基于ARM的液壓系統智能數據采集終端硬件設計 - 全文

　　針對液壓系統的特點，設計了基于ARM 的智能數據采集終端系統。該系統通過傳感器對油壓、流量和溫度3 類信號進行采集，調理后的數據經過ARM 處理器S3C2440 進行處理和壓縮，壓縮后的數據利用GTM900C 無線傳輸模塊遠程傳輸。整個系統硬件電路分為主控電路部分、數據采集部分和無線傳輸部分。

　　液壓系統具有功率大、響應快及精度高等特點，已經廣泛應用于冶金和制造領域。但其故障又具有隱蔽性、多樣性、不確定性及因果關系復雜等特點，故障出現后不易查找原因，而且故障發生會帶來巨大的經濟損失。通常，液壓系統只能靠定期檢查和維護來排除故障，這種方法有一定的滯后性。因此需要實時監測液壓系統的狀態數據并及時分析以減少故障率，確保工程機械正常、連續運行。傳統單片機已廣泛應用于數據采集和處理中，雖然其價格便宜、易于開發，但是在存儲空間和網絡傳輸方面往往難以滿足工程上的要求。因此，筆者針對液壓系統采用了基于ARM 的數據智能采集終端。

　　采集終端通過分布在液壓系統各處的傳感器對油壓、流量和溫度3 類信號進行采集，并將采集到的信號進行濾波、放大，然后模數轉換，數據經過分析后進行統一的編排與壓縮，最后通過通信模塊進行傳輸，將數據傳輸到本地監控中心做進一步故障診斷。

　　1 硬件總體結構

　　智能數據采集終端系統采用三星的ARMS3C2440 為主控芯片、GTM900-C GPRS 為通信模塊。整個硬件系統分為3 部分：主控模塊、數據采集模塊和通信模塊，具體結構如圖1 所示。

　　終端的主控模塊包括控制芯片電路、存儲電路、電源電路以及串口和JTAG 接口電路；數據采集模塊包括傳感器電路、信號調理電路以及8 路A/D轉換電路；通信模塊包括GPRS 芯片以及外圍電路。其中ARM 與GPRS 之間的通信是通過RS-232 總線完成。

　　2 主控模塊設計

　　2. 1 ARM 芯片介紹與工作狀態設置

　　終端系統主要采用以ARM920T 為核心的三星S3C2440 芯片。該芯片雖然功耗低、體積小，但是集成了豐富的片上資源。其特點主要有增強型ARM 架構MMU，支持WinCE、EPOC32 和LINUX;內部先進微控器總線架構；哈佛高速緩沖體系結構； 10 位8 通道多路復用ADC，可以實現最大轉換率為2. 5MHz A/D 轉換器時鐘下的500kS /s等。主控模塊的供電分為3. 3V 系統外圍電路供電和1. 25V 核心板供電。3. 3V 系統外圍電路供電通過AMS1117-3. 3V 穩壓模塊完成轉換，電路如圖2 所示； 1. 25V 核心板供電則采用低壓差、低噪聲的MAX8860EUA 穩壓芯片提供，電路如圖3所示。S3C2440 使用12MHz 有源晶振，通過片內PLL 電路倍頻后，最高可達到400MHz.片內的PLL 電路兼有頻率放大和信號提純功能，因此，系統可以以較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，避免了高頻噪聲的產生。復位電路采用MAX811S 芯片，當系統電源低于系統復位閾值（ 2. 93V），芯片將會對系統進行復位。

　　2. 2 串行接口電路

　　RS-232C 標準常用的接口是9 芯D 型，然而最基本的通信只需要RXD、TXD 即可，但是由于RS-232C 標準所定義的高低電平信號與S3C2440系統的定義不同，所以兩者之間的通信需要電平轉換，在單片機中常用的是5V 的MAX232，而這里使用3. 3V 的MAX3232，典型的應用電路如圖4所示。

