基于ARM的液压系统智能数据采集终端硬件设计

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针对液压系统的特点，设计了基于ARM的智能数据采集终端系统。该系统通过传感器对油压、流量和温度3类信号进行采集，调理后的数据经过ARM处理器S3C2440进行处理和压缩，压缩后的数据利用GTM900C无线传输模块远程传输。整个系统硬件电路分为主控电路部分、数据采集部分和无线传输部分。
       
        液压系统具有功率大、响应快及精度高等特点，已经广泛应用于冶金和制造领域。但其故障又具有隐蔽性、多样性、不确定性及因果关系复杂等特点，故障出现后不易查找原因，而且故障发生会带来巨大的经济损失。通常，液压系统只能靠定期检查和维护来排除故障，这种方法有一定的滞后性。因此需要实时监测液压系统的状态数据并及时分析以减少故障率，确保工程机械正常、连续运行。传统单片机已广泛应用于数据采集和处理中，虽然其价格便宜、易于开发，但是在存储空间和网络传输方面往往难以满足工程上的要求。因此，笔者针对液压系统采用了基于ARM的数据智能采集终端。
       
        采集终端通过分布在液压系统各处的传感器对油压、流量和温度3类信号进行采集，并将采集到的信号进行滤波、放大，然后模数转换，数据经过分析后进行统一的编排与压缩，最后通过通信模块进行传输，将数据传输到本地监控中心做进一步故障诊断。
       
        1硬件总体结构
       
        智能数据采集终端系统采用三星的ARMS3C2440为主控芯片、GTM900-C GPRS为通信模块。整个硬件系统分为3部分：主控模块、数据采集模块和通信模块，具体结构如图1所示。
       
        终端的主控模块包括控制芯片电路、存储电路、电源电路以及串口和JTAG接口电路；数据采集模块包括传感器电路、信号调理电路以及8路A/D转换电路；通信模块包括GPRS芯片以及外围电路。其中ARM与GPRS之间的通信是通过RS-232总线完成。
         
       
       
       
        2主控模块设计
       
        2. 1 ARM芯片介绍与工作状态设置
       
        终端系统主要采用以ARM920T为核心的三星S3C2440芯片。该芯片虽然功耗低、体积小，但是集成了丰富的片上资源。其特点主要有增强型ARM架构MMU，支持WinCE、EPOC32和LINUX；内部先进微控器总线架构；哈佛高速缓冲体系结构；10位8通道多路复用ADC，可以实现最大转换率为2. 5MHz A/D转换器时钟下的500kS /s等。主控模块的供电分为3. 3V系统外围电路供电和1. 25V核心板供电。3. 3V系统外围电路供电通过AMS1117-3. 3V稳压模块完成转换，电路如图2所示；1. 25V核心板供电则采用低压差、低噪声的MAX8860EUA稳压芯片提供，电路如图3所示。S3C2440使用12MHz有源晶振，通过片内PLL电路倍频后，最高可达到400MHz.片内的PLL电路兼有频率放大和信号提纯功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，避免了高频噪声的产生。复位电路采用MAX811S芯片，当系统电源低于系统复位阈值（2. 93V），芯片将会对系统进行复位。
       
       
        2. 2串行接口电路
       
        RS-232C标准常用的接口是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标准所定义的高低电平信号与S3C2440系统的定义不同，所以两者之间的通信需要电平转换，在单片机中常用的是5V的MAX232，而这里使用3. 3V的MAX3232，典型的应用电路如图4所示。
       
       
        2. 3 NOR FLASH接口电路
       
        终端系统中NOR FLASH使用的存储芯片是HY29LV160，存储容量为2MB，工作电压为2. 7 ~3. 6V，工作方式选用16位数据宽度模式。需要注意的是管脚NC接高电平时，即为16位数据位，当NC为低电平时即为8位数据位。选择16位数据宽度时，即为半字模式，此时16位数据总线D0 ~ 15分别接S3C2440的数据总线DATA0 ~15，地址总线则是A0 ~ 19分别与S3C2440的ADDR0~ 19连接，半字模式下的寻址范围为1MB，对于32位的S3C2440寻址范围则为1×2 = 2MB.
       
        2. 4 SDRAM接口电路
       
        SDRAM选用的是K4S561632，其存储容量为32MB，工作电压为3. 3V，其数据宽度为16位。
       
        根据系统要求，需要有相对较复杂的算法运行，所以选用两片组成存储系统，存储空间为64MB.
       
        具体连接方法是第一片的D0 ~ 15接DATA0 ~15，第二片的D0 ~ 15接DATA16 ~ 31，这样将16位扩展成为了与S3C2440对应的32位数据总线。
       
        对于地址线来说，SDRAM采用的是存储阵列，即每片分为4个逻辑Bank，每个Bank由13个行地址线和9个列地址线共同寻址，能访问的空间为4×213×29×2 = 225MB.地址线的接法是分别将两片的A0 ~ 12与ADDR2 ~ 14相连，通过RAS和CAS选择行列信号，通过BA0、BA1选择Bank，最终通过CS通用片选实现64MB的寻址。
        3数据采集模块设计
       
        液压系统的组成主要包括液压泵、液压油缸或液压马达、各类控制阀和辅助装置。根据故障类型的归纳和总结，监控对象和监控点包括液压泵的油压和流量，油温，以及各类控制阀处的油压和流量。选择监测的参数主要包括：
       
        a.油压测量。考虑到传感器的精度，工作电压与系统电压的匹配，供电电流以及能适用较恶劣的介质环境等，选用MSP340系列不锈钢传感器，其电气性能为：供电电源为5VDC；供电电流小于10mA；输出信号为0. 5 ~ 4. 5VDC /4 ~ 20mA；量程偏差为±2%FS；精度小于1%FS.
       
        b.流量测量。选择涡轮流量计，电气性能为：供电电源为12 ~ 36VDC，可采用车载蓄电池直接供电；输出信号为4 ~ 20mA；精度为±1%R.
       
        c.温度测量。选择温度传感器AD592，由于液压油温只作为辅助检测量，不需要精度太高，所以直接用隔热材料将AD592固定于测温点做适当的温度补偿，从而测量管内的油温。
       
        模数转换采用的是S3C2440的10位8通道ADC，其转换率为2. 5MHz转换器时钟下的500kS /s，基准电压采用3. 3V，前端传感器调理电路需要相应的调整电压范围，管脚对应S3C2440上的AIN0 ~ 7.
       
        4通信模块设计
       
        通信模块选用华为的GPRS模块GTM900-C，该模块具有标准的AT命令接口，内部集成了TCP /IP协议栈，使用时不必编写相关的IP协议程序，直接可以通过其内嵌协议进行GPRS上网传递数据。
       
        GPRS模块与ARM之间的连接是通过RS232串行接口连接的，电路如图5所示。其中芯片供电采用3. 8V，由稳压器AMS1117-adj转换。RST为芯片复位、PWON为开关机控制信号，均为低电平有效；UART_RXD0和UART_TXD0分别为AT命令串口发送、接收信号，实现数据的传输只需分别与串口的接收和发送端相连即可。
       
       
        5结束语
       
        笔者以三星公司的S3C2440开发板为平台，研究设计了一种基于ARM的液压系统智能数据采集终端的硬件电路，该终端已达到设计要求。
       
        而且整个终端成本低廉、功能齐全，有较好的应用价值。此外，本设计稍作改动也可应用于其他需要数据采集和传输的环境，有一定的通用性。