劉全順，曾祥楷，朱志雄，陳 陽(yáng)

(重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院，重慶 400054)

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一種轉(zhuǎn)速遙測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

劉全順，曾祥楷，朱志雄，陳 陽(yáng)

(重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院，重慶 400054)

根據(jù)空間濾波轉(zhuǎn)速遙測(cè)原理和數(shù)據(jù)處理方法，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速遙測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)轉(zhuǎn)速遙測(cè)儀。用兩個(gè)平行排列且相距一定距離的光電池陣列構(gòu)成雙空間濾波傳感器，雙空間濾波傳感器輸出兩個(gè)與轉(zhuǎn)速相關(guān)的準(zhǔn)正弦信號(hào)S1和S2。每個(gè)準(zhǔn)正弦信號(hào)通過(guò)波形變換轉(zhuǎn)換為兩個(gè)互補(bǔ)的矩形信號(hào)，用可編程計(jì)數(shù)器8254-2測(cè)量矩形信號(hào)的高電平脈寬，用高性能微處理器S3C2440采集矩形信號(hào)的脈寬計(jì)數(shù)值，根據(jù)矩形信號(hào)多個(gè)脈寬的平均值求出準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率。根據(jù)S1和S2的中心頻率及其變化計(jì)算出旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)位置，再根據(jù)旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)位置和S1、S2的中心頻率計(jì)算出旋轉(zhuǎn)速度并顯示。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：該數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速遙測(cè)儀中多路相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與處理。

空間濾波；旋轉(zhuǎn)速度；中心頻率；可編程計(jì)數(shù)器；ARM9微控制器

0 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是一種普遍存在的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，如各類(lèi)加工機(jī)床的傳動(dòng)鏈、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等，旋轉(zhuǎn)速度是確定這些旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特性的重要參數(shù)之一。旋轉(zhuǎn)速度的精確測(cè)量是機(jī)械檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分，在機(jī)械行業(yè)中有著極其廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要有光電編碼[1]、磁電感應(yīng)[2-4]、光柵[5]或光電反射式[6-7]等方法。磁電感應(yīng)、光柵和光電編碼型測(cè)量方法一般要求在被測(cè)體上同軸安裝精密的測(cè)量基準(zhǔn)分度盤(pán)。對(duì)精確設(shè)計(jì)的機(jī)械機(jī)構(gòu)而言，附加的測(cè)量基準(zhǔn)會(huì)改變?cè)械慕Y(jié)構(gòu)及其特性，影響其系統(tǒng)性能。而傳統(tǒng)的光電反射式方法分辨率和精度較低。為克服上述缺點(diǎn)，根據(jù)雙空間濾波轉(zhuǎn)速遙測(cè)原理和數(shù)據(jù)處理方法，本文設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)速遙測(cè)儀的多路數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

1 轉(zhuǎn)速遙測(cè)原理

基于雙空間濾波器的轉(zhuǎn)速遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其測(cè)量原理是:用一定強(qiáng)度的普通光源照射被測(cè)旋轉(zhuǎn)體表面，旋轉(zhuǎn)體表面的隨機(jī)分布圖像經(jīng)放大倍數(shù)為M的光學(xué)系統(tǒng)成像到空間濾波器1和空間濾波器2(分別記為SF1和SF2)上,SF1和SF2具有同樣的柵距P。SF1和SF2的輸出光分別匯聚到光電探測(cè)器1和光電探測(cè)器2并輸出電信號(hào)S1和S2。空間濾波器具有空間窄帶通效應(yīng)，故電信號(hào)S1和S2是其中心頻率與旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速成正比的準(zhǔn)正弦信號(hào)。設(shè)被測(cè)體以轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)中心O到SF1及SF2中心線在物平面上的共軛線的距離分別為R1和R2。根據(jù)空間濾波線速度測(cè)量原理[8]知，轉(zhuǎn)速ω與信號(hào)S1和S2的中心頻率f1及f2的關(guān)系為ωMR1=Pf1和ωMR2=Pf2。由幾何光學(xué)可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)中心的成像點(diǎn)O′在SF1和SF2之間時(shí)，M(R1+R2)=L；當(dāng)O′在SF1和SF2的同側(cè)時(shí)，M|R1-R2|=L，L是SF1和SF2之間的距離。因此，可得轉(zhuǎn)速ω為

ω=|f1±f2|P/L

(1)

