黃均安

摘 要：該文設(shè)計了一種基于ERTU的機床振動信號采集處理的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過ICP加速度傳感器采集模塊，存儲模塊，主系統(tǒng)模塊等，把電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入ERTU系統(tǒng)，從而實現(xiàn)振動信號的采集和處理。

關(guān)鍵詞：ERTU系統(tǒng) 振動信號 ICP加速度傳感器 硬件

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（a）-0033-02

在機床切削加工過程中，機械振動是一種極為有害的現(xiàn)象。由于振動的產(chǎn)生，降低了工件加工表面的質(zhì)量，同時加劇了刀具和機床零件的磨損，有時甚至能造成切削工作不能正常進行。因此在金屬機床切削工作過程中，對振動信號的實時監(jiān)控顯得尤為重要。該文提出了基于振動信號的ERTU硬件系統(tǒng)的研究。

1 ERTU系統(tǒng)的基本概況

電能量數(shù)據(jù)采集遠方終端（ERTU）是電能量計量管理系統(tǒng)的重要組成部分。它通過RS-485或脈沖方式，采集各個計量點電表數(shù)據(jù)，并存儲在終端，經(jīng)處理后，通過適當?shù)耐ㄓ嵧ǖ?，如以太網(wǎng)絡(luò)，語音MODEM，專線MODEM，光纖，GPRS等方式發(fā)送給遠方主站。一個典型的ERTU主要由以下的模塊構(gòu)成：主系統(tǒng)模塊，通訊模塊（以太網(wǎng)，RS485，MODEM網(wǎng)卡），ICP加速度傳感器采集模塊，存儲模塊，顯示模塊（包括鍵盤設(shè)計），電源模塊，維護模塊（本地RS232通訊），如圖1所示。

除這些模塊之外，每個模塊都還有相對應(yīng)的保護功能，這些保護功能對于每個模塊的設(shè)計要求不盡相同。

ERTU系工業(yè)級產(chǎn)品，需要防磁、防震、防潮、防雷，并適用于變電站安裝。

圖1顯示的是ERTU的模塊組成，這個系統(tǒng)即可以看作是硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，也可以當作軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)的軟硬設(shè)計是按照自上而下考慮的，硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計可以提高設(shè)計效率，縮短開發(fā)和調(diào)試周期，降低開發(fā)強度。下面主要從硬件系統(tǒng)方面來分析ERTU的開發(fā)。

2 ERTU硬件設(shè)計

在圖1中，可以看出主系統(tǒng)模塊是ERTU的核心，它不僅需要完成讀取、處理和存儲各種規(guī)約表計的大量數(shù)據(jù)，同時也需要處理RS485/232，以太網(wǎng)絡(luò)，MODEM等多方式、多主站通信，還需要解析IEC60870-5-102規(guī)約，液晶顯示和鍵盤設(shè)置維護等工作。這些復(fù)雜的功能要求終端必需具有強大的運算處理能力，8/16位的CPU或者單片機是無法勝任這些要求的。顯然具有高性能的32位嵌入式CPU才是必然選擇。

一般而言，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計主要分為封閉式和開放式體系結(jié)構(gòu)。封閉式體系結(jié)構(gòu)又稱為芯片級嵌入，其產(chǎn)品主要針對某種特定任務(wù)專門設(shè)計，專用性較強，不依賴于某種總線標準。開放式體系結(jié)構(gòu)又被稱為板級嵌入，與封閉式體系結(jié)構(gòu)恰好相反，其設(shè)計立足于公開的工業(yè)總線標準。立足于開放的總線標準，設(shè)計者可以做出各類模板級產(chǎn)品供用戶靈活選擇，如人機接口板、信號調(diào)理板、CPU板、模擬量I/O板和數(shù)字量 I/O板、系統(tǒng)支持板等。由于標準統(tǒng)一，用戶可以根據(jù)自身條件和實際情況選擇不同種類和數(shù)量的功能模板，組合成相符合自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)，從而縮短了開發(fā)周期，減小了開發(fā)費用，在實際生產(chǎn)中，嵌入式工業(yè)系統(tǒng)采用最多的就是這種嵌入方式。

除開放和標準以外，嵌入式系統(tǒng)還具有以下特性。

（1）堅固性。在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬切削機床的環(huán)境往往較差，多油污和鐵屑，在對振動信號的實時監(jiān)控時，設(shè)備自身必須能夠承受一定的振動，插卡的固定能力要強，電源穩(wěn)定可靠，同時有良好的耐高溫能力。

