以显示的内容少,因此对传统的便携式振动测试分析仪进行性能的改进很有必要.
本项目采用ARM9的S3C2410处理器,可以连续监测8个通道,提供转速、棒图、振动通频值、数据列表、时域波形、频谱图、伯德图等振动监测、分析图表.采用640×480的TFT彩色显示屏,界面美观,可以显示的内容丰富,采用64Mb内存,可以暂存长时间的采样数据、运算结果数据,采用64Mb NANDFLASH,可以保存多组测量历史数据.体积小,22cm×18cm×10cm,携带方便,较以前产品,性能有了大幅度的提高.
硬件部分介绍
硬件主要由3部分组成,核心板、底板及信号输入接口板共3块电路板组成,下面分别介绍.
核心板
核心板主要由s3C2410处理器、64Mb NAND FLASH(K9F1208)、64Mb内存(2片HY57V561620)组成.底板的接口采用144引脚的内存插槽,引出了16位的数据总线、16位的地址总线、IIC接口、SPI接口、IIS接口、JTAG接口、usB接口、LCD接口、触摸屏接口等CPU的输入输出口线.
S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核,采用0.18μm制造工艺的32位微控制器.该处理器拥有：独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路DMA、4路带PWM的Timer、I/O口、RTC、8路10位ADC、Touch Screen接口、IIC-BUS接口、IIS-BUS接口、2个USB主机、1个USB设备、SD主机和MMC接口、2路SPI.$3C2410处理器最高可运行在203MHz.每秒钟的运算能力为203×1.1MIPS,所以对FFT的计算非常的快.
电路原理图设计参考了三星公司提供的评估板的ORCAD格式的电路原理图.小经验：国内的硬件工程师普遍熟悉PROTEL软件,对ORCAD不是很熟悉,用PROTEL 2004可以直接打开ORCAD格式的三星公司的$3C2410评估板的电路原理图,适当的修改就可以形成自己的需要的PROTEL格式的电路原理图,而且不容易出错,所以本核心板的原理图设计非常顺利.
PCB的设计由于$3C2410采用272引脚的BGA封装,所以电路板的制作采用了6层电路板,从顶层到底层依次为元件层、地、布线层1、布线层2、地、底层.布线间距最小为5mil,最小线宽5mil,过孔大小8/16mil,核心板全部采用手工布线完成.
底板的设计
底板主要由A/D电路、TFT彩色屏接口、网络接口电路、触摸屏接口电路组成,各部分的电路如下面所述.
A/D芯片与CPU的接口
A/D芯片采用AD7864,AD7864是一种高速、低功耗、可以4通道同时采样的A/D转换器.它的主要特性有：高速12位A/D转换器；同时采样4个输入通道,并具有4个采样、保持放大器；0.35μs采样保持获取时间,每一个通道转换时间1.65μs；可以通过软件或者硬件的方法选取用于采样的通道；单电源供电(+5V)；多个转换电压范围；具有高速并行接口,可以与处理器直接连接；低功耗,每通道功耗90mW,对于每一个模拟输入通道均有过压保护电路.AD7864 4通道同时工作时,最大采样率可以高达130kHz.用了2片AD7864,可以同时采样8路信号,同时监测8个通道.
通常的机械的转速的范围在100～30000转/分,即最高频率为500Hz,根据振动分析仪的采样需要,每个周期采128个点计算,采样频率不超过64kHz,这样的采样频率与$3C2410的CPU核心频率200MHz、外部数据总线频率的100MHz相比还是很低的.
因此采用AD7864ff)A/D转换结束信号BUSY的下降沿中断CPU,然后由$3C2410直接读取A/D转换后的数据到内存中去.没有采用外部RAM缓存A/D转换后的数据或用FIFO来对数据进行缓存,然后再由CPU读取缓存里数据的方法.电路的实际测试结果是采样频率小于100kHz时,完全可以正确无误的读取到采样后的数据,大大的简化了A/D采样部分的电路设计及节省了电路成本.
与CPU的接口电路的设计如图1所不. 其中AINl-AIN8是模拟信号的输入,DATA0-DATA11是$3C2410的数据总线的低12位,EINT0接S3C2410的外部中断线的O号线,nOE是S3C2410的读使能信号,AD7864的片选直接接S3C2410的NGCS1、NGCS2,对AD7864进行读操作用BANKl、BANK2的首地址,即0x08000000,0x10000000.CONV_START是采样频率信号,可以是外部的同步采样信号,每周期采128个点,也可以是内部PWM电路产生的内部非同步采样信号.
显示屏接口电路
S3C2410自带LCD驱动器,所以显示接口的设计比较简单,使用的TFT显示屏为台湾元太的PD064VT4屏,PD064VT4屏是一款640×480的高亮TFT彩屏,其亮度为400Cd/m2,非常适合工业场合的应用,信号接口：并行18位RGB,每种颜色用6位信号表示.