由上述分析可知，在確定S1、S2的中心頻率f1和f2以及旋轉(zhuǎn)中心成像點(diǎn)O′的位置區(qū)域后，便可計(jì)算得到轉(zhuǎn)速ω。該轉(zhuǎn)速遙測(cè)值與旋轉(zhuǎn)半徑及成像系統(tǒng)放大倍數(shù)M無(wú)關(guān)，為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的遙測(cè)提供了可能。

圖1 基于雙空間濾波器的轉(zhuǎn)速遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)波形變換可得到與準(zhǔn)正弦信號(hào)S1、S2準(zhǔn)周期一致的矩形波信號(hào)，用高頻脈沖插補(bǔ)法獲取矩形波高電平的時(shí)間寬度，用多個(gè)高電平的時(shí)間寬度的平均值可計(jì)算出準(zhǔn)正弦信號(hào)S1、S2的中心頻率f1和f2。O′的位置區(qū)域可用以下方法來(lái)判定：首先獲取信號(hào)S1和S2的中心頻率f1、f2，以較大的中心頻率作為f1；向f1對(duì)應(yīng)的空間濾波器方向移動(dòng)雙空間濾波傳感器，再次獲取f1和f2對(duì)應(yīng)信號(hào)的中心頻率f1′和f2′，計(jì)算系數(shù)k=((f1-f2)(f1′+f2′))/((f1+f2)(f1′-f2′))；根據(jù)k值判定旋轉(zhuǎn)中心像點(diǎn)的位置區(qū)域，k<1表示O′點(diǎn)在SF1和SF2中心線之間，k>1代表O′點(diǎn)在SF1和SF2的下同側(cè)或上同側(cè)。當(dāng)雙空間濾波傳感器的移動(dòng)量δ滿足0<δ

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的空間濾波轉(zhuǎn)速遙測(cè)方法，設(shè)計(jì)了基于雙空間濾波傳感器的轉(zhuǎn)速遙測(cè)儀的信號(hào)預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集及處理子系統(tǒng)，包括雙空間濾波傳感器、光電轉(zhuǎn)換、放大及波形變換、計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理等組成部分，如圖2所示。被測(cè)體表面圖像經(jīng)空間濾波、成像系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換后得到2路準(zhǔn)正弦信號(hào)，每路信號(hào)經(jīng)放大、濾波和波形變換后得到2個(gè)互補(bǔ)的矩形波，用高頻脈沖插補(bǔ)法和8254-2計(jì)數(shù)器得到矩形波的高電平寬度；由高性能處理器S3C2440采集高電平寬度的脈沖計(jì)數(shù)值，并計(jì)算出信號(hào)的中心頻率；用信號(hào)的中心頻率及其變化確定旋轉(zhuǎn)中心位置以及轉(zhuǎn)速，并顯示在上位機(jī)上。

圖2 轉(zhuǎn)速遙測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)圖

2.1 空間濾波器及光電探測(cè)器

空間濾波器的主要功能是將旋轉(zhuǎn)體表面隨機(jī)分布的寬空間譜運(yùn)動(dòng)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)檎瓗盘?hào)，光電探測(cè)器將窄帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)正弦電信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用了A5V-38光電池陣列，該光電池陣列兼具空間濾波和光電轉(zhuǎn)換的功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用兩個(gè)平行排列且相距為60 mm的兩個(gè)光電池陣列構(gòu)成空間濾波轉(zhuǎn)速遙測(cè)傳感器。

2.2 放大濾波電路

兩個(gè)光電池陣列輸出的短路電流與入射光強(qiáng)成線性關(guān)系。本設(shè)計(jì)采用短路電流作為信號(hào)載體，采用運(yùn)放AD4500-2實(shí)現(xiàn)短路電流到電壓的轉(zhuǎn)換并進(jìn)行多級(jí)放大，所用運(yùn)放的失調(diào)電流最大為2 pA；再用四階巴特沃斯低通濾波器對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波(通帶為0～10 kHz)。