（2）低的平均故障修復(fù)時間。為了節(jié)約維修時間和成本，將控制機去掉有源電路的背板，把功能分散到其它插板上，當插板出現(xiàn)故障后，只需更換插板，就可以實現(xiàn)故障的維修。

（3）標準化。通過使用標準化設(shè)備，用戶逐漸從專用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基于標準的架構(gòu)，設(shè)備的通用性和易用性得到提高，同時使得組件的維護更加方便。此外標準架構(gòu)的產(chǎn)品容易從多個不同的供應(yīng)商那里得到，經(jīng)濟性得到體現(xiàn)。

一個成功的嵌入式系統(tǒng)模板硬件設(shè)計還應(yīng)考慮以下方面。

（1）兼容性。嵌入式系統(tǒng)要做到和PC、MS-DOS、LINUX完全兼容，充分利用商用PC所積累的軟、硬件資源。

（2）克服總線數(shù)據(jù)寬度和速度瓶頸，產(chǎn)品升級。標準工業(yè)總線雖然使得系統(tǒng)開放，但也限制了處理器性能的發(fā)揮。常規(guī)的辦法是采用高性能總線，但這無疑會大幅度增加設(shè)計費用和產(chǎn)品成本。這里筆者是采用集成模板和I/O總線設(shè)計方案，將局部高速總線和慢速系統(tǒng)總線相結(jié)合設(shè)計，把對速度要求高的CPU、存儲器、硬盤和需要高速訪問的I/O接口等做在一塊集成模板上，把相對慢速的I/O部分放在總線上。

ERTU硬件系統(tǒng)所采用的是板級嵌入，主系統(tǒng)CPU板的選擇是ERTU嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵，直接決定相應(yīng)的外圍系統(tǒng)模塊的開發(fā)，硬件系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的平臺又影響著軟件的開發(fā)，所以選擇合理的嵌入式主CPU板是ERTU系統(tǒng)研發(fā)的重點。目前在主系統(tǒng)板的市場上有兩大主流產(chǎn)品：X86系列，ARM9系列。筆者這里僅對X86主系統(tǒng)的特點進行簡單介紹。

X86微處理器（SCM-7020）SCM-7020選擇的是AMD Gedode GX1處理器，具有以下的特點。

①X86兼容64位微處理器，支持MMX指令系統(tǒng)，速度高達300 MHz。

②SVGA顯示接口支持CRT及TFT。

③在板內(nèi)最大可達128M。

④16KB L1回寫緩存。

⑤支持軟驅(qū)、IDE硬盤。

⑥兩串一并口。

⑦USB1.1接口。

⑧在板10/100BaseT以太網(wǎng)接口。

⑨16位PC/104總線。

⑩PC/104兼容。

可見這款CPU的硬件資源非常豐富，幾乎不用擴展就可以滿足ERTU的硬件資源要求。同時支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，如Wince、Ucos、Linux等。通過對CPU進行分析不難發(fā)現(xiàn)，這款微處理器的硬件資源可以滿足ERTU硬件系統(tǒng)設(shè)計要求， Gedode GX1處理器支持PC/104系統(tǒng)，大部分的外部硬件資源都是通過PC/104來實現(xiàn)。值得系統(tǒng)設(shè)計人員在進行硬件系統(tǒng)設(shè)計時注意的是選擇不同的嵌入式CPU，決定了系統(tǒng)主板的選擇、設(shè)計，也直接影響到外圍系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計。

3 ERTU完成振動檢測的主要硬件結(jié)構(gòu)

ERTU硬件設(shè)計時，主要是由ICP傳感器模塊來實現(xiàn)的。ICP傳感器是內(nèi)裝微型IC放大器的壓電加速度傳感器，它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能直接和記錄、顯示和采集設(shè)備連接，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試精度和可靠性。

此外，為了便于現(xiàn)場的維護、升級，以及操作的方便，增加了顯示模塊，鍵盤設(shè)置模塊。此模塊的正常不會影響整個ERTU的工作，但是顯示和維護模塊可以提高ERTU操作的方便行，系統(tǒng)狀況的可見性。

