故障信号检测虚拟示波器数据采集系统设计

周伟，王甜甜

（郑州大学西亚斯国际学院电子信息工程学院，河南　郑州　451150）

故障信号检测虚拟示波器数据采集系统设计

周伟，王甜甜

（郑州大学西亚斯国际学院电子信息工程学院，河南郑州451150）

为了获取虚拟示波器故障信号数据，设计一种故障信号检测虚拟示波器的数据采集系统，该系统主要由衰减保护控制电路、信号调理电路、A/D转换、数据缓存和单片机5部分组成。通过减少信号调理电路使输入信号和A/D模块满量程值之间的差异达到理想的精确度。利用单片机ATmega32和AD574组成的A/D转换电路对数据进行转换和采集。在系统的输入端设计比例衰减与过压保护电路，避免因电压幅值过大造成芯片损坏。软件设计中，详细分析A/D采集的主程序及相关实现代码。实验结果表明，所提系统采集精度高，所需时间短，具有很高的采集性能。

故障信号；虚拟示波器；数据采集；故障信号检测

0　引言

随着计算机应用技术的快速发展，虚拟示波器因其结构简单、易于硬件集成、成本低、设备更新周期长而被广泛应用于故障信号检测中［1-2］。数据采集系统是故障信号检测虚拟示波器的关键，数据采集性能的好坏直接影响整个系统的质量［3］。因此，设计一种高效、高精度的数据采集系统已经成为相关学者研究的重点课题，受到了越来越广泛的关注［4-5］。

目前，有关故障信号检测虚拟示波器数据采集系统的研究有很多，相关研究也取得了一定的成果。文献［6］设计了一种基于虚拟仪器的数据采集系统，该系统介绍了数据采集的硬件设计及配套的软件开发，通过PCI接口对数据进行传递，使采样频率达到100 MHz，用户可利用软面板设置参数，得到的数据被传输至系统内存，以波的方式在软面板上显示出来，但该系统只适用于强故障信号的采集，针对弱故障信号，其无法实现采集。文献［7］利用计算机对实际人工操作进行模拟，在保证所采集数据质量的同时，大大加强了数据的采集效率，但该系统容易受到存储空间与通信接口的影响，采集精度较低，没有达到系统的需要。文献［8］设计了一种基于FPGA的机器视觉图像采集系统，依据相关研究，建立以FPGA为主处理器的基本结构，依据系统需求，决定详细的芯片型号，通过设计的信号采集电路对数据进行采集，所提系统稳定性较高，但实时采集能力较差。

针对上述方法的弊端，设计了一种故障信号检测虚拟示波器数据采集系统，介绍了系统的总体结构。通过信号调理电路使输入信号和A/D模块满量程值之间的差异尽可能的达到最小，利用A/D转换电路对数据进行转换和采集，在系统的输入端设计了比例衰减与过压保护电路。软件设计中，详细分析了A/D采集的主程序及相关实现代码。实验结果表明，所提系统不仅采集精度高，而且所需时间短，具有很高的采集性能。

1　硬件设计

1.1系统总体设计方案

本故障信号检测虚拟示波器数据采集系统的总体结构如图1所示。虚拟示波器的模拟故障信号经衰减保护控制电路后进入信号调理电路，经AD526放大后被发送至AD574进行模/数转换，将得到的结果保存至缓存芯片IDT7202中，单片机通过对缓存器进行查询判断是向其写入数据还是从中读出数据命令，从而实现数据采集。

图1　数据采集系统总体结构

1.2信号调理电路

为了达到理想精度的模/数转换结果，需使输入信号和A/D模块满量程值之间的差异尽量小。信号调理的主要目的是使输入信号达到A/D转换器的幅度要求，并且使输入信号的幅度增加。信号调理电路图见图2。

图2　信号调理电路图

由图2可看出，信号调理电路主要是通过AD526和单片机ATmega32实现的。AD526是由美国AD公司提供的，放大倍数完全满足系统要求，而且可以通过一组数码对其进行调控。按照要求将输入信号调整至合理的A/D转换输入区域，通过AD574转换电路完成转换，以保证低输入情况下的转换准确率，增加故障信号检测虚拟示波器数据采集系统的动态范围。

1.3A/D转换电路

A/D转换电路主要由Ateml公司的AVR系列单片机ATmega32和AD574组成，详细电路图如图3所示。

图3　A/D转换电路

在A/D转换电路中，选择AD574芯片0～10 V单极性输入的形式，将AD574芯片的第2引脚和地直接相连，以完成12位高精度转换，得到的结果被分成两次进行输出。将AD574的状态引脚STS和单片机PC的第3引脚相连，通过查询的形式获取转换结果。如果R/-C C为0，则开启A/D转换器，经20 μs后STS接第1引脚，则A/D转换完成，当前将R/-C置1，也就是在虚拟示波器的数据端对数据进行读取。

