明庭良，施 展，涂 寧

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093 )

基于以太網(wǎng)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

明庭良，施 展，涂 寧

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093 )

針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度較低、數(shù)據(jù)傳輸距離短、現(xiàn)場(chǎng)布線冗余、多種總線不兼容等缺點(diǎn)，文中提出了一種基于以太網(wǎng)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。以MINI2440和PC機(jī)為核心，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集與處理，通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，將數(shù)據(jù)傳送至PC端，在PC端搭建LabVIEW圖形化處理界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示，并以重力加速度實(shí)驗(yàn)采集正反加速度數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差分析來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)精度約可達(dá)0.3%，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定性好，適用于大多數(shù)的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域檢測(cè)應(yīng)用。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；MINI2440；振動(dòng)信號(hào)；以太網(wǎng)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是一種具有實(shí)時(shí)記錄、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)顯示等功能的設(shè)備儀器。其信號(hào)采集模塊為大型工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)測(cè)與設(shè)備故障診斷提供了可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源和判斷依據(jù)[1]。系統(tǒng)通過(guò)傳感器將所測(cè)得的信號(hào)作為輸入，并與各種測(cè)試分析技術(shù)以及多元化的顯示格式相結(jié)合，形成一個(gè)功能完備的檢測(cè)系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)一起組成一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)具有高速靈活等特點(diǎn)，在應(yīng)用中可完成傳統(tǒng)采集方法不能完成的任務(wù)，因而初步得到了廣泛認(rèn)可[2-3]。

1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需要同時(shí)完成多種任務(wù)，在保證系統(tǒng)可正常運(yùn)作的狀況下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)最優(yōu)化、精度高、成本低成為確定設(shè)計(jì)方案的主要考慮問(wèn)題。

(1)基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)。使用單片機(jī)存在諸多缺點(diǎn)，如數(shù)據(jù)處理速度較低、功耗差等。因此在本方案中使用嵌入式微處理器ARM9作為核心處理器芯片，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的性能要求[4]；

(2)基于現(xiàn)有其他總線。作為一種開放式的網(wǎng)絡(luò)—TCP/IP的以太網(wǎng)，由其組成的系統(tǒng)兼容性和操作性好，且易于實(shí)現(xiàn)控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)、傳輸速率高、成本低，易實(shí)現(xiàn)與Internet集成。所以選擇基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)總線作為數(shù)據(jù)傳輸總線[5]；

(3)基于I2C的接口總線軟件實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)方案采用I2C與振動(dòng)傳感器元件互相進(jìn)行通信，作為管理總線的管理控制器，監(jiān)控且管理者總線的狀態(tài)，并將結(jié)果上報(bào)給主處理器[6]；

圖1 測(cè)試系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖

(4)基于虛擬儀器構(gòu)建的測(cè)試儀器 LabVIEW是專門為數(shù)據(jù)測(cè)量和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析而設(shè)計(jì)的一門圖形化編程語(yǔ)言，在開發(fā)過(guò)程中能成倍提高開發(fā)效率。其具有強(qiáng)大的靈活性，可以根據(jù)用戶自定義的虛擬儀器完成特定的任務(wù)。所以本方案采用LabVIEW作為Web端的數(shù)據(jù)顯示和分析的儀器[7]。

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，由設(shè)備層、控制層、傳輸層、信息層等幾部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要由主控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、存儲(chǔ)模塊和電源模塊等組成。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源電路模塊

電源電路的設(shè)計(jì)是硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)電源電路前需要已知CPU、外設(shè)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等部分對(duì)電源需求。作為核心板S3C2440所需的電源包括：VDDMOP、VDDA_MPLL、VDDA_UPLL、VDDIOP、VDD_adc、VDD_RTC、VDDiarm[8]。

VDDiarm、VDDA_MPLL、VDDA_UPLL采用1.25 V供電電源為其供電。對(duì)于Flash、SDRAM、網(wǎng)絡(luò)控制芯片等部分的設(shè)計(jì)，采用3.3 V的供電電壓即可滿足電源需求，如VDDIOP、VDD_adc、VDD_RTC等。整個(gè)系統(tǒng)引入5 V供電電源作為供電輸入，核心板電源電路如圖3所示。

圖3 核心板電源電路

2.2 存儲(chǔ)電路模塊

S3C2440內(nèi)置有SDRAM控制器，所以在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)不需要額外地增加SDRAM控制器就可直接與SDRAM相連。為了最大限度地發(fā)揮微處理器的32位性能，在SDRAM的選擇上最好也是32位。但目前市場(chǎng)上的SDRAM大多均是16位，因此本系統(tǒng)使用兩片16位的SDRAM配置成32位總線寬度，這樣增加了訪問(wèn)的速度。