4 ERTU硬件設(shè)計的考慮

RS485/232數(shù)據(jù)采集電能表數(shù)據(jù)（這里RS485/232可以通過硬件跳線來實現(xiàn)的），然后RS485/232電平轉(zhuǎn)換芯片將采集的數(shù)據(jù)RS485/232電信號，轉(zhuǎn)換成TTL電平，接著進行光耦隔離。再通過多路串口通訊芯片與主板進行電氣連接，同時完成中斷請求，并通過系統(tǒng)片選信號選中此通訊通路。

（1）電能量RS485/232數(shù)據(jù)流，如圖2所示。

（2）ICP加速度傳感器，如圖3所示。

（3）電源模塊是整個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，所以硬件電路設(shè)計要求電源模塊要有高可靠性，一般來說都會采用冗余設(shè)計，AC供電，DC后備，兩者之間無間隙切換（圖4）。

5 結(jié)語

文中設(shè)計了一種基于機床振動信號采集的ERTU硬件系統(tǒng)，通過在真實環(huán)境中驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，各項性能指標能夠滿足技術(shù)要求。

參考文獻

[1] 王佳寧，宋曉南，樊瑞.基于FPGA的振動信號采集處理系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014（12）：41-44.

[2] 宗文俊，李旦，孫濤，等，機床振動對高精度金剛石刀具研磨質(zhì)量的影響[J].航空學報，2005（3）：367-370.

[3] 車霞，鐘佩思，鹿洪榮，等，基于LabVIEW的機床振動信號采集與分析系統(tǒng)[J].機床與液壓，2013（18）：164-168.

[4] 張龍，曾國英，趙登峰，等，機床振動信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]，機床與液壓，2012（40）：71-73.

摘 要：該文設(shè)計了一種基于ERTU的機床振動信號采集處理的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過ICP加速度傳感器采集模塊，存儲模塊，主系統(tǒng)模塊等，把電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入ERTU系統(tǒng)，從而實現(xiàn)振動信號的采集和處理。

關(guān)鍵詞：ERTU系統(tǒng) 振動信號 ICP加速度傳感器 硬件

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（a）-0033-02

在機床切削加工過程中，機械振動是一種極為有害的現(xiàn)象。由于振動的產(chǎn)生，降低了工件加工表面的質(zhì)量，同時加劇了刀具和機床零件的磨損，有時甚至能造成切削工作不能正常進行。因此在金屬機床切削工作過程中，對振動信號的實時監(jiān)控顯得尤為重要。該文提出了基于振動信號的ERTU硬件系統(tǒng)的研究。

1 ERTU系統(tǒng)的基本概況

電能量數(shù)據(jù)采集遠方終端（ERTU）是電能量計量管理系統(tǒng)的重要組成部分。它通過RS-485或脈沖方式，采集各個計量點電表數(shù)據(jù)，并存儲在終端，經(jīng)處理后，通過適當?shù)耐ㄓ嵧ǖ?，如以太網(wǎng)絡(luò)，語音MODEM，專線MODEM，光纖，GPRS等方式發(fā)送給遠方主站。一個典型的ERTU主要由以下的模塊構(gòu)成：主系統(tǒng)模塊，通訊模塊（以太網(wǎng)，RS485，MODEM網(wǎng)卡），ICP加速度傳感器采集模塊，存儲模塊，顯示模塊（包括鍵盤設(shè)計），電源模塊，維護模塊（本地RS232通訊），如圖1所示。

除這些模塊之外，每個模塊都還有相對應(yīng)的保護功能，這些保護功能對于每個模塊的設(shè)計要求不盡相同。

ERTU系工業(yè)級產(chǎn)品，需要防磁、防震、防潮、防雷，并適用于變電站安裝。

圖1顯示的是ERTU的模塊組成，這個系統(tǒng)即可以看作是硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，也可以當作軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)的軟硬設(shè)計是按照自上而下考慮的，硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計可以提高設(shè)計效率，縮短開發(fā)和調(diào)試周期，降低開發(fā)強度。下面主要從硬件系統(tǒng)方面來分析ERTU的開發(fā)。

