故障信號檢測虛擬示波器數據采集系統設計

摘 要： 為了獲取虛擬示波器故障信號數據，設計一種故障信號檢測虛擬示波器的數據采集系統，該系統主要由衰減保護控制電路、信號調理電路、A/D轉換、數據緩存和單片機5部分組成。通過減少信號調理電路使輸入信號和A/D模塊滿量程值之間的差異達到理想的精確度。利用單片機ATmega32和AD574組成的A/D轉換電路對數據進行轉換和采集。在系統的輸入端設計比例衰減與過壓保護電路，避免因電壓幅值過大造成芯片損壞。軟件設計中，詳細分析A/D采集的主程序及相關實現代碼。實驗結果表明，所提系統采集精度高，所需時間短，具有很高的采集性能。

關鍵詞： 故障信號； 虛擬示波器； 數據采集； 故障信號檢測

中圖分類號： TN911.23?34； TP312 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0097?04

Abstract： In order to acquire the fault signal data of virtual oscilloscope， a data acquisition system for virtual oscilloscope to detect fault signal was designed. The system is mainly composed of the attenuation protection and control circuit， signal conditioning circuit， A/D conversion， data cache and single chip microcomputer. The difference between the full scale value of A/D module and input signal is reduced through the signal conditioning circuit to make the D/A conversion achieve the desired accuracy. The A/D conversion circuit composed of ATmega32 and AD574 is used to convert and acquire the data. The proportion damping and overvoltage protection circuit are designed for input end of the system to avoid the chip damage caused by excessive voltage amplitude. In software design， the correlation implementation code and main program acquired by A/D are analyzed in detail. The experimental results show that the proposed system has high acquisition precision， short acquisition time， and high acquisition performance.

Keywords： fault signal； virtual oscilloscope； data acquisition； fault signal detection

0 引 言

隨著計算機應用技術的快速發展，虛擬示波器因其結構簡單、易于硬件集成、成本低、設備更新周期長而被廣泛應用于故障信號檢測中[1?2]。數據采集系統是故障信號檢測虛擬示波器的關鍵，數據采集性能的好壞直接影響整個系統的質量[3]。因此，設計一種高效、高精度的數據采集系統已經成為相關學者研究的重點課題，受到了越來越廣泛的關注[4?5]。

目前，有關故障信號檢測虛擬示波器數據采集系統的研究有很多，相關研究也取得了一定的成果。文獻[6]設計了一種基于虛擬儀器的數據采集系統，該系統介紹了數據采集的硬件設計及配套的軟件開發，通過PCI接口對數據進行傳遞，使采樣頻率達到100 MHz，用戶可利用軟面板設置參數，得到的數據被傳輸至系統內存，以波的方式在軟面板上顯示出來，但該系統只適用于強故障信號的采集，針對弱故障信號，其無法實現采集。文獻[7]利用計算機對實際人工操作進行模擬，在保證所采集數據質量的同時，大大加強了數據的采集效率，但該系統容易受到存儲空間與通信接口的影響，采集精度較低，沒有達到系統的需要。文獻[8]設計了一種基于FPGA的機器視覺圖像采集系統，依據相關研究，建立以FPGA為主處理器的基本結構，依據系統需求，決定詳細的芯片型號，通過設計的信號采集電路對數據進行采集，所提系統穩定性較高，但實時采集能力較差。

針對上述方法的弊端，設計了一種故障信號檢測虛擬示波器數據采集系統，介紹了系統的總體結構。通過信號調理電路使輸入信號和A/D模塊滿量程值之間的差異盡可能的達到最小，利用A/D轉換電路對數據進行轉換和采集，在系統的輸入端設計了比例衰減與過壓保護電路。軟件設計中，詳細分析了A/D采集的主程序及相關實現代碼。實驗結果表明，所提系統不僅采集精度高，而且所需時間短，具有很高的采集性能。

1 硬件設計

1.1 系統總體設計方案

本故障信號檢測虛擬示波器數據采集系統的總體結構如圖1所示。虛擬示波器的模擬故障信號經衰減保護控制電路后進入信號調理電路，經AD526放大后被發送至AD574進行模/數轉換，將得到的結果保存至緩存芯片IDT7202中，單片機通過對緩存器進行查詢判斷是向其寫入數據還是從中讀出數據命令，從而實現數據采集。

1.2 信號調理電路

為了達到理想精度的模/數轉換結果，需使輸入信號和A/D模塊滿量程值之間的差異盡量小。信號調理的主要目的是使輸入信號達到A/D轉換器的幅度要求，并且使輸入信號的幅度增加。信號調理電路圖見圖2。

