電子信息技術(shù)及儀器

1、最新 精品 Word 歡迎下載 可修改Part 1：基本概念；（1）敏感元件（Sensor）：敏感元件指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，它能直接感受被測(cè)非電量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定關(guān)系的其它量。（2）DSP：即數(shù)字信號(hào)處理器，是專門(mén)為快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法而設(shè)計(jì)的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)字處理的超大規(guī)模集成電路。具有比通用微處理器高得多的處理速度，用于信號(hào)的濾波、相關(guān)、均衡、變換、調(diào)制解調(diào)和編碼解碼等實(shí)時(shí)處理。（3）負(fù)反饋控制：負(fù)反饋控制是指實(shí)施的結(jié)果反抗和削弱了被控系統(tǒng)現(xiàn)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)的控制。（4）嵌入式系統(tǒng)：完全嵌入受控器件內(nèi)部或?qū)ο篌w系中，為特定應(yīng)用而設(shè)

2、計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)械和車(chē)間運(yùn)行。 （5）采樣保持（S/H）：采樣保持電路是用在模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的一種電路，作用是采集模擬輸入電壓在某一時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間保持輸出電壓不變，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換。 （6）FPGA：即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA, Field Programmable Gate Array），是一個(gè)含有可編輯元件的半導(dǎo)體設(shè)備，可供使用者程式化的邏輯門(mén)元件。Part2：設(shè)計(jì)；題目1：設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程機(jī)器設(shè)備在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)的儀器系統(tǒng)。具體要求： 1、設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)的主要功能； 2、畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)的原理方案框圖； 3、說(shuō)明框圖中每個(gè)部分的

3、原理； 4、選擇傳感器； 5、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的通信方式。主要功能特性 任何機(jī)械設(shè)備在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。機(jī)械設(shè)備在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，振動(dòng)總是處于某個(gè)典型范圍之內(nèi)。當(dāng)機(jī)械由于摩擦、基礎(chǔ)下沉、部件變形等原因使機(jī)械運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，振動(dòng)將隨之加大。可以說(shuō)振動(dòng)信號(hào)是設(shè)備狀態(tài)信息的載體，蘊(yùn)含了豐富的設(shè)備異?；蚬收系男畔?，能夠反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)劣，為故障診斷提供重要信息。因此，我設(shè)計(jì)出的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)，具有振動(dòng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集與傳輸、信號(hào)處理，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示實(shí)時(shí)的振動(dòng)情況，以及智能反饋調(diào)整等功能。這樣，這套儀器系統(tǒng)就能在機(jī)器設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，避免造成較大的經(jīng)濟(jì)損失或人員危險(xiǎn)，另外，題目中已經(jīng)指出的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的考慮

4、，也能夠大幅降低監(jiān)測(cè)的危險(xiǎn)性。傳感器1傳感器2原理方案框圖傳感器組傳感器n多路開(kāi)關(guān)如果后面采用多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，則可略去信號(hào)調(diào)理信號(hào)放大器、模擬濾波器等（分立元器件搭載的無(wú)源濾波器或 運(yùn)放搭載的有源濾波器）A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包含采樣保持電路DSP處理機(jī)電矯正裝置通信協(xié)議CAN總線 應(yīng)用程序服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器服務(wù)器系統(tǒng)Web服務(wù)器Internet/Intranet客戶端 各步原理與各儀器功能傳感器部分：先提一下電測(cè)方法，這是將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄的測(cè)量方法。電測(cè)法的要點(diǎn)在于先將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電量（電動(dòng)勢(shì)、電荷、及其它電量），然后再對(duì)電量進(jìn)行測(cè)量，從而得到

5、所要測(cè)量的機(jī)械量。這是目前應(yīng)用得最廣泛的測(cè)量方法。它包含拾振、測(cè)量放大線路和顯示記錄三個(gè)環(huán)節(jié)。傳感器部分主要采用電測(cè)方法中第一步拾振做法（拾振，能夠把被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、光學(xué)的或電的信號(hào)） 。由于需要監(jiān)測(cè)振動(dòng)的儀器多是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，所以其中比較重要的一個(gè)部分是轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，這里我考慮的是采用常用的電渦流位移傳感器，其輸出的電壓直流部分反映了轉(zhuǎn)子相對(duì)于軸瓦的靜態(tài)間隙，交流部分反映了轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。對(duì)于機(jī)械的其他部位的振動(dòng)的振幅，可用位移、速度或及加速度表示。通常，對(duì)于頻率比較低的振動(dòng)是取位移或速度，中等頻率的振動(dòng)取速度，高頻則以加速度為測(cè)定的參數(shù)。對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)，速度型的頻率為5Hz2kHz，

6、加速度計(jì)為5HZ20kHz，渦流型傳感器為010kHz。為了精確地測(cè)出相關(guān)數(shù)據(jù)，我采用了不同位置、多個(gè)傳感器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的精密采集。因此，要么是加上一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)，要么后面采用一個(gè)多通道模數(shù)轉(zhuǎn)化器。信號(hào)調(diào)理部分，主要采用了信號(hào)放大器和模擬濾波器?？傮w來(lái)說(shuō)由隔直、低通濾波、電壓跟隨、增益調(diào)整構(gòu)成，最終將位移傳感器傳來(lái)的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為合適的電壓信號(hào)送入后面的A/D轉(zhuǎn)換器。信號(hào)調(diào)理簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將待測(cè)信號(hào)通過(guò)放大、濾波等操作轉(zhuǎn)換成采集設(shè)備能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（注：A/D芯片只能接收一定范圍的模擬信號(hào)，而傳感器把非電物理量變換成電信號(hào)后，并不一定在這一范圍內(nèi)。傳感器輸出