2 ERTU硬件設(shè)計

在圖1中，可以看出主系統(tǒng)模塊是ERTU的核心，它不僅需要完成讀取、處理和存儲各種規(guī)約表計的大量數(shù)據(jù)，同時也需要處理RS485/232，以太網(wǎng)絡(luò)，MODEM等多方式、多主站通信，還需要解析IEC60870-5-102規(guī)約，液晶顯示和鍵盤設(shè)置維護等工作。這些復(fù)雜的功能要求終端必需具有強大的運算處理能力，8/16位的CPU或者單片機是無法勝任這些要求的。顯然具有高性能的32位嵌入式CPU才是必然選擇。

一般而言，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計主要分為封閉式和開放式體系結(jié)構(gòu)。封閉式體系結(jié)構(gòu)又稱為芯片級嵌入，其產(chǎn)品主要針對某種特定任務(wù)專門設(shè)計，專用性較強，不依賴于某種總線標準。開放式體系結(jié)構(gòu)又被稱為板級嵌入，與封閉式體系結(jié)構(gòu)恰好相反，其設(shè)計立足于公開的工業(yè)總線標準。立足于開放的總線標準，設(shè)計者可以做出各類模板級產(chǎn)品供用戶靈活選擇，如人機接口板、信號調(diào)理板、CPU板、模擬量I/O板和數(shù)字量 I/O板、系統(tǒng)支持板等。由于標準統(tǒng)一，用戶可以根據(jù)自身條件和實際情況選擇不同種類和數(shù)量的功能模板，組合成相符合自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)，從而縮短了開發(fā)周期，減小了開發(fā)費用，在實際生產(chǎn)中，嵌入式工業(yè)系統(tǒng)采用最多的就是這種嵌入方式。

除開放和標準以外，嵌入式系統(tǒng)還具有以下特性。

（1）堅固性。在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬切削機床的環(huán)境往往較差，多油污和鐵屑，在對振動信號的實時監(jiān)控時，設(shè)備自身必須能夠承受一定的振動，插卡的固定能力要強，電源穩(wěn)定可靠，同時有良好的耐高溫能力。

（2）低的平均故障修復(fù)時間。為了節(jié)約維修時間和成本，將控制機去掉有源電路的背板，把功能分散到其它插板上，當插板出現(xiàn)故障后，只需更換插板，就可以實現(xiàn)故障的維修。

（3）標準化。通過使用標準化設(shè)備，用戶逐漸從專用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基于標準的架構(gòu)，設(shè)備的通用性和易用性得到提高，同時使得組件的維護更加方便。此外標準架構(gòu)的產(chǎn)品容易從多個不同的供應(yīng)商那里得到，經(jīng)濟性得到體現(xiàn)。

一個成功的嵌入式系統(tǒng)模板硬件設(shè)計還應(yīng)考慮以下方面。

（1）兼容性。嵌入式系統(tǒng)要做到和PC、MS-DOS、LINUX完全兼容，充分利用商用PC所積累的軟、硬件資源。

（2）克服總線數(shù)據(jù)寬度和速度瓶頸，產(chǎn)品升級。標準工業(yè)總線雖然使得系統(tǒng)開放，但也限制了處理器性能的發(fā)揮。常規(guī)的辦法是采用高性能總線，但這無疑會大幅度增加設(shè)計費用和產(chǎn)品成本。這里筆者是采用集成模板和I/O總線設(shè)計方案，將局部高速總線和慢速系統(tǒng)總線相結(jié)合設(shè)計，把對速度要求高的CPU、存儲器、硬盤和需要高速訪問的I/O接口等做在一塊集成模板上，把相對慢速的I/O部分放在總線上。

ERTU硬件系統(tǒng)所采用的是板級嵌入，主系統(tǒng)CPU板的選擇是ERTU嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵，直接決定相應(yīng)的外圍系統(tǒng)模塊的開發(fā)，硬件系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的平臺又影響著軟件的開發(fā)，所以選擇合理的嵌入式主CPU板是ERTU系統(tǒng)研發(fā)的重點。目前在主系統(tǒng)板的市場上有兩大主流產(chǎn)品：X86系列，ARM9系列。筆者這里僅對X86主系統(tǒng)的特點進行簡單介紹。