由圖2可看出，信號調理電路主要是通過AD526和單片機ATmega32實現的。AD526是由美國AD公司提供的，放大倍數完全滿足系統要求，而且可以通過一組數碼對其進行調控。按照要求將輸入信號調整至合理的A/D轉換輸入區域，通過AD574轉換電路完成轉換，以保證低輸入情況下的轉換準確率，增加故障信號檢測虛擬示波器數據采集系統的動態范圍。

1.3 A/D轉換電路

A/D轉換電路主要由Ateml公司的AVR系列單片機ATmega32和AD574組成，詳細電路圖如圖3所示。

在A/D轉換電路中，選擇AD574芯片0～10 V單極性輸入的形式，將AD574芯片的第2引腳和地直接相連，以完成12位高精度轉換，得到的結果被分成兩次進行輸出。將AD574的狀態引腳STS和單片機PC的第3引腳相連，通過查詢的形式獲取轉換結果。如果R/[C]C為0，則開啟A/D轉換器，經20 μs后STS接第1引腳，則A/D轉換完成，當前將R/[C]置1，也就是在虛擬示波器的數據端對數據進行讀取。

1.4 衰減保護控制電路

為了避免因電壓幅值過大造成芯片損壞的現象出現，系統的輸入端設計了比例衰減與過壓保護電路，電路圖如圖4所示。

由圖4可知，衰減保護控制電路通過單刀多擲開關確定衰減比例，將虛擬示波器采集故障信號的電壓降低至±1 V范圍之內，從而保證芯片的正常運行，則系統可采集低于36 V安全電壓的故障信號了。除此之外，因為故障信號存在噪聲，尖峰脈沖的瞬時電壓很可能達到100 V，使芯片被嚴重損害，所以設計了過壓保護電路，通過2 V的穩壓管對芯片進行保護。

2 軟件設計

2.1 A/D采集程序設計

為了達到理想的數據采集效率，將采樣最小時間設置為1 μs。A/D采集程序設計流程圖如圖5所示。

3 實驗結果分析

為了驗證本文設計的故障信號檢測虛擬示波器數據采集系統的有效性，需要進行相關的實驗分析。實驗將嵌入式系統作為對比進行分析。將故障信號檢測發生器的信號作為輸入信號，直接從軟件界面上觀察波形的改變情況。采用本文系統對某通道的數據進行采集。當波形顯示如圖6所示時，調節控制面板上的按鈕，使波形的形狀出現變化，以模擬故障信號，這時的波形如圖7所示。

對頻率是250 Hz時的波形進行采集，得到的波形圖如圖8所示。波形的詳細信息如圖9所示。

分析上述過程可以看出，采用本文系統對故障信號檢測虛擬示波器數據進行采集，得到的信息較為全面，驗證了本文系統的有效性。分別采用本文系統和嵌入式系統對虛擬示波器數據進行采集，對兩種系統的采集時間和存儲時間進行比較分析，得到的結果如表1所示。

分析表1可以看出，采用本文系統對數據進行采集所需的采集時間和存儲時間均優于嵌入式系統，說明本文系統的整體運行時間遠遠低于嵌入式系統，驗證了本文系統的高效性。在上述實驗的基礎上，對本文系統和嵌入式系統的采集數量和采集準確率進行比較分析，得到的結果如表2所示。分析表2可以看出，和嵌入式系統相比，采用本文系統進行數據采集時，不僅采集的數據量和實際故障數據量基本相同，而且采集正確率也遠遠高于嵌入式系統，說明本文系統具有很高的準確性。

4 結 論

本文設計了一種故障信號檢測虛擬示波器數據采集系統，介紹了系統的總體結構，衰減保護控制電路、信號調理電路、A/D轉換、數據緩存和單片機。為了達到理想精度的模/數轉換結果，通過信號調理電路使輸入信號和A/D模塊滿量程值之間的差異盡可能的達到最小。利用Ateml公司的AVR系列單片機ATmega32和AD574組成的A/D轉換電路對數據進行轉換和采集。為了避免因電壓幅值過大造成芯片損壞的現象出現，在系統的輸入端設計了比例衰減與過壓保護電路。軟件設計中，詳細分析了A/D采集的主程序及相關實現代碼。實驗結果表明，所提系統不僅采集精度高，而且所需時間短，具有很高的采集性能。

參考文獻

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