基于S3C2410的振动测试分析仪的研制

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，内存只有几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晶屏，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640×480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,22cm×18cm×10cm,携带方便,较以前产品，性能有了大幅度的提高。

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片HY57V561620 ）组成。底板的接口采用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接口、SPI接口、IIS接口、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0.18μm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口、RTC、8路10位ADC、Touch Screen接口、IIC-BUS 接口、IIS-BUS接口、2个USB主机、1个USB设备、SD主机和MMC接口、2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在203MHz。每秒钟的运算能力为203×1.1MIPS，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ORCAD格式的电路原理图。小经验：国内的硬件工程师普遍熟悉PROTEL软件，对ORCAD不是很熟悉，用PROTEL 2004可以直接打开ORCAD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，所以电路板的制作采用了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

底板主要由A/D电路、TFT彩色屏接口、网络接口电路、触摸屏接口电路组成，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；0.35μs采样保持获取时间，每一个通道转换时间1.65μs；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；具有高速并行接口，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130kHz。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500Hz，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的接口电路的设计如图1所示。

图1 AD7864与S3C2410的接口设计

其中AIN1-AIN8是模拟信号的输入，DATA0-DATA11是S3C2410的数据总线的低12位，EINT0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NGCS1、NGCS2，对AD7864进行读操作用BANK1、BANK2的首地址，即0x08000000，0x10000000。CONV_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驱动器，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640×480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的数字接口部分如图2所示。

图2 PD064VT4显示屏与S3C2410的数字接口部分

S3C2410的LCD驱动器接口是24位的RGB接口，其输出信号为VD0-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G0-G5相连，VD18-VD23和R0-R5相连。VD0、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口界面采用了电阻式触摸屏，加上采用了640×480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自带了触摸屏的接口电路，触摸屏接口的设计比较简单。触摸屏接口电路如图3，其中YU、YL、XR、XL表示4线电阻式触摸屏的的4个接口信号。

图3 触摸屏接口电路

信号输入接口板

信号输入接口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）， 信号输入接口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。

信号输入接口板和底板的连接关系如图4所示。

图4 信号输入接口板和底板的连接关系

IO1-IO7是S3C2410的8个IO口线，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是信号输入接口板输出给AD7864去进行采样的交流或直流信号。KPH信号是转速信号，送到S3C2410的定时器去测量转速。CLK的频率是KPH频率的128倍，也即外部同步采样频率信号，通过信号输入接口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640×480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。

图5 整体软件流程图

图6 信号的A/D采集流程图

结束语

本文详细的说明了基于S3C2410的振动测试分析仪的硬件电路设计及软件设计过程，采用了ARM9的S3C2410处理器，较以往产品的性能有大幅度的提高。由于S3C2410的内核频率及外部总线的频率很高，自带彩色LCD驱动器及触摸屏接口，所以大大提高了FFT运算的能力，可以用于实时监测，并简化了A/D数据采集部分的电路设计和成本，另外人机接口非常的友好，界面漂亮。