X86微處理器（SCM-7020）SCM-7020選擇的是AMD Gedode GX1處理器，具有以下的特點。

①X86兼容64位微處理器，支持MMX指令系統(tǒng)，速度高達300 MHz。

②SVGA顯示接口支持CRT及TFT。

③在板內(nèi)最大可達128M。

④16KB L1回寫緩存。

⑤支持軟驅(qū)、IDE硬盤。

⑥兩串一并口。

⑦USB1.1接口。

⑧在板10/100BaseT以太網(wǎng)接口。

⑨16位PC/104總線。

⑩PC/104兼容。

可見這款CPU的硬件資源非常豐富，幾乎不用擴展就可以滿足ERTU的硬件資源要求。同時支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，如Wince、Ucos、Linux等。通過對CPU進行分析不難發(fā)現(xiàn)，這款微處理器的硬件資源可以滿足ERTU硬件系統(tǒng)設(shè)計要求， Gedode GX1處理器支持PC/104系統(tǒng)，大部分的外部硬件資源都是通過PC/104來實現(xiàn)。值得系統(tǒng)設(shè)計人員在進行硬件系統(tǒng)設(shè)計時注意的是選擇不同的嵌入式CPU，決定了系統(tǒng)主板的選擇、設(shè)計，也直接影響到外圍系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計。

3 ERTU完成振動檢測的主要硬件結(jié)構(gòu)

ERTU硬件設(shè)計時，主要是由ICP傳感器模塊來實現(xiàn)的。ICP傳感器是內(nèi)裝微型IC放大器的壓電加速度傳感器，它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能直接和記錄、顯示和采集設(shè)備連接，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試精度和可靠性。

此外，為了便于現(xiàn)場的維護、升級，以及操作的方便，增加了顯示模塊，鍵盤設(shè)置模塊。此模塊的正常不會影響整個ERTU的工作，但是顯示和維護模塊可以提高ERTU操作的方便行，系統(tǒng)狀況的可見性。

4 ERTU硬件設(shè)計的考慮

RS485/232數(shù)據(jù)采集電能表數(shù)據(jù)（這里RS485/232可以通過硬件跳線來實現(xiàn)的），然后RS485/232電平轉(zhuǎn)換芯片將采集的數(shù)據(jù)RS485/232電信號，轉(zhuǎn)換成TTL電平，接著進行光耦隔離。再通過多路串口通訊芯片與主板進行電氣連接，同時完成中斷請求，并通過系統(tǒng)片選信號選中此通訊通路。

（1）電能量RS485/232數(shù)據(jù)流，如圖2所示。

（2）ICP加速度傳感器，如圖3所示。

（3）電源模塊是整個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，所以硬件電路設(shè)計要求電源模塊要有高可靠性，一般來說都會采用冗余設(shè)計，AC供電，DC后備，兩者之間無間隙切換（圖4）。

5 結(jié)語

文中設(shè)計了一種基于機床振動信號采集的ERTU硬件系統(tǒng)，通過在真實環(huán)境中驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，各項性能指標能夠滿足技術(shù)要求。

參考文獻

[1] 王佳寧，宋曉南，樊瑞.基于FPGA的振動信號采集處理系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014（12）：41-44.

[2] 宗文俊，李旦，孫濤，等，機床振動對高精度金剛石刀具研磨質(zhì)量的影響[J].航空學報，2005（3）：367-370.

[3] 車霞，鐘佩思，鹿洪榮，等，基于LabVIEW的機床振動信號采集與分析系統(tǒng)[J].機床與液壓，2013（18）：164-168.

[4] 張龍，曾國英，趙登峰，等，機床振動信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]，機床與液壓，2012（40）：71-73.

摘 要：該文設(shè)計了一種基于ERTU的機床振動信號采集處理的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過ICP加速度傳感器采集模塊，存儲模塊，主系統(tǒng)模塊等，把電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入ERTU系統(tǒng)，從而實現(xiàn)振動信號的采集和處理。

關(guān)鍵詞：ERTU系統(tǒng) 振動信號 ICP加速度傳感器 硬件

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（a）-0033-02

在機床切削加工過程中，機械振動是一種極為有害的現(xiàn)象。由于振動的產(chǎn)生，降低了工件加工表面的質(zhì)量，同時加劇了刀具和機床零件的磨損，有時甚至能造成切削工作不能正常進行。因此在金屬機床切削工作過程中，對振動信號的實時監(jiān)控顯得尤為重要。該文提出了基于振動信號的ERTU硬件系統(tǒng)的研究。

