熊 迪，李 波

(1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，武漢 430081；2.湖北文理學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；3.襄陽市數(shù)字裝備制造及先進加工技術(shù)重點實驗室，湖北 襄陽 441053)

0 引言

隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，機床測試系統(tǒng)的數(shù)字化集成化程度越來越高，測試系統(tǒng)也越發(fā)復(fù)雜[1]。這些要求都對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)[2]。目前機床生產(chǎn)廠家對數(shù)控機床測試過程中的數(shù)據(jù)采集方法較為簡單，普遍的方法是利用采集卡結(jié)合傳感器對機床運動過程中的溫度、振動、壓力、位移等變量等進行獲取。但是由于機床測試過程具備不確定性，普通的采集系統(tǒng)不具備擴展性，一旦采樣量過大，普通采集系統(tǒng)的接口無法滿足實際需求；同時不同傳感器所輸出的模擬量信號不同，包括電流模擬量信號和電壓模擬量信號，普通的采集系統(tǒng)需要判定模擬量信號類型因此導(dǎo)致機床測試過程后端采樣設(shè)備過多，容易造成采樣數(shù)據(jù)失真，影響了機床測試的準確性。

針對上述問題，設(shè)計了一種可擴展多源數(shù)控機床采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)以DSP和STM32為微控制器，其中DSP主要完成數(shù)據(jù)采集與輸出功能、STM32完成數(shù)據(jù)存儲與通訊功能。采集系統(tǒng)具備多源信號接口可自動識別模擬量信號類型，無需判定輸入信號是電壓型或者電流型，簡化了采樣過程。由于機床測試過程中會采集一些需要電流激勵才能觸發(fā)的傳感器信號，例如ICP加速度傳感器。因此通過相應(yīng)的設(shè)計讓多源信號接口可輸出一定量的電流，使得采集系統(tǒng)配置了恒流源功能，能快速采集需要電流激勵的傳感器信號，提高了機床測試過程中的采樣效率。采集系統(tǒng)中包含擴展模塊可以根據(jù)機床測試過程中的實際需求增加多路模擬量輸入接口，采集系統(tǒng)選擇棧接式的機械結(jié)構(gòu)，按照不同傳感器類型和所需采集通道數(shù)對采集系統(tǒng)進行擴展，最多可支持6塊采集卡，共96路采集接口，擴展的采集卡按照主從卡關(guān)系利用設(shè)定的協(xié)議完成與主卡的數(shù)據(jù)通信。

1 采集系統(tǒng)組成

數(shù)控機床測試系統(tǒng)主要由傳感器、采集系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)組成[3]。由于數(shù)控機床運行過程中運行情況較為復(fù)雜，測試系統(tǒng)所選擇的傳感器類型也有多種，包括溫度傳感器、位移傳感器、激光傳感器等等。其中部分振動傳感器如ICP加速度傳感器和部分壓力傳感器需要電流激勵才能使用，因此測試系統(tǒng)中所選擇的采集系統(tǒng)尤為重要，既要有豐富的采樣接口，同時需要適應(yīng)電流激勵型傳感器。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種可擴展多源采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)具備16路采樣接口，包括5路多源信號接口、5路差分輸入接口、6路溫度輸入接口。其中多源信號接口可自動識別模擬量信號類型，從而無需判定傳感器輸出信號是電流型或者電壓型；同時多源信號接口能輸出一定量的電流信號，使得采集系統(tǒng)具備恒流源功能，方便數(shù)控機床對電流激勵型傳感器信號進行采集。采集卡內(nèi)置擴展模塊，通過預(yù)設(shè)的擴展接口可以對采集卡進行擴展，最多可擴展至6個采集卡，96路采樣接口，從而基本滿足了數(shù)控機床測試對采樣接口數(shù)量的要求。采集系統(tǒng)通過網(wǎng)口與數(shù)控系統(tǒng)，使得數(shù)控系統(tǒng)能監(jiān)控機床運行情況。數(shù)控機床測試系統(tǒng)組成見圖1。

可擴展多源數(shù)控機床采集系統(tǒng)包括模擬量采集與輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊，總體結(jié)構(gòu)框圖見圖2。模擬量采集與輸出模塊以DSP作為控制單元，通過內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，結(jié)合調(diào)理電路對數(shù)字信號進行處理。模擬量采集與輸出模塊同時具備5路多源信號輸入接口、5路差分輸入接口、6路溫度輸入接口，其中多源信號接口功能是通過數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊中的模擬量開關(guān)電路實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊以STM32作為控制單元，將收集的數(shù)字量信號存儲至SD卡，通過網(wǎng)口與數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通。數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊和模擬量采集與輸出模塊采用并行接口通訊，利用FSMC總線完成數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊設(shè)置了擴展模塊利用設(shè)定的協(xié)議完成與主卡與從卡的數(shù)據(jù)通信，從而極大的擴展了采集功能。圖2為采集卡功能模塊框圖。

