基于ERTU的机床振动信号采集处理的硬件系统研究

黄均安

摘 要：该文设计了一种基于ERTU的机床振动信号采集处理的硬件系统。该系统通过ICP加速度传感器采集模块，存储模块，主系统模块等，把电信号转化为数字信号送入ERTU系统，从而实现振动信号的采集和处理。

关键词：ERTU系统 振动信号 ICP加速度传感器 硬件

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0033-02

在机床切削加工过程中，机械振动是一种极为有害的现象。由于振动的产生，降低了工件加工表面的质量，同时加剧了刀具和机床零件的磨损，有时甚至能造成切削工作不能正常进行。因此在金属机床切削工作过程中，对振动信号的实时监控显得尤为重要。该文提出了基于振动信号的ERTU硬件系统的研究。

1 ERTU系统的基本概况

电能量数据采集远方终端（ERTU）是电能量计量管理系统的重要组成部分。它通过RS-485或脉冲方式，采集各个计量点电表数据，并存储在终端，经处理后，通过适当的通讯通道，如以太网络，语音MODEM，专线MODEM，光纤，GPRS等方式发送给远方主站。一个典型的ERTU主要由以下的模块构成：主系统模块，通讯模块（以太网，RS485，MODEM网卡），ICP加速度传感器采集模块，存储模块，显示模块（包括键盘设计），电源模块，维护模块（本地RS232通讯），如图1所示。

除这些模块之外，每个模块都还有相对应的保护功能，这些保护功能对于每个模块的设计要求不尽相同。

ERTU系工业级产品，需要防磁、防震、防潮、防雷，并适用于变电站安装。

图1显示的是ERTU的模块组成，这个系统即可以看作是硬件系统的结构图，也可以当作软件系统的结构图。系统的软硬设计是按照自上而下考虑的，硬件系统、软件系统的模块化设计可以提高设计效率，缩短开发和调试周期，降低开发强度。下面主要从硬件系统方面来分析ERTU的开发。

2 ERTU硬件设计

在图1中，可以看出主系统模块是ERTU的核心，它不仅需要完成读取、处理和存储各种规约表计的大量数据，同时也需要处理RS485/232，以太网络，MODEM等多方式、多主站通信，还需要解析IEC60870-5-102规约，液晶显示和键盘设置维护等工作。这些复杂的功能要求终端必需具有强大的运算处理能力，8/16位的CPU或者单片机是无法胜任这些要求的。显然具有高性能的32位嵌入式CPU才是必然选择。

一般而言，嵌入式系统设计主要分为封闭式和开放式体系结构。封闭式体系结构又称为芯片级嵌入，其产品主要针对某种特定任务专门设计，专用性较强，不依赖于某种总线标准。开放式体系结构又被称为板级嵌入，与封闭式体系结构恰好相反，其设计立足于公开的工业总线标准。立足于开放的总线标准，设计者可以做出各类模板级产品供用户灵活选择，如人机接口板、信号调理板、CPU板、模拟量I/O板和数字量 I/O板、系统支持板等。由于标准统一，用户可以根据自身条件和实际情况选择不同种类和数量的功能模板，组合成相符合自身需要的应用系统，从而缩短了开发周期，减小了开发费用，在实际生产中，嵌入式工业系统采用最多的就是这种嵌入方式。

除开放和标准以外，嵌入式系统还具有以下特性。

（1）坚固性。在工业生产中，金属切削机床的环境往往较差，多油污和铁屑，在对振动信号的实时监控时，设备自身必须能够承受一定的振动，插卡的固定能力要强，电源稳定可靠，同时有良好的耐高温能力。

（2）低的平均故障修复时间。为了节约维修时间和成本，将控制机去掉有源电路的背板，把功能分散到其它插板上，当插板出现故障后，只需更换插板，就可以实现故障的维修。

（3）标准化。通过使用标准化设备，用户逐渐从专用结构转移到基于标准的架构，设备的通用性和易用性得到提高，同时使得组件的维护更加方便。此外标准架构的产品容易从多个不同的供应商那里得到，经济性得到体现。

