王化格

摘要：基于LPC1768和高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1278設(shè)計(jì)了一種24位分辨率、16通道同步采集的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由Cortex-M3處理器LPC1768、聲發(fā)射傳感器、信號(hào)調(diào)理與采集、以太網(wǎng)和上位機(jī)等部分組成。LPC1768使用SPI接口讀取ADS1278的數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)模塊聯(lián)入以太網(wǎng)。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功耗低等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射；數(shù)據(jù)采集；以太網(wǎng)；LPC1768；ADS1278

中圖分類號(hào)：TN64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）05-0242-02

Abstract：This paper introduced a Acoustic Emission Monitoring System that have 24-bit resolution and 16-channel synchronous data acquisition based on LPC1768 and ADS1278. The system is composed of LPC1768， Acoustic emission sensors， Signal conditioning and acquisition， Ethernet and upper level ，etc. LPC1768 using the SPI interface to read the ADS1278 data. Be linked into the Ethernet by itself Ethernet controller module. This design has the advantages of simple structure， low cost， low power consumption.

Key words：acoustic emission；data acquisition； ethernet； LPC1768；ADS1278

固體在受壓和破壞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射，提供了固體內(nèi)部缺陷的有關(guān)信息，通過(guò)對(duì)這些聲發(fā)射信號(hào)的采集，可以對(duì)固體內(nèi)部缺陷狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析預(yù)測(cè)[1]。在聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)方面，國(guó)內(nèi)已有多人做了相關(guān)工作：姚靜毅采用DSP和片上AD采樣單元設(shè)計(jì)了高速聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2]。熊慶國(guó)、賀風(fēng)云等采用快速A/D轉(zhuǎn)換器、DSP和FPGA技術(shù)研制出具有16位精度的單通道數(shù)字式聲發(fā)射檢測(cè)儀[3]。馮國(guó)金等采用DSP和高精密AD采樣芯片設(shè)計(jì)了具有24位分辨率、16通道同步數(shù)據(jù)采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)芯片W5100與上位機(jī)相連[4]。

本文采用NXP公司的Cortex-M3芯片LPC1768和TI公司的高精密ADC芯片ADS1278，設(shè)計(jì)了一種低成本、高性能的聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由聲發(fā)射傳感器、信號(hào)調(diào)理與采集、LPC1768系統(tǒng)、以太網(wǎng)、上位機(jī)等組成，總體結(jié)構(gòu)見圖1。

聲發(fā)射傳感器用來(lái)拾取固體發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理。REF5025電壓基準(zhǔn)電路為ADC芯片ADS1278提供2.5V的參考電壓，PCA9535為I/O口擴(kuò)展芯片。LPC1768通過(guò)I2C總線擴(kuò)展了2片PCA9535，來(lái)完成對(duì)2片ADS1278的配置。

LPC1768具有豐富的片上外設(shè)。本系統(tǒng)通過(guò)同步串行接口SPI與ADS1278數(shù)據(jù)線相連，接收來(lái)自ADS1278的數(shù)據(jù)。采用片上以太網(wǎng)模塊外接以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DP83848C接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，與上位機(jī)進(jìn)行通信。

上位機(jī)為PC機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)將各種相關(guān)指令發(fā)給作為監(jiān)測(cè)分站的LPC1768，接收來(lái)自LPC1768的聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，存儲(chǔ)和分析。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 LPC1768主板

LPC1768是基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，主頻最大為100 MHz，有512 Kbyte的 FLASH和64 KByte的SRAM，內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)資源。

LPC1768主板主要由最小系統(tǒng)、晶振電路、復(fù)位電路、電源電路、JTAG電路和以太網(wǎng)電路。

2.2 LPC1768與ADS1278控制接口電路設(shè)計(jì)

AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1278是通過(guò)操作相應(yīng)的I/O來(lái)設(shè)定。為了避免占用過(guò)多的MCU引腳，采用LPC1768的I2C模塊控制兩片I/O擴(kuò)展PCA9535來(lái)完成對(duì)ADS1278的配置，配置工作包括工作模式、開啟通道數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和格式等。