7、的信號(hào)有時(shí)還必須經(jīng)放大、濾波、線性化補(bǔ)償、隔離、保護(hù)等措施后，才能送A/D轉(zhuǎn)換器），利用內(nèi)部的電路(如濾波器、轉(zhuǎn)換器、放大器等)來(lái)改變輸入的訊號(hào)類型并輸出之。例如工業(yè)信號(hào)有些是高壓，過(guò)流，浪涌等，不能被系統(tǒng)正確識(shí)別，必須調(diào)整理清之。調(diào)理信號(hào)之后，下面進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì)。采用的主要部件是包含采樣保持電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具體來(lái)說(shuō)，可以采用前面提到的多路開(kāi)關(guān)加傳統(tǒng)單通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，也可直接采用8通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1308，對(duì)8路振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行同步采樣，從而略去多路開(kāi)關(guān)。DSP處理部分。設(shè)計(jì)中的CPU模塊主要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT變換，并傳送至上位機(jī)，從而減輕上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的負(fù)荷。基于性

8、能以及與后面?zhèn)鬏斊ヅ涞目紤]，我這里選用的是內(nèi)核為CIP-51的嵌入式微處理器C8051F060。CIP-51具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，同時(shí)內(nèi)嵌了符合CAN 2.0A(基本CAN)和CAN 2.0B(全功能CAN)的CAN總線控制器，包含一個(gè)消息處理狀態(tài)機(jī)以及控制寄存器等。C8051F60的CAN控制器可達(dá)1Mb/s的速率。CAN有32個(gè)消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象有自己的標(biāo)識(shí)掩碼，用于對(duì)接收到的消息進(jìn)行過(guò)濾。輸入數(shù)據(jù)、消息對(duì)象和標(biāo)識(shí)掩碼存儲(chǔ)在CAN消息RAM中。與數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過(guò)濾有關(guān)的所有協(xié)議均由CAN控制器完成，不需MCU干預(yù)，使得用于CAN通信的CPU帶寬最小。通過(guò)C8051F060特殊

9、功能寄存器可以配置CAN控制器以及接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。關(guān)于負(fù)責(zé)完成FFT轉(zhuǎn)換程序的軟件部分，現(xiàn)行已經(jīng)有公認(rèn)比較好的版本，這里就不再另行設(shè)計(jì)了。下面到了從遠(yuǎn)程機(jī)器端到客戶端的通信方式的選取，正如前面提到的，我選用的是CAN總線傳輸。特殊的是，考慮到數(shù)據(jù)的多方需求性和客戶端的處理能力的局限性，我的設(shè)計(jì)中，在遠(yuǎn)程機(jī)器與客戶端之間加入了一個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)要介紹一下服務(wù)器系統(tǒng)的組成。服務(wù)器系統(tǒng)包括三個(gè)部分，分別是應(yīng)用程序服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和Web服務(wù)器。應(yīng)用程序服務(wù)器采用LabVIEW中的Data Socket技術(shù)或者M(jìn)ATLAB軟件中的相關(guān)處理技術(shù)，將前面DSP處理過(guò)的信號(hào)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，

10、通過(guò)積分和頻譜分析，可以得到速度，幅值，位移，實(shí)時(shí)振動(dòng)頻率等數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。Web發(fā)布程序與客戶端程序采用基于TCP/IP協(xié)議的Winsocket通訊，這樣通過(guò)Web服務(wù)器的傳輸，多個(gè)客戶端都能既可以實(shí)時(shí)看到遠(yuǎn)程機(jī)器的振動(dòng)狀況，又能調(diào)取以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)機(jī)器的振動(dòng)情況有一個(gè)全面的了解。最后，還有一個(gè)設(shè)想：就像框圖中表示出來(lái)的，在DSP處理的地方加一個(gè)分支，指向機(jī)電矯正裝置。這個(gè)裝置的作用是幫助實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程校正機(jī)械的不良振動(dòng)。將客戶端軟件中增加一個(gè)負(fù)反饋的機(jī)制，這個(gè)機(jī)制可以人工選擇是否開(kāi)啟。開(kāi)啟之后，給機(jī)器的振動(dòng)數(shù)據(jù)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)客戶端接收到的數(shù)據(jù)超出這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，客戶端自發(fā)的返回一個(gè)矯正信號(hào)，經(jīng)過(guò)“客戶端服務(wù)器系統(tǒng)CAN總線DSP處理機(jī)電矯正裝置”的順序完成機(jī)器振動(dòng)水平矯正。以上就是我設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程機(jī)器設(shè)備在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)的儀器系統(tǒng)，雖然設(shè)計(jì)過(guò)程十分艱難，看了很多并不容易理解的論