2.3 波形變換和計(jì)數(shù)電路

根據(jù)轉(zhuǎn)速遙測(cè)原理知，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)光電池陣列輸出信號(hào)的中心頻率可計(jì)算出轉(zhuǎn)速值。頻率測(cè)量可采用高頻脈沖插補(bǔ)法或頻譜法。頻譜法的高分辨率需要較長(zhǎng)時(shí)間的采樣數(shù)據(jù)，且運(yùn)算量大。用高頻脈沖插補(bǔ)法測(cè)量頻率比較簡(jiǎn)單，通過(guò)提高脈沖頻率可達(dá)到高的分辨率。本設(shè)計(jì)用高頻脈沖插補(bǔ)計(jì)數(shù)法測(cè)量準(zhǔn)正弦信號(hào)S1和S2的中心頻率。圖3為波形變換和高頻脈沖計(jì)數(shù)電路：用比較器AD8561將經(jīng)放大和濾波后的信號(hào)S1和S2轉(zhuǎn)換成矩形波信號(hào)，該矩形信號(hào)再用D觸發(fā)器二分頻得到兩個(gè)互為反相的、電平寬度與準(zhǔn)正弦信號(hào)準(zhǔn)周期一致的兩路矩形信號(hào)；用高頻脈沖插補(bǔ)法測(cè)量二分頻后矩形信號(hào)的電平寬度，得到原準(zhǔn)正弦信號(hào)的每個(gè)準(zhǔn)周期，用多個(gè)準(zhǔn)周期的平均值計(jì)算出準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率。

圖3 波形變換及計(jì)數(shù)器電路

用可編程計(jì)數(shù)器8254-2設(shè)計(jì)高頻脈沖插補(bǔ)計(jì)數(shù)電路。8254內(nèi)部有3個(gè)完全相同而又獨(dú)立的16位減法計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器有6種工作方式，可按編程設(shè)定的方式工作。用2片8254-2計(jì)數(shù)器測(cè)量信號(hào)S1和S2的中心頻率，信號(hào)S1經(jīng)二分頻電路輸出的2路矩形信號(hào)Q0、Q1分別連接到第一片計(jì)數(shù)器的GATE0和GATE1，信號(hào)S2經(jīng)二分頻電路輸出的2路矩形信號(hào)Q2、Q3分別連接到第二片計(jì)數(shù)器的GATE0和GATE1，2片計(jì)數(shù)器的高頻計(jì)數(shù)脈沖由外部有源晶振提供。

2.4 數(shù)據(jù)采集和處理

信號(hào)S1和S2的準(zhǔn)周期值經(jīng)8254-2計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，需要將2片8254-2中4個(gè)計(jì)數(shù)器的值無(wú)丟失地采集到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中去，并由計(jì)算機(jī)中的旋轉(zhuǎn)中心判定算法確定旋轉(zhuǎn)中心；根據(jù)旋轉(zhuǎn)中心的位置區(qū)域，再用信號(hào)中心頻率f1和f2計(jì)算出轉(zhuǎn)速值。在比較多種微處理器系統(tǒng)的性能后，本設(shè)計(jì)采用ARM9的S3C2440為主控制器。S3C2440是最高頻率達(dá)400 MHz的ARM9微控制器，其功能接口豐富，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療系統(tǒng)等的開(kāi)發(fā)。

在S3C2440的中斷邏輯中，各外部中斷源以邏輯“或”的方式連接到中斷控制器的一個(gè)中斷口。當(dāng)外部中斷到來(lái)時(shí)，中斷源寄存器SRCPND的對(duì)應(yīng)位置1，優(yōu)先邏輯電路判斷出優(yōu)先處理中斷源后將中斷寄存器INTPND對(duì)應(yīng)位置1，并引起外部中斷。INTPND寄存器中的0、1、2、3位分別對(duì)應(yīng)外部中斷源0、1、2、3。S3C2440的外部中斷源與2片8254-2計(jì)數(shù)器的連接如圖4所示，第一片8254-2的GATE0和GATE1分別與外部中斷源0和1連接，第二片8254-2的GATE0和GATE1分別與外部中斷源2和3連接。S3C2440分配給8254-2的端口地址為：#1:8000000H～8000006H，#2:10000000～10000006H。

圖4 計(jì)數(shù)器與主控制器的連接電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖5和圖6所示。圖5是主程序流程，首先是初始化操作，包括設(shè)置8254工作方式為方式2，設(shè)初始計(jì)數(shù)值為0xffff，Ostart、Oend、k和ωc的初始值為0，建立4個(gè)字的數(shù)組F1和F2，開(kāi)外部中斷，顯示角速度ωc值；當(dāng)表示移動(dòng)空間濾波傳感器的按鍵按下時(shí)，移動(dòng)開(kāi)始鍵按下則置Ostart為1，移動(dòng)結(jié)束鍵按下則置Oend為1，再循環(huán)等待外部中斷。