2.3 LPC1768與ADS1278數(shù)據(jù)采集接口電路設(shè)計(jì)

ADS1278通過(guò)FORMAT[2：0]來(lái)選擇傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。本設(shè)計(jì)采用SPI接口協(xié)議。

兩片ADS1278級(jí)聯(lián)。ADS1278的時(shí)鐘基準(zhǔn)由LPC1768的定時(shí)器提供以方便靈活設(shè)置采樣率。ADS1278的[DRDY]連接LPC1768的外部中斷引腳；LPC1768的P0.7引腳用于產(chǎn)生同步脈沖，連接ADS1278的SYNCn引腳。

2.4 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)

LPC1768的以太網(wǎng)模塊包含一個(gè)功能齊全的 10Mbps 或 100Mbps 以太網(wǎng) MAC。外接以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DP83848C接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

3下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件包括三個(gè)模塊：系統(tǒng)配置，數(shù)據(jù)采集，以太網(wǎng)通信。

（1）系統(tǒng)配置：系統(tǒng)配置又可分為兩個(gè)模塊，一是對(duì)LPC1768自身的初始化；二是對(duì)ADS1278的設(shè)置。

（2）數(shù)據(jù)采集工作由SPI控制器來(lái)完成，其工作流程如下：ADS1278啟動(dòng)后，前端傳感器采集的固體聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后送入ADS1278進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，在中斷函數(shù)中啟動(dòng)SPI控制器來(lái)讀取AD轉(zhuǎn)換值。

（3）以太網(wǎng)程序中移植了LwIP。本系統(tǒng)采用RAW API接口函數(shù)。以太網(wǎng)上傳工作主要由tcp_write（）函數(shù)來(lái)完成；接收上位機(jī)指令的工作主要有tcp_recv（）函數(shù)來(lái)完成。

軟件流程如圖2所示。系統(tǒng)上電后，LPC1768首先完成對(duì)自身資源的配置，然后等待PC發(fā)來(lái)的指令。系統(tǒng)收到PC的發(fā)送來(lái)的指令，首先對(duì)指令進(jìn)行解析，判斷是開始采集指令、數(shù)據(jù)上傳指令或者停止采集指令。如果該指令是開始采集指令，LPC1768會(huì)按照接收到指令重新給ADS1278進(jìn)行配置，然后重新啟動(dòng)ADS1278進(jìn)行采集；如果該指令是上傳指令，LPC1768就把ADS1278采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳至上位機(jī)；如果該指令是停止采集指令，LPC1768就關(guān)閉相應(yīng)的外設(shè)，從而停止采集工作，隨后等待新的指令到來(lái)。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1以太網(wǎng)通信測(cè)試

通過(guò)PC機(jī)CMD終端下的PING命令可測(cè)試以太網(wǎng)通信是否正常。

4.2系統(tǒng)綜合測(cè)試

綜合測(cè)試時(shí)，將聲發(fā)射傳感器放在桌子上，用小錘敲打桌面。下位機(jī)將采集到的多路聲發(fā)射信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給PC機(jī)。圖3為PC機(jī)屏幕上顯示的多路聲發(fā)射信號(hào)波形圖。

5結(jié)論

針對(duì)聲發(fā)射信號(hào)采集的需要，采用基于Cortex-M3內(nèi)核的LPC1768處理器和ADS1278設(shè)計(jì)了一種具有24位分辨率、16通道同步數(shù)據(jù)采集功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。充分利用LPC1768的片上資源進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 姚靜毅.基于 DSP的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[J].廈門理工學(xué)報(bào)， 2006（3）：40-43.

[3] 熊慶國(guó)，賀風(fēng)云.數(shù)字式聲發(fā)射檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J]. 工礦自動(dòng)化， 2004（3）：25-27.

[4] 馮國(guó)金，趙洪亮，閆吉領(lǐng)，等.基于DSP的16通道煤巖聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（8）：59-61，64.