基于S3C2410的振动测试分析仪的研制.doc

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, 内存只有儿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品屏， 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640X480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 NAND FLASH, 可以保存多组测量历史数据体积小,22cmX 18cmX 10cm,携带方便,较以前产品, 性能有了大幅度的提周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 /t HY57V561620 )组成。

底板的接曰采用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接曰、SPI接曰、IIS接曰、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. 18um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 曰、RTC、8 路 10 位 ADC、Touch Screen 接曰、IIC-BUS接曰、IIS-BUS接曰、2个USB主机、1个USB设备、SD主机和 MMC接口、2路SPIS3C2410处理器最高可运行在203MHzo每秒钟的运算能力 为203X 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0RCAD格式的电路原理 图小经验：国内的硬件工程师普遍熟悉PR0TEL软件，对0RCAD不是很熟悉， 用PR0TEL 2004可以直接打开0RCAD格式的三星公司的S3C2410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S3C2410采用272引脚的BGA封装，所以屯路板的制作采 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质板主要由A/D电路、TFT彩色屏接I I、网络接I」电路、触摸屏接曰电路组成, 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；0.35us采样保持获取时间，每一个通道转换时间 1. 65 u s；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；具有高速并行接曰，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130kIIzc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500IIz,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S3C2410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AD7864的A/D转换结束信号BUSY的下降沿中断CPU,然后由 S3C2410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的接曰电路的设计如图1所示CONV _START NOCS2 nOE VDD5VVDD33V 36 xvnn^vE1NT0 12CONV STARTSSSSSSSSSSS5BUSY FRSTDATA CONVST CS RD WREOCINT/EXT CLK CLK1NV drive STBY H/SSELU14AD7W4NGCSl 4^ L F 5 ； VDD5V 6：28VDp33V36 1TR40 I0KDVDD DOHD AGND AOND AGND AVDD VREF VREF ONDSL4SL3SL2SLI•:c o.<,<>>>>>>>3557TT AON。

" 入0四57~AObibVDD5V少 AVDD5V10 F F T*[VDD5VU15 AD7864VDD5V35 37 TT AGND 75~AGND 留 AGHQ- 25~AVDD5V 1410T"T(VDD5V圭*• < •一 • • • •< < < < <图1 AD7864与S3C2410的接口设计其中A1N1-A1N8是模拟信号的输入，DATA0-DATA11是S3C2410的数据总线 的低12位，E1NT0接S3C2410的外部中断线的0号线，nOE是S3C2410的读使能 信号,AD7864的片选直接接S3C2410的NGCSk NGCS2,对AD7864进行读操作用 BANK1、BANK2 的首地址,即 0x08000000, 0x10000000o COW _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驭动器，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640X480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的数字接曰部分如图2所示HSYNCR1R3R5G0G2G4BlB3B5DENBVLINEGNDVD19VD21VD23VD10VD12VD14GNDVD3VD5VD7nDIS.OFFVDD5VGND1 234567891011121314151617181920212223242526272829303132JP1VFRAMEVD18VD20VD22GNDVD11VD13VD15VD2VD4VD6GNDVDD5VVCLKVSYNCROR2R4G1G3G5BOB2B4图2 PD064VT4显示屏与S3C2410的数字接曰部分S3C2410的LCD驱动器接曰是24位的RGB接口，其输出信号为VDO-VD7、 VD8-VD15、VD16-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 和 B0-B5 相连，VD10-VD15 和 GO-G5 相连，VD18-VD23 和 R0-R5 相连VDO、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曰界面采用了电阻式触摸屏，加上采用了 640X480 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II电路，触摸屏接II的设计比较简单触摸屏接II电路如图3,其中 YU、YL、XR、XL表示4线电阻式触摸屏的的4个接曰信号图3触摸屏接口电路信号输入接口板信号输入接曰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I」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I「板和底板的连接关系如图4所示CH02CHOICH03CH04CH05 |CH06 |CH 07CH08CLK |CON34AGND102103104105106107108COUTCLKKPHGND101图4信号输入接口板和底板的连接关系101-107是S3C2410的8个10曰线，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I I板输出给AD7864去进行采样的交流或直流信号 KPII信号是转速信号，送到S3C2410的定时器去测量转速CLK的频率是KPII频 率的128倍，也即外部同步采样频率信号，通过信号输入接曰板上的一个锁相环 电路产生，COUT是由S3C2410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 640X480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，达到了预期的要求整体流程图如图5图6所示。