1.4衰减保护控制电路

为了避免因电压幅值过大造成芯片损坏的现象出现，系统的输入端设计了比例衰减与过压保护电路，电路图如图4所示。

图4　衰减保护控制电路

由图4可知，衰减保护控制电路通过单刀多掷开关确定衰减比例，将虚拟示波器采集故障信号的电压降低至±1 V范围之内，从而保证芯片的正常运行，则系统可采集低于36 V安全电压的故障信号了。除此之外，因为故障信号存在噪声，尖峰脉冲的瞬时电压很可能达到100 V，使芯片被严重损害，所以设计了过压保护电路，通过2 V的稳压管对芯片进行保护。

2　软件设计

2.1A/D采集程序设计

为了达到理想的数据采集效率，将采样最小时间设置为1 μs。A/D采集程序设计流程图如图5所示。

图5　A/D采集程序设计流程图

2.2代码设计

详细的数据采集源代码如下：

3　实验结果分析

为了验证本文设计的故障信号检测虚拟示波器数据采集系统的有效性，需要进行相关的实验分析。实验将嵌入式系统作为对比进行分析。将故障信号检测发生器的信号作为输入信号，直接从软件界面上观察波形的改变情况。采用本文系统对某通道的数据进行采集。当波形显示如图6所示时，调节控制面板上的按钮，使波形的形状出现变化，以模拟故障信号，这时的波形如图7所示。

图6　某通道波形

图7　通道参数改变

对频率是250 Hz时的波形进行采集，得到的波形图如图8所示。波形的详细信息如图9所示。

图8　通道250 Hz的故障信号波形

图9　通道采集结果

分析上述过程可以看出，采用本文系统对故障信号检测虚拟示波器数据进行采集，得到的信息较为全面，验证了本文系统的有效性。分别采用本文系统和嵌入式系统对虚拟示波器数据进行采集，对两种系统的采集时间和存储时间进行比较分析，得到的结果如表1所示。

表1　两种系统运行时间比较结果s

分析表1可以看出，采用本文系统对数据进行采集所需的采集时间和存储时间均优于嵌入式系统，说明本文系统的整体运行时间远远低于嵌入式系统，验证了本文系统的高效性。在上述实验的基础上，对本文系统和嵌入式系统的采集数量和采集准确率进行比较分析，得到的结果如表2所示。分析表2可以看出，和嵌入式系统相比，采用本文系统进行数据采集时，不仅采集的数据量和实际故障数据量基本相同，而且采集正确率也远远高于嵌入式系统，说明本文系统具有很高的准确性。

4　结论

本文设计了一种故障信号检测虚拟示波器数据采集系统，介绍了系统的总体结构，衰减保护控制电路、信号调理电路、A/D转换、数据缓存和单片机。为了达到理想精度的模/数转换结果，通过信号调理电路使输入信号和A/D模块满量程值之间的差异尽可能的达到最小。利用Ateml公司的AVR系列单片机ATmega32和 AD574组成的A/D转换电路对数据进行转换和采集。为了避免因电压幅值过大造成芯片损坏的现象出现，在系统的输入端设计了比例衰减与过压保护电路。软件设计中，详细分析了A/D采集的主程序及相关实现代码。实验结果表明，所提系统不仅采集精度高，而且所需时间短，具有很高的采集性能。

表2　两种系统准确性比较结果

［1］李军，刘凤，刘志华，等.便携式虚拟示波器的设计与实现［J］.中国仪器仪表，2013（3）：58-61.

［2］吴建，王高，王明艳，等.基于高速数据采集卡DAQCard-010501的虚拟示波器设计［J］.电子测试，2013（6）：30-33.

［3］刘培珍，夏湖培，姚金杰.基于LabWindows/CVI的地下震动信号检测与处理系统［J］.测试科学与仪器（英文版），2015，6（1）：57-62.

［4］李正友，李天伟，王沛，等.便携式航海仪器电路虚拟检测和诊断系统［J］.计算机测量与控制，2008，16（3）：301-303.

［5］陈新华，尹川，谷士鹏.基于MDC103的模拟飞控数据采集系统设计与联试故障分析［J］.科技创新导报，2014（31）：81-82.

［6］马杨云，牟方锐，王章瑞.100 MHz虚拟示波器数据采集卡的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2003，11（12）：983-985.

［7］袁雪，张志文，司庆丹.基于ARM的智能数据采集系统设计［J］.国外电子测量技术，2014，34（11）：66-71.

［8］崔宏巍，胡松华.基于数据融合技术的汽车发动机数据采集系统研究与设计［J］.现代制造，2015（24）：145-147.

Design of data acquisition system for virtual oscilloscope to detect fault signal

ZHOU Wei，WANG Tiantian
（School of Electronics Information and Engineering，SIAS International University，Zhengzhou University，Zhengzhou 451150，China）

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.

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

TN911.23-34；TP312

A

1004-373X（2016）20-0097-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.20.024

2016-02-26

国家自然科学基金（61305612）；郑州大学西亚斯国际学院2014年度科研经费资助项目（2014KYZD03）

周伟（1984—），男，河南泌阳人，讲师。主要研究方向为嵌入式技术。