圖6是外部中斷程序流程圖。INTPND寄存器的EINT0、EINT1、EINT2、EINT3位分別對(duì)應(yīng)外部中斷源0、1、2、3。在外部中斷程序中，讀取INTPND寄存器，查詢并判斷外部中斷請(qǐng)求源；根據(jù)中斷源判斷結(jié)果讀取對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值并存儲(chǔ)到數(shù)組F1或F2中；當(dāng)Ostart為1時(shí)，根據(jù)F1和F2中的計(jì)數(shù)值計(jì)算空間濾波傳感器移動(dòng)前的中心頻率f1、f2；當(dāng)Ostart不為1且Oend為1時(shí)，計(jì)算空間濾波傳感器移動(dòng)后的中心頻率f1′、f2′，根據(jù)f1、f2、f1′、f2′計(jì)算k；當(dāng)Ostart和Oend都不為1時(shí)，根據(jù)F1和F2中的計(jì)數(shù)值計(jì)算當(dāng)前的中心頻率f1、f2，并根據(jù)k值符號(hào)用式(1)計(jì)算當(dāng)前角速度ωc。

圖5 主程序流程圖

圖6 外部中斷處理流程圖

4 設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)空間濾波轉(zhuǎn)速遙測(cè)方法，設(shè)計(jì)并制作了其信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理軟件及上位機(jī)通訊軟件，建立了如圖7所示的轉(zhuǎn)速遙測(cè)裝置；其雙空間濾波傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：柵距P=1.98 mm，L=60 mm，用PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量值。該裝置可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速參量的非接觸式或遠(yuǎn)距離測(cè)量，其測(cè)量誤差可在5%之內(nèi)，滿足轉(zhuǎn)速遙測(cè)的基本要求。該裝置的測(cè)量精度還可通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的光學(xué)成像系統(tǒng)、更準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)地獲取信號(hào)的中心頻率等方法，來(lái)進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在闡述了雙空間濾波轉(zhuǎn)速遙測(cè)原理后，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速遙測(cè)儀中的信號(hào)預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)，建立了旋轉(zhuǎn)速度遙測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的遠(yuǎn)距離或非接觸式測(cè)量。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：該信號(hào)預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)光電探測(cè)器輸出信號(hào)的處理、多路數(shù)據(jù)的采集與處理；基于該子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速遙測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的非接觸式測(cè)量。該裝置不需在被測(cè)體上安裝任何測(cè)量基準(zhǔn)，對(duì)徑向和軸向晃動(dòng)不敏感，使用簡(jiǎn)單方便，可廣泛用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械、氣液固多相混合物等的轉(zhuǎn)速或渦旋速度的遙測(cè)。

圖7 旋轉(zhuǎn)速度遙測(cè)裝置

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Design of Data Acquisition and Processing System for Remote Rotation Velocimeter

LIU Quan-shun,ZENG Xiang-kai,ZHU Zhi-xiong,CHEN yang

(School of Optoelectronic Information,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

According to the spatial filter velocimetry and its data processing method,the design of data acquisition and processing subsystem for the remote measurement system of rotational velocity,in which a remote rotation velocimeter has been constructed was presented in this paper.Two parallel photovoltaic arrays arranged with a certain interval form a double spatial-filtering sensor (DSFS) which output two quasi-sinusoidal signals S1and S2.Each of the two quasi-sinusoidal signals was converted into two complementary rectangular signals by use of waveform transform.The programmable counters of 8254-2 were applied to measuring the high-level width of the rectangular signals.The microprocessor S3C2440 with high performances was employed to collect the values of the counters.The central frequency of one quasi-sinusoidal signal was obtained by averaging out several high-level widths of the rectangular signal that is from the quasi-sinusoidal signal.The location of the imaged rotational-center of the measured object was determined by the central frequencies and their variations of S1and S2.Then the rotational velocity was calculated and displayed with the rotational center location and the central frequencies of S1and S2.The experimental results show that the designed subsystem is able to acquire and process multichannel data in the remote rotation velocimeter.

spatial filtering;rotational velocity;central frequency;programmable counter;ARM9 microprocessor

曾延安(1964—),副教授，博士，主要研究方向?yàn)楣怆姵上窦夹g(shù)。E-mail:zya401@126.com 張超(1988—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆姵上窦夹g(shù)。E-mail：czhang2012@126.com

重慶市時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(2013TGS006);重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(YCX201303)

2014-12-31 收修改稿日期：2015-06-17

O439

A

1002-1841(2015)10-0027-03