1 ERTU系統(tǒng)的基本概況

電能量數(shù)據(jù)采集遠方終端（ERTU）是電能量計量管理系統(tǒng)的重要組成部分。它通過RS-485或脈沖方式，采集各個計量點電表數(shù)據(jù)，并存儲在終端，經(jīng)處理后，通過適當?shù)耐ㄓ嵧ǖ?，如以太網(wǎng)絡(luò)，語音MODEM，專線MODEM，光纖，GPRS等方式發(fā)送給遠方主站。一個典型的ERTU主要由以下的模塊構(gòu)成：主系統(tǒng)模塊，通訊模塊（以太網(wǎng)，RS485，MODEM網(wǎng)卡），ICP加速度傳感器采集模塊，存儲模塊，顯示模塊（包括鍵盤設(shè)計），電源模塊，維護模塊（本地RS232通訊），如圖1所示。

除這些模塊之外，每個模塊都還有相對應(yīng)的保護功能，這些保護功能對于每個模塊的設(shè)計要求不盡相同。

ERTU系工業(yè)級產(chǎn)品，需要防磁、防震、防潮、防雷，并適用于變電站安裝。

圖1顯示的是ERTU的模塊組成，這個系統(tǒng)即可以看作是硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，也可以當作軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)的軟硬設(shè)計是按照自上而下考慮的，硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計可以提高設(shè)計效率，縮短開發(fā)和調(diào)試周期，降低開發(fā)強度。下面主要從硬件系統(tǒng)方面來分析ERTU的開發(fā)。

2 ERTU硬件設(shè)計

在圖1中，可以看出主系統(tǒng)模塊是ERTU的核心，它不僅需要完成讀取、處理和存儲各種規(guī)約表計的大量數(shù)據(jù)，同時也需要處理RS485/232，以太網(wǎng)絡(luò)，MODEM等多方式、多主站通信，還需要解析IEC60870-5-102規(guī)約，液晶顯示和鍵盤設(shè)置維護等工作。這些復(fù)雜的功能要求終端必需具有強大的運算處理能力，8/16位的CPU或者單片機是無法勝任這些要求的。顯然具有高性能的32位嵌入式CPU才是必然選擇。

一般而言，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計主要分為封閉式和開放式體系結(jié)構(gòu)。封閉式體系結(jié)構(gòu)又稱為芯片級嵌入，其產(chǎn)品主要針對某種特定任務(wù)專門設(shè)計，專用性較強，不依賴于某種總線標準。開放式體系結(jié)構(gòu)又被稱為板級嵌入，與封閉式體系結(jié)構(gòu)恰好相反，其設(shè)計立足于公開的工業(yè)總線標準。立足于開放的總線標準，設(shè)計者可以做出各類模板級產(chǎn)品供用戶靈活選擇，如人機接口板、信號調(diào)理板、CPU板、模擬量I/O板和數(shù)字量 I/O板、系統(tǒng)支持板等。由于標準統(tǒng)一，用戶可以根據(jù)自身條件和實際情況選擇不同種類和數(shù)量的功能模板，組合成相符合自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)，從而縮短了開發(fā)周期，減小了開發(fā)費用，在實際生產(chǎn)中，嵌入式工業(yè)系統(tǒng)采用最多的就是這種嵌入方式。

除開放和標準以外，嵌入式系統(tǒng)還具有以下特性。

（1）堅固性。在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬切削機床的環(huán)境往往較差，多油污和鐵屑，在對振動信號的實時監(jiān)控時，設(shè)備自身必須能夠承受一定的振動，插卡的固定能力要強，電源穩(wěn)定可靠，同時有良好的耐高溫能力。

（2）低的平均故障修復(fù)時間。為了節(jié)約維修時間和成本，將控制機去掉有源電路的背板，把功能分散到其它插板上，當插板出現(xiàn)故障后，只需更換插板，就可以實現(xiàn)故障的維修。

（3）標準化。通過使用標準化設(shè)備，用戶逐漸從專用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基于標準的架構(gòu)，設(shè)備的通用性和易用性得到提高，同時使得組件的維護更加方便。此外標準架構(gòu)的產(chǎn)品容易從多個不同的供應(yīng)商那里得到，經(jīng)濟性得到體現(xiàn)。

