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        基于PCI-1715U數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

        2013-09-29 12:16:54龍璽宇高宏力王耀琦王振剛
        制造技術(shù)與機床 2013年11期
        關(guān)鍵詞:信號服務(wù)系統(tǒng)

        龍璽宇 高宏力 王耀琦 王振剛

        (西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院,四川成都 610031)

        在工業(yè)迅速發(fā)展的今天,計算機技術(shù)的發(fā)展,其中一個重要的方面就是在工業(yè)生產(chǎn)過程中對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集、分析和保存[1]。本文介紹了研華公司開發(fā)的一款多功能、高效能數(shù)據(jù)采集卡PCI-1715U在數(shù)據(jù)采集上的應(yīng)用,利用VC進行采集系統(tǒng)的開發(fā),和該系統(tǒng)在一臺實際數(shù)控機床主軸和絲杠等關(guān)鍵機械部件故障診斷中的應(yīng)用。應(yīng)用這一系統(tǒng)為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供重要信息和手段。

        1 PCI-1715U 數(shù)據(jù)采集卡介紹[2]

        PCI-1715U高速采集卡的安裝過程比較簡單,在正確安裝了設(shè)備驅(qū)動程序后,關(guān)機→插卡→開機,使用Device Manager工具來添加板卡并進行簡單的測試。PCI-1715U數(shù)據(jù)采集卡是一個帶有PCI總線的隔離保護的高速模擬輸入卡,能夠?qū)iT針對高速數(shù)據(jù)進行采集。PCI-1715U 主要特性如下[3]:

        (1)模擬量的輸入可以單獨采用32路單端或16路差分方式,或者利用單端和差分兩種不同組合方式輸入完成傳感器多通道采樣。

        (2)自動通道/增益掃描。

        (3)各輸入通道的增益,輸入范圍包括±10 V,±5 V,±2.5 V以及0~5 V,0~10 V等??筛鶕?jù)實際采集信號的電壓范圍分別進行變換。

        (4)12位A/D轉(zhuǎn)換器,對于采集數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換,支持三種觸發(fā)方式:外部定時器觸發(fā)、內(nèi)部定時器觸發(fā)以及軟件觸發(fā)。

        (5)采集卡最高采樣速率可達到500 kHz。具備1 k的FIFO緩沖器。支持32位PCI總線控制DMA數(shù)據(jù)傳送方式。

        (6)具備研華專屬板卡和板卡裝置識別碼,一旦用戶同時插入了多張板卡,每張板卡都能夠被輕易辨識,方便了系統(tǒng)的通道擴展。

        2 應(yīng)用實例

        2.1 采集硬件

        通過在數(shù)控機床的主要運動部件絲杠副、主軸以及導(dǎo)軌滑塊上安裝傳感器來采集數(shù)據(jù),達到對數(shù)控機床運行的實時監(jiān)測。采集硬件是由傳感器、采集卡、工控機以及信號調(diào)理儀組成,其連接示意圖如圖1所示。

        合同還尤其注重對維保服務(wù)提供方進行服務(wù)質(zhì)量考核以及確保信息數(shù)據(jù)安全。這也是此前雙方合同中從未設(shè)置過的,唐通軍表示。

        傳感器把機械振動狀態(tài)信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗须妷耗M信號,由于傳感器信號受到實際現(xiàn)場和環(huán)境的影響有很多噪聲信號的干擾,信號調(diào)理儀就是對傳感器的信號進行放大、濾波、包絡(luò)等預(yù)處理,使其轉(zhuǎn)換為采集卡能夠識別的信號。一共需要55個信號采集通道,所以同時使用兩塊板卡進行采集。在這個采集系統(tǒng)中一共采用了27只傳感器,其中電流傳感器4只,溫度傳感器6只,單向振動傳感器有6只,三向振動傳感器10只,聲發(fā)射傳感器1只。

        2.2 參數(shù)設(shè)置

        采集數(shù)據(jù)之前要先設(shè)置好相關(guān)的數(shù)據(jù)采集參數(shù),其中有:采樣長度、最高分析頻率、觸發(fā)方式、采樣頻率、放大倍數(shù)等等。根據(jù)Shannon采樣定理,帶限信號(信號中的頻率成分f<fmax)不丟失信息的最低采樣頻率為fs≥2fmax。式中,fmax為原信號中最高頻率成分的頻率[4]。最高分析頻率Fm與采樣頻率Fs之間的關(guān)系為[5]:Fs=2.56Fm。設(shè)備的轉(zhuǎn)速和故障性質(zhì)決定了最高分析頻率Fm的選擇。

        在數(shù)控機床加工過程中最常用的主軸最高轉(zhuǎn)速能達到1.0×104r/min左右,為了方便計算,可取轉(zhuǎn)速為R=12 000 r/min=200 Hz。最高分析頻率計算公式為:Fm=10×R=10×200 Hz=2 000 Hz。則采樣頻率計算公式為:Fs=2.56×Fm=2.56×2 000=5 120 Hz,取采樣頻率為5 000 Hz;

        要求頻率分辨率ΔF=1 Hz,則采樣點數(shù)為N=Fs/ΔF=5 120,取為 5 120;