MINI2440的Flash芯片分為兩大類，一種是Nor Flash，其型號(hào)為SST39VF1601，大小為2 MB；另一種是 Nand Flash，其型號(hào)為 K9F1G08,大小為 128 MB。與內(nèi)存掉電丟失數(shù)據(jù)不同，F(xiàn)lash中的數(shù)據(jù)在掉電后仍可使用，所以在應(yīng)用中，通常將代碼先存儲(chǔ)在Nand Flash中，然后移到SDRAM中執(zhí)行。S3C2440支持Nand Flash 和Nor Flash兩種啟動(dòng)方式，可通過(guò)撥動(dòng)開關(guān)S2選擇用戶從哪種方式啟動(dòng)系統(tǒng)[9]。

2.3 通信模塊電路

I2C (Inter-Integrated Circuit) 總線是一種簡(jiǎn)單兩線式串行總線， I2C總線具有雙向傳輸、較強(qiáng)的控制能力、易擴(kuò)展等特點(diǎn)。I2C串行總線有兩條輸線，一條數(shù)據(jù)線(SDA)，一條時(shí)鐘線(SCL)，分別起到數(shù)據(jù)的同步傳輸功能?？偩€的模式可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自定義，可是主發(fā)送模式、從發(fā)送模式、主接收模式、從接收模式。

本系統(tǒng)使用的I2C為MMA7455 數(shù)字加速度傳感器模塊，其是一款數(shù)字輸出、低功耗電容式微機(jī)械加速度計(jì)，內(nèi)部集成有信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路[10]。量程可通過(guò)命令在3個(gè)加速度范圍進(jìn)行選擇(2 g/4 g/8 g)。在8位模式下2 g范圍內(nèi)的靈敏度是64LSB/g，4 g范圍內(nèi)的靈敏度是32LSB/g，8 g范圍內(nèi)的靈敏度是16 LSB/g。

在本系統(tǒng)以太網(wǎng)通信模塊中，使用了一款功耗低、體積小的完全集成的單芯片以太網(wǎng)MAC層+PHY層的網(wǎng)絡(luò)控制芯片DM9000A[11]。DM9000A集成10/100M物理層接口，并支持TCP/IP加速，可適當(dāng)減輕CPU的負(fù)擔(dān)，在任何系統(tǒng)下用戶均可輕易的移植其端口驅(qū)動(dòng)程序，其還支持8位、16位總線寬度以支持不同的處理器。以太網(wǎng)通信電路如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)通信電路

3 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)部分，主要包括了系統(tǒng)移植模塊、主程序模塊、振動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信模塊、客服端信號(hào)顯示模塊。

3.1 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信模塊軟件設(shè)計(jì)

TCP傳輸協(xié)議主要特點(diǎn)是在進(jìn)行傳輸之前需要建立網(wǎng)絡(luò)連接，再開始傳輸，TCP是一種面向?qū)ο?、可靠的傳輸協(xié)議。TCP傳輸協(xié)議是個(gè)流式傳輸協(xié)議，其Socket的類型為SOCK_STREAM，在發(fā)送和接收時(shí)均是順序進(jìn)行的。當(dāng)一段數(shù)據(jù)使用TCP發(fā)送時(shí)，首先將數(shù)據(jù)分包處理，在發(fā)送端接收到上一包數(shù)據(jù)的確認(rèn)信號(hào)后才進(jìn)行下一數(shù)據(jù)包的發(fā)送[12]。

TCP/IP協(xié)議中的各層協(xié)議在操作系統(tǒng)的內(nèi)核層已定義，為使測(cè)試設(shè)備成為開放式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，必須使其具有TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信接口，應(yīng)用層的程序又不能直接與內(nèi)核層進(jìn)行交互，TCP/IP環(huán)境下的應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用封裝起來(lái)TCP/IP協(xié)議的Socket套接字接口進(jìn)行TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸[13]。Socket是一種服務(wù)器—客服機(jī)之間進(jìn)程通信機(jī)制，成為網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)中的有力工具。流式套接字服務(wù)器端的進(jìn)程和客戶端的進(jìn)程間通信必須先建立上連接，然后進(jìn)行通信，其通信流程如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

3.2 IIC驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

在S3C2440嵌入式系統(tǒng)I2C總線中，目標(biāo)板S3C2440作為總線上面的主機(jī)，其他的是從機(jī)，總線上可同時(shí)掛接多個(gè)從設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都有其唯一標(biāo)示的設(shè)備地址。

對(duì)于本系統(tǒng)I2C字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，按其功能分驅(qū)動(dòng)程序主要由設(shè)備的注冊(cè)、設(shè)備的撤銷、讀模塊、打開模塊等構(gòu)成[14]。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，必須給file_operation結(jié)構(gòu)體賦值，賦值語(yǔ)句為

static const struct file_operations mma8x5x_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.open= mma8x5x_open /*將接口函數(shù)注冊(cè)到內(nèi)核層*/

.release = mma8x5x_release,

.unlocked_ioctl = mma8x5x_ioctl,

};

在設(shè)備驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)了對(duì)加速度傳感器的初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等一系列操作，在設(shè)備驅(qū)動(dòng)層可以通過(guò)一些列的函數(shù)調(diào)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)適配器里面實(shí)現(xiàn)的函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，本驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的總體流程如圖6所示。