一個成功的嵌入式系統(tǒng)模板硬件設(shè)計還應(yīng)考慮以下方面。

（1）兼容性。嵌入式系統(tǒng)要做到和PC、MS-DOS、LINUX完全兼容，充分利用商用PC所積累的軟、硬件資源。

（2）克服總線數(shù)據(jù)寬度和速度瓶頸，產(chǎn)品升級。標準工業(yè)總線雖然使得系統(tǒng)開放，但也限制了處理器性能的發(fā)揮。常規(guī)的辦法是采用高性能總線，但這無疑會大幅度增加設(shè)計費用和產(chǎn)品成本。這里筆者是采用集成模板和I/O總線設(shè)計方案，將局部高速總線和慢速系統(tǒng)總線相結(jié)合設(shè)計，把對速度要求高的CPU、存儲器、硬盤和需要高速訪問的I/O接口等做在一塊集成模板上，把相對慢速的I/O部分放在總線上。

ERTU硬件系統(tǒng)所采用的是板級嵌入，主系統(tǒng)CPU板的選擇是ERTU嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵，直接決定相應(yīng)的外圍系統(tǒng)模塊的開發(fā)，硬件系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的平臺又影響著軟件的開發(fā)，所以選擇合理的嵌入式主CPU板是ERTU系統(tǒng)研發(fā)的重點。目前在主系統(tǒng)板的市場上有兩大主流產(chǎn)品：X86系列，ARM9系列。筆者這里僅對X86主系統(tǒng)的特點進行簡單介紹。

X86微處理器（SCM-7020）SCM-7020選擇的是AMD Gedode GX1處理器，具有以下的特點。

①X86兼容64位微處理器，支持MMX指令系統(tǒng)，速度高達300 MHz。

②SVGA顯示接口支持CRT及TFT。

③在板內(nèi)最大可達128M。

④16KB L1回寫緩存。

⑤支持軟驅(qū)、IDE硬盤。

⑥兩串一并口。

⑦USB1.1接口。

⑧在板10/100BaseT以太網(wǎng)接口。

⑨16位PC/104總線。

⑩PC/104兼容。

可見這款CPU的硬件資源非常豐富，幾乎不用擴展就可以滿足ERTU的硬件資源要求。同時支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，如Wince、Ucos、Linux等。通過對CPU進行分析不難發(fā)現(xiàn)，這款微處理器的硬件資源可以滿足ERTU硬件系統(tǒng)設(shè)計要求， Gedode GX1處理器支持PC/104系統(tǒng)，大部分的外部硬件資源都是通過PC/104來實現(xiàn)。值得系統(tǒng)設(shè)計人員在進行硬件系統(tǒng)設(shè)計時注意的是選擇不同的嵌入式CPU，決定了系統(tǒng)主板的選擇、設(shè)計，也直接影響到外圍系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計。

3 ERTU完成振動檢測的主要硬件結(jié)構(gòu)

ERTU硬件設(shè)計時，主要是由ICP傳感器模塊來實現(xiàn)的。ICP傳感器是內(nèi)裝微型IC放大器的壓電加速度傳感器，它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能直接和記錄、顯示和采集設(shè)備連接，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試精度和可靠性。

此外，為了便于現(xiàn)場的維護、升級，以及操作的方便，增加了顯示模塊，鍵盤設(shè)置模塊。此模塊的正常不會影響整個ERTU的工作，但是顯示和維護模塊可以提高ERTU操作的方便行，系統(tǒng)狀況的可見性。

4 ERTU硬件設(shè)計的考慮

RS485/232數(shù)據(jù)采集電能表數(shù)據(jù)（這里RS485/232可以通過硬件跳線來實現(xiàn)的），然后RS485/232電平轉(zhuǎn)換芯片將采集的數(shù)據(jù)RS485/232電信號，轉(zhuǎn)換成TTL電平，接著進行光耦隔離。再通過多路串口通訊芯片與主板進行電氣連接，同時完成中斷請求，并通過系統(tǒng)片選信號選中此通訊通路。

（1）電能量RS485/232數(shù)據(jù)流，如圖2所示。

（2）ICP加速度傳感器，如圖3所示。

（3）電源模塊是整個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，所以硬件電路設(shè)計要求電源模塊要有高可靠性，一般來說都會采用冗余設(shè)計，AC供電，DC后備，兩者之間無間隙切換（圖4）。

5 結(jié)語

文中設(shè)計了一種基于機床振動信號采集的ERTU硬件系統(tǒng)，通過在真實環(huán)境中驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，各項性能指標能夠滿足技術(shù)要求。

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