基于ARM的液压系统智能数据采集终端硬件设计 数据采集, 硬件, 智能

[导读] 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。
关键词：智能系统硬件设计ARM芯片数据采集

　　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。