基于PC/104總線的數據采集系統設計及應用

摘 要：在簡要介紹了嵌入式PC/104總線標準的基礎上，討論了基于該總線構建的數據采集系統及其在機械加工設備狀態監測中的應用。本文對數據采集系統的組成、軟硬件設計、功能特點等方面進行了敘述和討論。

關鍵詞：PC/104; 數據采集系統;加工設備狀態監測

0. 引言

　　自90年代以來，PC總線成為最為普及的總線標準之一，其應用已從臺式個人計算機擴展到工業控制、儀器儀表等領域。采用PC總線標準進行的系統的開發雖然可以獲得大量的軟件支持，但存在體積龐大、功耗高等缺點。為解決這一矛盾，1987年有關廠家推出了PC/104總線模塊。隨著基于PC/104總線系統的推廣應用，PC/104總線逐漸成為嵌入式PC機的機械標準，其秉承了IBM-PC開放式總線結構的優點，與IBM-PC機完全兼容，具備體積小（96＊90mm棧接式結構）、低成本、高可靠性、長壽命、工作范圍寬、編程調試方便、外圍模塊齊全等優點，所以在測試領域基于PC/104的智能儀器得到了廣泛應用, PC/104系列產品已廣泛應用于通信設備、車輛導航、工程控制等各種領域。本文重點介紹了基于PC/104總線構建的數據采集系統及在機械加工設備狀態監測中的應用。

1. PC/104在機械加工設備狀態監測系統中的應用

　　隨著現代機械加工設備的日趨高速、高能、大型化、自動化、連續化和集成化，設備一旦發生故障且未能及時發現和排除，會帶來不可估量的損失。機械加工設備狀態監測技術有相當大的實用價值，可為設備預知維修提供基礎資料和數據，為故障的診斷和預防提供簡便、快捷的手段，對設備的科學管理和減少維修費用，提高設備的可靠性和維修性具有極大的意義。基于PC/104總線及系列模塊構建的數據采集系統，作為機械加工設備狀態監測系統的數據采集器，具有便攜式特性，可作為設備巡檢儀器，主要完成工業現場設備狀態信息的獲取，對信號進行實時分析。當設備出現異常，自動報警。

2. 數據采集系統硬件組成

　　數據采集是機械加工設備狀態監測系統必不可少的一部分，它是聯接最前端的傳感器和數據處理到顯示打印輸出等的重要部分。本文介紹的是基于PC/104嵌入式模塊構建的便攜式的數據采集系統,它內有通用CPU、數據采集模塊、內存和高速硬盤,預裝完整的Windows操作系統，不僅如此，內置的100M以太網卡可將數據通過Internet傳送到世界上的任何地方,實際上它不僅能夠進行數據采集,而且實現了計算機的功能,包括聯網、打印等,可以把它簡單地看成一個計算機控制的數據采集系統。

　　本文所涉及的便攜式數據采集系統采用PCM-3370模塊、PCM-3718HG采集卡構建了多通道的信號采集系統，實現多通道的數據采集、處理和實時顯示。整個系統由電源模塊供電。其中PCM-3370模塊作為主機，PCM-3718HG模塊集成采集卡完成信號的采樣，且采樣頻率可在小于100kHZ的范圍內任意設定;顯示器可用標準CRT顯示器，也可用平板顯示器;鍵盤采用PC/104專用鍵盤。系統的總體結構如圖1所示

3. 數據采集系統的軟件組成與設計

　　由于該系統采用微機控制，軟件設計是必須的。系統硬件也只有在軟件控制下運行。

　　使用的操作系統是WindowsXP，因為Windows是多任務操作系統，功能十分強大，用Windows操作系統開發的儀器具有優良的界面，而且很多生產廠商都為PC/104的外圍模塊提供了與Windows系統相對應的驅動程序，越來越多的基于PC/104的系統開發采用Windows系統作為平臺。而LabVIEW是美國NI公司開發的一種非常優秀的圖形化編程語言，它具有美觀的用戶交互界面、良好的實時性和強大的信號分析處理功能以及靈活的可擴充性,因此選用LabVIEW軟件作為系統實現的技術平臺，為高效地搭建信號采集及分析系統提供了徹底的解決方案。

　　便攜式數據采集系統軟件的設計思想是采用模塊化式的設計，應用程序主要包括幾大模塊:數據采集、數據顯示、數據傳送、數據接收、數據存儲和數據處理模塊（如圖2所示）。

　　采集程序的信號由傳感器拾取，經電荷放大器后，通過PCM-3718HG數據采集卡，即可實現對數據的采集。將得到的原始數據在時域顯示，然后存儲或者通過DataSocket直接傳給數據信號處理模塊。采集程序及信號處理程序以LabVIEW為開發平臺。采集程序及處理程序如圖3、圖4所示：

　　程序實現功能：

　　（1） 參數設置功能：系統具有強大的設置功能，可以對采集的通道數、采樣頻率、增益、緩沖區大小、報警上下限等進行設置。

　　（2） 采集控制功能：可手動控制程序采集，同時可通過程序進行連續采集和定時采集。

　　（3） 波形顯示功能：能實時顯示單通道或多通道趨勢圖，對設備狀態進行實時監測。

　　（4） 數據分析功能：由于采集到的信號蘊含了設備狀態變化和故障特征的豐富信息，信號處理是提取特征信息的主要手段，通過信號處理可以實現時域和頻域的互換，并且通過聯合時頻分析，可以揭示出信號中的某些實質性的問題，因此本系統采用時域、頻域及聯合時頻等分析方法對信號進行分析處理，以提取有用的特征量。

　　（5） 報警功能：可任意設置各通道上下限的閾值，當采集的數據超過限制可自動報警，以提示現場工作人員設備運行出現異常，及時采取措施。

　　（6） 故障預測：系統可根據對采集數據的處理提取反映設備運行狀態的特征量，根據特征量來預測設備以后的運行狀態的變化趨勢。

　　（7） 故障診斷：當發生報警后，系統對發生故障的通道進行診斷，給出可能發生故障的類型。

　　（8） 自動存儲打印功能：將采集到的設備運行狀態的正常數據及報警時的異常數據，以當前系統時間為文件名存儲為二進制文件，也可以以表格形式存進數據庫，可生成報表打印。便于對數據進行查詢，分析及處理。為加工設備狀態監測提供數據資料。

　　（9） 數據通信功能：可利用網絡接口，通過DataSocket進行遠程通信，將數據傳輸到遠程計算機，用戶可以不在現場就可以監測到現場的設備運行狀態，同時在遠程端可對數據進行分析。

4. 結束語

　　作者的創新點：該系統是運用當今主要工業控制計算機技術-嵌入式PC/104總線結構及其擴展模塊設計的數據采集系統，由于PC/104模塊具有獨特的堆疊式總線擴展方式、體積小、功耗低、可靠性高等特點，因此該采集系統具有便攜性，克服了傳統PC機的缺點。其次采集系統以LabVIEW為開發平臺，其人機界面友好，功能強大;開發效率高、可維護性強;測試精度、穩定性和可靠性能得到充分保證;具有很高的性能價格比，節省投資。適合測控領域的計算機編程。

　　該系統已經在磨床加工設備狀態監測中經過實際調試，對多路數據采集、處理及傳輸，對采集控制、采集速度、異常處理報警等都進行了測試。可為加工設備狀態監測提供基礎資料和數據，保證加工系統的穩定性和安全性。

參考文獻

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