圖1 數(shù)控機床測試系統(tǒng)組成圖

圖2 采集系統(tǒng)功能模塊框圖

2 采集系統(tǒng)硬件選擇

2.1 模擬量采集與輸出模塊

模擬量采集與輸出模塊選擇TI公司的型號為TMS320F28335的DSP芯片作為主控芯片，模擬量采集與輸出模塊具有以下輸入輸出接口：16路模擬量輸入接口，8路PWM輸出接口，5路數(shù)字量輸出接口；其通訊接口包括USB2.0 SLAVE通訊，USB HOST通訊，RS485串口通訊。DSP使用了TI公司的CCS集成開發(fā)環(huán)境，它既支持純匯編，也支持C/C++，還支持混合編程[4]。DSP芯片利用自身內(nèi)部邏輯，控制AD轉(zhuǎn)換模塊進行信號采集，完成數(shù)據(jù)的地址譯碼與緩存[5]。圖3為模擬量采集與輸出模塊采集信號結(jié)構(gòu)圖。

圖3 模擬量采集與輸出模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊

數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊利用意法半導(dǎo)體公司的型號為F103ZE6的STM32芯片為主控芯片。

STM32F103ZE是基于最新Contex-M3內(nèi)核的32位高速ARM微處理器，功率比較低，工作頻率經(jīng)過PLL倍頻后最高可達72MHz[6]。外圍調(diào)理電路對來自模擬量采集與輸出模塊的數(shù)字量信號進行濾波、放大處理。SDIO接口是由SD存儲卡的接口信號線—SD總線發(fā)展而來[7]，STM32芯片收集數(shù)字量信號并利用SDIO協(xié)議將數(shù)據(jù)存儲至SD卡中。FatFs具有靈活的存儲機制，對于小塊的數(shù)據(jù)，他通過緩沖區(qū)存貯，大塊的數(shù)據(jù)則直接存取，提高了存取速度和效率[8]，通過FatFS文件系統(tǒng)對SD卡上的數(shù)據(jù)進行管理。數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊內(nèi)置網(wǎng)口模塊利用以太網(wǎng)，實現(xiàn)與上位機網(wǎng)絡(luò)通訊的功能。圖4為數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖4 數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊結(jié)構(gòu)圖

STM32通過控制模擬開關(guān)電路識別模擬量采集與輸出模塊輸入的信號是電壓型或者電流型，從而實現(xiàn)了采集系統(tǒng)多源信號采樣的功能。如圖5為多源信號輸入接口電路圖。

圖5 多源信號輸入接口電路圖

其中IN2e表示電流型模擬量信號輸入，IN3e表示電壓型模擬量信號輸入，IN4e表示一定量電流輸出。IN2e表示接收4～20mA模擬量信號，通過鉗位電路對信號進行處理；IN3e表示接收0～5V或者0～10V模擬量信號；IN4e表示通過供電電路結(jié)合IEPE傳感器輸出4mA電流信號。由于多源信號輸入電路中存在3種開關(guān)選擇，通過兩個開關(guān)選擇器D1、D2來判定所選類型。因此數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊中設(shè)置了模擬開關(guān)電路，來判定輸入信號滿足何種條件時，選擇IN2e、IN3e、IN4e。模擬開關(guān)電路圖見圖6。其中P1e、P2e、P3e作為控制元，控制開關(guān)電路輸出具體為哪一種。設(shè)置P1e、P2e、P3e分別為高電平、低電平、低電平，開關(guān)電路輸出為IN2e；設(shè)置P1e、P2e、P3e分別為低電平、高電平、低電平，開關(guān)電路輸出為IN3e；設(shè)置P1e、P2e、P3e分別為低電平、低電平、高電平，開關(guān)電路輸出為IN4e。

圖6 模擬開關(guān)電路

數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊中內(nèi)置擴展模塊，擴展模塊電路如圖7所示。擴展模塊中設(shè)定了8路擴展接口，分別是ADC123_INO-ADC123_IN7，擴展采集卡與原采集卡通過擴展接口，按照并行接口通訊的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞與通訊。

圖7 擴展電路

模擬量采集與輸出模塊和數(shù)據(jù)存儲與通訊模塊之間的通訊采用并行接口，結(jié)合FSMC總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。SMC是STM32系列采用的一種新型的存儲器擴展技術(shù)，支持不同的外部存儲器類型，其中就包括多種類型的靜態(tài)存儲器[9]。因此，可將DSP作為STM32的外部SRAM來配置，通過擴展出的數(shù)據(jù)/地址/控制三總線來實現(xiàn)操作，這樣既能保證較快的操作速度，又具有很高的靈活性[10]。

