基于單片機與傳感器的振動(dòng)信號分布式檢測方法
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由于加速度傳感器及電荷放大器的連接線(xiàn)纜的距離限制，采用集中的數據采集和處理系統在空間距離較遠的場(chǎng)合很難實(shí)現，其可靠性和抗干擾問(wèn)題很難解決。常采用分布式檢測方法:即設置多個(gè)數據采集站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)采用一套單獨的數據采集和處理系統，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信將各站點(diǎn)相互連結起來(lái)，然后由一臺系統機進(jìn)行集中數據處理，提取相關(guān)特征信息。
C8051F020單片機性能特點(diǎn)
CYGNAL的C8051F020是集成模擬、數字信號的混合信號系統級SOC(System On Chip)單片機，與目前常用的51系列單片機指令集完全兼容。采用100腳TQFP封裝，體積小，運算速度快。它采用CYGNAL公司的專(zhuān)利CIP-5l微處理器內核。CIP-5l在提升805l速度上采取了新的途徑，即設法在保持CISC結構及指令系統不變的情況下，對指令運行實(shí)行流水作業(yè)。在這種模式中，廢除了機器周期的概念，指令以時(shí)鐘周期為運行單位。平均每個(gè)時(shí)鐘可以執行完l條單周期指令，從而大大提高了指令運行速度。
與805l相比，C8051F020在相同時(shí)鐘下單周期指令運行速度為原來(lái)的12倍，整個(gè)指令集平均運行速度為原來(lái)805l的9.5倍，使CYGNAL單片機系列進(jìn)入了8位高速單片機行列。同時(shí)，C805lF020單片機延續了C805lF系列特有的優(yōu)先權數字交叉開(kāi)關(guān)配置技術(shù)。這項技術(shù)的核心就是以硬件方式為內部的數字資源配置端口I/O引腳。與標準復用數字I/O不同，這種結構可支持更多的功能組合。PCA、比較器、定時(shí)器等按優(yōu)先級別分配到所選擇端口上。使用者也可以只為所用到的數字資源分配I/O引腳。任何未配置使用的端口I/O被組合在一起，作為GPIO。
MXA2500GL加速度傳感器的性能特點(diǎn)
MXA2500GL是MEMSIC公司專(zhuān)利技術(shù)生產(chǎn)的雙軸式絕對模擬輸出加速度傳感器。它根據熱對流原理在兩個(gè)軸線(xiàn)都可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)加速度(例如振動(dòng))和靜態(tài)加速度(例如重力加速度)的測量，因此廣泛應用于汽車(chē)穩定性控制、安全性控制、接近角控制、血壓監視器、電子羅盤(pán)傾斜校正、數碼相機、電梯等領(lǐng)域。與普通壓電式加速度傳感器不同的是，MXA2500GL實(shí)際是按照標準CMOS工藝制造的單片集成電路，它的輸出是0.1～4.9V(5V電源的情況)的電壓信號，無(wú)需電荷放大器就可以直接與A/D卡相連，因此會(huì )使整個(gè)測試系統不僅結構緊湊，而且抗干擾性非常強。
基本工作原理是：在硅片中心的空腔中懸掛一個(gè)氣體熱源，同時(shí)在熱源的4個(gè)對角(即2個(gè)軸線(xiàn)方向)處，均勻放置鋁/多晶硅溫差電堆(熱電偶)。當加速度為零時(shí)，熱源的溫度梯度是對稱(chēng)的，所以4個(gè)溫差電堆的溫度相同，因此這2個(gè)軸線(xiàn)方向輸出相同的電壓。而任何方向的加速度都會(huì )擾亂這種平衡的溫度形式，使熱源的溫度梯度不對稱(chēng)。根據熱傳導的自由對流原理，4個(gè)溫差電堆的溫度及其輸出信號—電壓都是不同的。但是這些電壓信號與加速度是成比例變化的。這樣通過(guò)測量電壓就可以確定加速度的值。在傳感器上有兩個(gè)相同加速度信號通道，一個(gè)測量X方向，另一個(gè)測量Y方向。圖1給出了它的基本結構。
圖1 MXA2500GL加速度傳感器的結構圖
分布式檢測系統的硬件架構
系統以C8051F020單片機為從機，PC為主機。由于單片機體積小、功能強、價(jià)格低廉，因此性?xún)r(jià)比非常高。目前主流的PC有2個(gè)標準的RS-232串行口，采用的是EIA電平，而C8051F020單片機的TX引腳(發(fā)送數據)、RX引腳(接收數據)使用的是TTL電平，兩者之間進(jìn)行可靠通信必須要用電平轉換芯片，系統采用MAX232/MAX485芯片。為了實(shí)現資源共享，任務(wù)分擔的目標，在分布式計算機系統中關(guān)鍵就是確保主機和各從機之間數據通信的準確可靠。
由于PC機本身并不具備多機通信功能，所以目前普遍采用的通信方式有兩種：一種是利用“橋梁”硬件—多機通信卡。通信卡一般有兩種形式，應用最廣的是以51單片機為核心，結合8255、6116、2716等芯片構成的通信卡。該卡可以插在PC的擴展槽中，各從機與通信卡中單片機進(jìn)行串行通信，而PC通過(guò)8255芯片與卡上的單片機進(jìn)行并行通信。另外一種通信卡僅僅由單片機構成(也就是犧牲一個(gè)單片機做通信中轉)，從機與通信卡及PC與通信卡之間都是串行通信;另一種方式是在PC的串口上軟件模擬51系列單片機串口可編程第9位數據功能實(shí)現多機通信，系統采用的是后一種方式。另外由于遠距離傳輸，系統中使用了MAX485芯片，同時(shí)還使用了光電隔離來(lái)提高系統的抗干擾能力。圖2給出了整體硬件架構。
圖2 分布式檢測系統的硬件架構
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