TFT显示屏与CPU的数字接口部分如图所示.
S3C2410的LCD驱动器接口是24位的RGB接口,其输出信号为VD0-VD7、VD8-VDl5、VDl6-VD24,每种颜色用8位数字信号表示；PD064VT4 TFT屏的接口是18位的RGB接口,每种颜色用6为数字信号表示,即R0-R5、G0-G5、B0-B5.连接时VD2-VD7；~HB0-B5kN连,VDl0- VDl5和G0-G5相连,VDl8-VD23和R0-R5相连.VD0、VD1、VD8、VD9、VD16、VD17不使用.
触摸屏接口电路
本振动测试分析仪的人机接口界面采用了电阻式触摸屏,加上采用了640×480的高亮TFT彩色液晶屏,使得人机界面很友善,操作非常方便.S3C2410自带了触摸屏的接口电路,触摸屏接口的设计比较简单.触摸屏接口电路如图,其中YU、YL、XR、XL表示4线电阻式触摸屏的的4个接口信号.
信号输入接口板
信号输入接口板可以接涡流传感器或磁电传感器,每个通道根据接入的传感器类型不同,处理电路有所区别,电路主要由低通、高通滤波电路,有效值转换电路等组成,输出交流的波形信号或直流信号(间隙电压或振动烈度).
信号输入接口板还包括一个锁相环电路,使AD7864的采样频率是转速的128倍,即每个周期采样128点.
信号输入接口板和底板的连接关系如图所示.
101-107是$3C2410的8个IO口线,主要用来对信号输入接口板的输出信号进行选择,首先控制是按照涡流传感器处理还是按照磁电传感器处理,然后控制是输出交流的波形信号还是输出直流信号(间隙电压或振动烈度).
Ch01-ch08是信号输入接口板输出给AD7864去进行采样的交流或直流信号.KPH信号是转速信号,送到$3C2410的定时器去测量转速.CLK的频率是KPH频率的128倍,也即外部同步采样频率信号,通过信号输入接口板上的一个锁相环电路产生,COUT是由$3C2410的定时器对输入的CLK信号进行128分频产生,是反馈给锁相环电路的相位比较信号.
软件设计
考虑到软件只需要用单任务就可以完成所有的功能,没有必要使用嵌入式实时操作系统,另外考虑到商用嵌入式实时操作系统 (如VxWORKS)的价格较贵,开源的嵌入式操作系统如Linux对开发人员的要求较高,另外也不是硬实时的操作系统,所以没有采用嵌入式实时操作系统.
本振动测试分析仪采用了640×480的TFT真彩屏,为了达到比较好的显示效果,首先编写好基本的画图函数(画点、线、圆、弧线、椭圆、矩形、填充),然后在此基础上编写了显示图片、简单窗口、下拉式菜单的函数.由于仪表的显示界面还是相对比较简单,并不需要做成像Windows视窗那样的复杂界面,所以界面显示效果还是很漂亮的,达到了预期的要求.
结束语
本文详细的说明了基于S3C2410的振动测试分析仪的硬件电路设计及软件设计过程,采用了ARM9的S3C2410处理器,较以往产品的性能有大幅度的提高.由于S3C2410的内核频率及外部总线的频率很高,自带彩色LCD驱动器及触摸屏接口,所以大大提高了FFT运算的能力,可以用于实时监测,并简化了A/D数据采集部分的电路设计和成本,另外人机接口非常的友好,界面漂亮.
IBM与MediaTek联合攻关新无线技术,速率将为Wi-Fi百倍
IBM与中国台湾芯片制造商MediaTek(联发科技)公司的无线电科学家联合攻关,将共同开发可传输大容量信息的无线芯片组新技术,其数据传输速率是无线宽带协议Wi-Fi的100倍.
新芯片组将采用IBM实验室开发的mmWe(毫米波)无线技术,这种更快的无线网络传输技术将替代Wi-Fi技术.两家公司将倡导用毫米波无线传输方式来消除当前各种设备的有线连接方式,例如高清电视、机顶盒、DVD播放机和PC之间的连接.
据该项目首席科学家、IBM的曼默特索育尔介绍,该协议利用的是60G.z的频谱,根据该传输协议研发的芯片,其传输速率可达2.5GB/s,而Wi-Fi的传输这率为10～54MB/s,因此是后者的100倍.换句话说,上述新芯片可在5秒内传输10C-B的文件,而wi-Fi网络完成这一任务需要数分钟.60GHz频段是毫米波频段的一部分,毫米波段由30～300GHz组成.
在该合作项目中,IBM公司将投入毫米波无线芯片、天线、封装技术和专利；MediaTek将贡献数码基带技术和视频处理芯片.一旦芯片组开发成功,IBM和MediaTek公司将与全球的电子商开展合作,以便在后者的产品中应用毫米波传输技术.预计该项目在三年后将推出新产品.