3 采集系統(tǒng)軟件界面設(shè)計

圖8 采集系統(tǒng)軟件通道配置界面

采集系統(tǒng)上位機界面利用LABVIEW軟件進行編寫[11]。軟件主界面包括通道配置界面、輸出配置界面、波形顯示界面、溫度顯示界面。通道配置界面共有16個接口，其中CH_1-CH_5為多源可配置接口；CH_6-CH_10為差分輸入接口；CH_11-CH_16為溫度輸入接口。通道配置界面如圖8。在主界面中設(shè)置采樣頻率，點擊采樣開始便可以采樣。

輸出配置界面包括PWM輸出配置、DA輸出配置、GPIO配置。通過PWM輸出配置可以控制采樣頻率；通過DA輸出配置可以查看通道的采樣值；GPIO配置可以控制高低電平的響應(yīng)。采樣系統(tǒng)軟件輸出配置界面如圖9所示。

圖9 采集系統(tǒng)軟件輸出配置界面

4 采集系統(tǒng)測試實驗

圖10 華中數(shù)控車床CK6140

本次實驗以華中數(shù)控車床CK6140為載體，CK6140為兩軸數(shù)控車床，其振動情況極大的影響機床加工精度，因此通過可擴展多源采集系統(tǒng)采集機床測試機床運行過程中的振動情況。選用的振動傳感器為Dytran3145A加速度傳感器，其采樣頻率為0.8～5.5kHz，Dytran3145A加速度傳感器需要低電流觸發(fā)，需要信號適調(diào)儀配合使用。采集系統(tǒng)配置恒流源功能，無需信號適調(diào)儀觸發(fā)振動傳感器，簡化了采樣過程。圖10為華中數(shù)控車床CK6140，圖11為機床振動信號采集流程圖。

圖11 機床振動信號采集流程圖

實驗條件設(shè)置為主軸轉(zhuǎn)速為500rpm，進給軸進行插補運算，車床刀具車削45號鋼，設(shè)置采樣頻率為5kHz。采集系統(tǒng)的CH_1接口與振動傳感器的信號線相連接，振動傳感器安裝于機床的主軸上采集其振動特性；采樣系統(tǒng)的CH_2接口與振動傳感器的信號線相連接，振動傳感器安裝于機床的進給軸上采集其振動特性。采集系統(tǒng)界面圖見圖12。利用Matlab軟件將采集數(shù)據(jù)進行分析，圖13a主軸振動波形圖，圖13 b為進給軸振動波形圖。

圖12 機床振動測試實驗采集系統(tǒng)界面

由圖13可知，采集系統(tǒng)能對數(shù)控機床的振動信號進行正確采集。本次實驗只選擇了兩路信號接口分別采集了數(shù)控機床主軸與進給軸的振動情況，同時也驗證了采集系統(tǒng)的多源接口具備恒流源功能，能十分方便的采集需要電流激勵的傳感器信號。采集系統(tǒng)中的CH_1-CH_5為多源信號輸入接口，只需在選擇好量程與傳感器類型，采集系統(tǒng)便能自動配置輸入信號類型，簡化了采樣過程；CH_6-CH_10為差分信號輸入接口；由于數(shù)控機床需要頻繁的測量溫度變化情況，在采集系統(tǒng)中設(shè)置了溫度信號輸入接口分別是CH_11-CH_16。如若上述16個接口不能滿足數(shù)控機床測試對接口數(shù)量的要求，通過采集系統(tǒng)中的擴展模塊，可以將原采集主卡與擴展從卡并口連接，便可以擴大接口數(shù)量。

(a) 主軸振動波形圖

(b)進給軸振動波形圖

5 結(jié)論

由于數(shù)控機床測試過程中，需要采集大量多類型傳感器信號，普通采集系統(tǒng)一般不具備擴展功能從而在一些特殊測試過程中會存在局限性。同時由于普通采集系統(tǒng)對于模擬量采集只能接受某一輸入類型，面對大量信號采集時采樣設(shè)備數(shù)量過多，兼容性不足。

因此設(shè)計了一種基于DSP與STM32的可擴展多源數(shù)控機床采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)具備多源信號接口，能自動識別模擬量信號類型，可以同時采集多類型傳感器信號，簡化了后端采樣設(shè)備；并且具備擴展功能，通過插拔式擴展模塊可以增加多路模擬量輸入接口，可以適應(yīng)不同機床測試的采樣要求。