        放大參數(shù)和觸發(fā)方式可以在采集的時候根據(jù)實際研究情況進行調(diào)整,使信號便于傳輸和處理。

        2.3 采集類型

        對數(shù)據(jù)采集板卡進行編程使用的方式主要有以下三種:軟件觸發(fā)方式,中斷方式,DMA方式。

        由于系統(tǒng)采集高速性和實時性的要求,數(shù)據(jù)采集方式采用 DMA(Direct Memory Access,直接內(nèi)存存取)。DMA傳輸不通過處理器,直接進行數(shù)據(jù)交換,是一種較為快速的數(shù)據(jù)傳輸方式,適合于大量數(shù)據(jù)的傳輸[1]。通過不斷查詢驅(qū)動程序中的緩存,更改事件消息通知來控制緩存的變換以及數(shù)據(jù)的傳輸。同時利用停止事件通知來控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐V购筒蓸拥慕K止。DMA高速采集數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

        2.4 軟件設(shè)置

        因為本次數(shù)據(jù)采集的信號為電壓信號,所以主要采集程序代碼如下:

        第一步:打開設(shè)備

        第二步:取得設(shè)備設(shè)置

        第三步:確定中斷事件類型

        第四步:開始DMA模式數(shù)據(jù)傳輸

        2.5 服務(wù)程序的設(shè)計

        整個軟件系統(tǒng)中,實時大量數(shù)據(jù)的采集和存儲設(shè)計為開機自動運行,能自動進行采集和存儲。采集的數(shù)據(jù)以文本文件的方式存儲在計算機里。服務(wù)程序包含以下三個主要函數(shù):

        (1)服務(wù)程序主函數(shù)(main):調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)Start-ServiceCtrlDispatcher,連接程序主線程到服務(wù)控制管理程序。

        (2)服務(wù)入口點函數(shù)(ServiceMain):執(zhí)行服務(wù)初始化任務(wù),同時執(zhí)行多個服務(wù)的服務(wù)進程,有多個服務(wù)入口函數(shù)。

        (3)控制服務(wù)處理程序函數(shù)(Handle):在服務(wù)程序接收到控件請求時,由控制分發(fā)線程引用(Service_Ctrl)。

        主要程序代碼:

        服務(wù)程序編寫完成后,系統(tǒng)在運行此服務(wù)之前需要使用InstallService函數(shù)安裝登記服務(wù)程序,刪除服務(wù)程序則需要利用removeService函數(shù)先刪除服務(wù)安裝登記。本服務(wù)程序包括三個子應(yīng)用程序,如圖3。

        Data.exe用于新服務(wù)的實現(xiàn),將其拷貝至c:目錄下,供安裝程序調(diào)用。

        Install.exe用于新服務(wù)的安裝,將其拷貝至:c:目錄中,然后在Windows NT中單擊“開始”,再單擊“運行”。輸入以下命令進行安裝(圖4):c:install.exe DataService“Date”c:Data.exe。

        安裝完畢后,可在控制面板的服務(wù)程序中看到新增的服務(wù)Data,點擊右鍵選擇“屬性”,可設(shè)置服務(wù)的啟動類型、服務(wù)的狀態(tài)和啟動參數(shù)。如圖5所示。

        uninstall.exe用于新服務(wù)的卸載,如圖6所示。將其拷貝至c:目錄中,然后在Windows NT中單擊“開始”,再單擊“運行”。輸入以下命令進行卸載:c:un-install.exe DataService。其中 DataService就是在安裝服務(wù)生成的供SCM內(nèi)部使用服務(wù)。

        2.6 界面顯示

        Visual C++是Microsoft公司開發(fā)的可視化編程工具,由于C++具有強大的功能及可靠性、可擴充性、可維護性等優(yōu)點,在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7]。

        將采集所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為在軟件界面上進行實時顯示。圖7則是通過Visual Studio 2005設(shè)計的采集界面,通過選擇不同的傳感器列表即可觀察到所采集的電壓信號變化情況。

        3 結(jié)語

        該系統(tǒng)通過在數(shù)控機床重要零部件上安裝傳感器,利用研華PCI-1715U板卡進行采集數(shù)據(jù),用VC為主要開發(fā)語言,Visual Studio 2005為程序開發(fā)平臺設(shè)計和管理線程以及界面,數(shù)據(jù)采集和存儲作為一個系統(tǒng)服務(wù)在開機之前啟動,通過這個采集系統(tǒng)的設(shè)計達到對機床加工過程的實時監(jiān)控。其可廣泛應(yīng)用于多種高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域,具有良好的通用性和可擴展性。

        [1]張朋,張振東.PCI-1718數(shù)據(jù)采集卡在VB工程中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化,2011(10).

        [2]ADVANTECH 公司.PCI-1715U User's Manual[Z].Taiwan,2001.

        [3]修有峰.電液比例調(diào)速閥計算機測試實驗系統(tǒng)的研究[D].濟南:濟南大學(xué),2008.

        [4]吳希曦.高檔數(shù)控機床關(guān)鍵部件故障智能診斷技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2011.

        [5]IOS,IOS 4336:1981,Numerical control of machine-specification of interface signals between the numerical control unit and the electrical equipment of an NC machine[Z].USA,ISO,2000.

        [6]王琳,陳健,闊永紅.PCI數(shù)據(jù)采集卡的DMA和中斷實現(xiàn)[J].電子科技,2007(2).

        [7]王星,蔡廷文.基于VC++的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計算機應(yīng)用技術(shù),2008(11).

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