　　2. 3 NOR FLASH 接口電路

　　終端系統中NOR FLASH 使用的存儲芯片是HY29LV160，存儲容量為2MB，工作電壓為2. 7 ~3. 6V，工作方式選用16 位數據寬度模式。需要注意的是管腳NC 接高電平時，即為16 位數據位，當NC 為低電平時即為8 位數據位。選擇16位數據寬度時，即為半字模式，此時16 位數據總線D0 ~ 15 分別接S3C2440 的數據總線DATA0 ~15，地址總線則是A0 ~ 19 分別與S3C2440 的ADDR0~ 19 連接，半字模式下的尋址范圍為1MB，對于32 位的S3C2440 尋址范圍則為1 × 2 = 2MB.

　　2. 4 SD RAM 接口電路

　　SDRAM 選用的是K4S561632，其存儲容量為32MB，工作電壓為3. 3V，其數據寬度為16 位。

　　根據系統要求，需要有相對較復雜的算法運行，所以選用兩片組成存儲系統，存儲空間為64MB.

　　具體連接方法是第一片的D0 ~ 15 接DATA0 ~15，第二片的D0 ~ 15 接DATA16 ~ 31，這樣將16位擴展成為了與S3C2440 對應的32 位數據總線。

　　對于地址線來說，SDRAM 采用的是存儲陣列，即每片分為4 個邏輯Bank，每個Bank 由13 個行地址線和9 個列地址線共同尋址，能訪問的空間為4 × 213 × 29 × 2 = 225MB.地址線的接法是分別將兩片的A0 ~ 12 與ADDR2 ~ 14 相連，通過RAS 和CAS 選擇行列信號，通過BA0、BA1 選擇Bank，最終通過CS 通用片選實現64MB 的尋址。

　　3 數據采集模塊設計

　　液壓系統的組成主要包括液壓泵、液壓油缸或液壓馬達、各類控制閥和輔助裝置。根據故障類型的歸納和總結，監控對象和監控點包括液壓泵的油壓和流量，油溫，以及各類控制閥處的油壓和流量。選擇監測的參數主要包括：

　　a. 油壓測量。考慮到傳感器的精度，工作電壓與系統電壓的匹配，供電電流以及能適用較惡劣的介質環境等，選用MSP340 系列不銹鋼傳感器，其電氣性能為：供電電源為5VDC; 供電電流小于10mA; 輸出信號為0. 5 ~ 4. 5VDC /4 ~ 20mA;量程偏差為± 2%FS; 精度小于1%FS.

　　b. 流量測量。選擇渦輪流量計，電氣性能為：供電電源為12 ~ 36VDC，可采用車載蓄電池直接供電；輸出信號為4 ~ 20mA; 精度為± 1%R.

　　c. 溫度測量。選擇溫度傳感器AD592，由于液壓油溫只作為輔助檢測量，不需要精度太高，所以直接用隔熱材料將AD592 固定于測溫點做適當的溫度補償，從而測量管內的油溫。

　　模數轉換采用的是S3C2440 的10 位8 通道ADC，其轉換率為2. 5MHz 轉換器時鐘下的500kS /s，基準電壓采用3. 3V，前端傳感器調理電路需要相應的調整電壓范圍，管腳對應S3C2440上的AIN0 ~ 7.

　　4 通信模塊設計

　　通信模塊選用華為的GPRS 模塊GTM900-C，該模塊具有標準的AT 命令接口，內部集成了TCP /IP 協議棧，使用時不必編寫相關的IP 協議程序，直接可以通過其內嵌協議進行GPRS 上網傳遞數據。

　　GPRS 模塊與ARM 之間的連接是通過RS232串行接口連接的，電路如圖5 所示。其中芯片供電采用3. 8V，由穩壓器AMS1117-adj 轉換。RST為芯片復位、PWON 為開關機控制信號，均為低電平有效； UART_RXD0 和UART_TXD0 分別為AT命令串口發送、接收信號，實現數據的傳輸只需分別與串口的接收和發送端相連即可。