3.3 數(shù)據(jù)分析與顯示界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析與顯示由仿真軟件實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)使用LabVIEW對(duì)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，在界面內(nèi)通過(guò)配置端口和IP地址可實(shí)時(shí)與服務(wù)器進(jìn)行連接，并可在數(shù)組里觀察該通道采樣數(shù)值。以PC機(jī)為硬件基礎(chǔ)，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，建立具有數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分解、濾波處理、數(shù)據(jù)分析與顯示等多功能的機(jī)械振動(dòng)處理分析的綜合性虛擬儀器系統(tǒng)[15]。

圖6 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程圖

參數(shù)次數(shù)第1次第2次第3次第4次第5次第6次第7次第8次第9次X軸加速度/g0.1320.1350.1340.1260.1280.1250.1330.1310.127Y軸加速度/g0.3380.3410.3420.3430.3420.3370.3460.3380.340Z軸加速度/g0.9190.9220.9120.9160.9330.9150.9110.9240.921

表2 方向加速度值

表3 加速度誤差分析

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

在振動(dòng)信號(hào)采集測(cè)試環(huán)境下，以振動(dòng)信號(hào)為模擬測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)象，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

系統(tǒng)測(cè)試的對(duì)象是MMA7455加速度傳感器，其能進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等。具有體積小功耗低等特點(diǎn)，適用于現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室使用。

本文的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)思想，共分為3大部分：一塊MMA7455加速度傳感器、一塊開發(fā)板、一臺(tái)PC機(jī)。

4.2 接收的數(shù)據(jù)

當(dāng)MMA7455加速度傳感器水平靜止放置且正向時(shí)采集到的各方向上的加速度值如表1所示。當(dāng)MMA7455加速度傳感器水平靜止放置且反向時(shí)采集到的各方向上的加速度值如表2所示。

4.3 振動(dòng)信號(hào)測(cè)試

加速度傳感器將外界的加速度物理量轉(zhuǎn)換為PC能識(shí)別的機(jī)器碼，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和一系列的處理后，可在上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)波形的時(shí)域顯示和頻譜分析，以便用于后續(xù)機(jī)械故障診斷等功能，本系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)采集的頻率為50 Hz。

4.4 數(shù)據(jù)采集精度分析

在xyz軸上分量加速度的大小取決于xyz軸與重力加速度之間的夾角。設(shè)at為平均加速度值，用剩余誤差計(jì)算近似標(biāo)準(zhǔn)差的貝塞爾公式可得

(1)

(2)

在這種測(cè)試情況下，多次進(jìn)行測(cè)量，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)在上表中列出，可通過(guò)對(duì)采集到的加速度求其平均值，運(yùn)用平均加速度計(jì)算出剩余加速度，并由貝塞爾公式可推倒出近似標(biāo)準(zhǔn)誤差。根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則(3σ準(zhǔn)則)可計(jì)算出在概率為0.997 3加速度取值區(qū)間范圍。

在實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集信號(hào)時(shí)容易受到外界干擾，產(chǎn)生雜波，難以達(dá)到穩(wěn)定的效果，所以每次測(cè)量值采集9次，取其平均值，從表3中分析的數(shù)據(jù)可知， 本系統(tǒng)對(duì)外部測(cè)量號(hào)誤差較小，系統(tǒng)性能良好。

通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)包的分析和處理，得到振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形圖和頻譜分析圖。傳感器的采樣頻率范圍為1.56～800 Hz。這里選用50 Hz的采樣率對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，得到的信號(hào)時(shí)域波形圖和頻譜分析圖如圖7所示。傳感器采樣的加速度范圍為-2 ～+2 g，實(shí)驗(yàn)選用振幅為1.5 g的振動(dòng)加速度信號(hào)。

圖7 振動(dòng)信號(hào)采集波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文描述了基于以太網(wǎng)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)試證明系統(tǒng)可正常運(yùn)行，各方面指標(biāo)都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。整個(gè)系統(tǒng)集成度高、功耗低、且體積小、可靠性高，

易于控制和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率都達(dá)到發(fā)指標(biāo)要求。

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Ethernet-based Automatic Test System Design

MING Tingliang，SHI Zhan，TU Ning

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Accuracy for the traditional industrial field test system is not high, short-distance data transmission, redundant field wiring, A variety of bus are not compatible, paper describes the automatic test system based on Ethernet. In mini2440 and PC as the core, the vibration signal of acquisition and processing, transmission via Ethernet, data transfer to PC, build in PC Labview graphical processing interface for data analysis and display, and gravitational acceleration experiment collected positive and negative acceleration data, error analysis to verify the reliability of the system.The accuracy of the automatic test system is up to 0.3% by several experimental data analysis. The experiment results show that the system has high accuracy and stability, and can be used in most of the industrial production field.

automatic test system; MINI2440; vibration signal; ethernet

2016- 03- 01

明庭良(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：精密儀器及機(jī)械。施展(1963-)，女，副教授。研究方向：測(cè)試?yán)碚撆c測(cè)試技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.035

TP277

A

1007-7820(2016)12-126-05