一个成功的嵌入式系统模板硬件设计还应考虑以下方面。

（1）兼容性。嵌入式系统要做到和PC、MS-DOS、LINUX完全兼容，充分利用商用PC所积累的软、硬件资源。

（2）克服总线数据宽度和速度瓶颈，产品升级。标准工业总线虽然使得系统开放，但也限制了处理器性能的发挥。常规的办法是采用高性能总线，但这无疑会大幅度增加设计费用和产品成本。这里笔者是采用集成模板和I/O总线设计方案，将局部高速总线和慢速系统总线相结合设计，把对速度要求高的CPU、存储器、硬盘和需要高速访问的I/O接口等做在一块集成模板上，把相对慢速的I/O部分放在总线上。

ERTU硬件系统所采用的是板级嵌入，主系统CPU板的选择是ERTU嵌入式系统开发的关键，直接决定相应的外围系统模块的开发，硬件系统作为软件系统的平台又影响着软件的开发，所以选择合理的嵌入式主CPU板是ERTU系统研发的重点。目前在主系统板的市场上有两大主流产品：X86系列，ARM9系列。笔者这里仅对X86主系统的特点进行简单介绍。

X86微处理器（SCM-7020）SCM-7020选择的是AMD Gedode GX1处理器，具有以下的特点。

①X86兼容64位微处理器，支持MMX指令系统，速度高达300 MHz。

②SVGA显示接口支持CRT及TFT。

③在板内最大可达128M。

④16KB L1回写缓存。

⑤支持软驱、IDE硬盘。

⑥两串一并口。

⑦USB1.1接口。

⑧在板10/100BaseT以太网接口。

⑨16位PC/104总线。

⑩PC/104兼容。

可见这款CPU的硬件资源非常丰富，几乎不用扩展就可以满足ERTU的硬件资源要求。同时支持多种嵌入式操作系统，如Wince、Ucos、Linux等。通过对CPU进行分析不难发现，这款微处理器的硬件资源可以满足ERTU硬件系统设计要求， Gedode GX1处理器支持PC/104系统，大部分的外部硬件资源都是通过PC/104来实现。值得系统设计人员在进行硬件系统设计时注意的是选择不同的嵌入式CPU，决定了系统主板的选择、设计，也直接影响到外围系统模块的硬件设计。

3 ERTU完成振动检测的主要硬件结构

ERTU硬件设计时，主要是由ICP传感器模块来实现的。ICP传感器是内装微型IC放大器的压电加速度传感器，它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接和记录、显示和采集设备连接，简化了测试系统，提高了测试精度和可靠性。

此外，为了便于现场的维护、升级，以及操作的方便，增加了显示模块，键盘设置模块。此模块的正常不会影响整个ERTU的工作，但是显示和维护模块可以提高ERTU操作的方便行，系统状况的可见性。

4 ERTU硬件设计的考虑

RS485/232数据采集电能表数据（这里RS485/232可以通过硬件跳线来实现的），然后RS485/232电平转换芯片将采集的数据RS485/232电信号，转换成TTL电平，接着进行光耦隔离。再通过多路串口通讯芯片与主板进行电气连接，同时完成中断请求，并通过系统片选信号选中此通讯通路。

（1）电能量RS485/232数据流，如图2所示。

（2）ICP加速度传感器，如图3所示。

（3）电源模块是整个系统工作的基础，所以硬件电路设计要求电源模块要有高可靠性，一般来说都会采用冗余设计，AC供电，DC后备，两者之间无间隙切换（图4）。

5 结语

文中设计了一种基于机床振动信号采集的ERTU硬件系统，通过在真实环境中验证，系统运行稳定可靠，各项性能指标能够满足技术要求。

参考文献

[1] 王佳宁，宋晓南，樊瑞.基于FPGA的振动信号采集处理系统设计[J].电子设计工程，2014（12）：41-44.

[2] 宗文俊，李旦，孙涛，等，机床振动对高精度金刚石刀具研磨质量的影响[J].航空学报，2005（3）：367-370.

[3] 车霞，钟佩思，鹿洪荣，等，基于LabVIEW的机床振动信号采集与分析系统[J].机床与液压，2013（18）：164-168.

[4] 张龙，曾国英，赵登峰，等，机床振动信号数据采集系统设计[J]，机床与液压，2012（40）：71-73.

摘 要：该文设计了一种基于ERTU的机床振动信号采集处理的硬件系统。该系统通过ICP加速度传感器采集模块，存储模块，主系统模块等，把电信号转化为数字信号送入ERTU系统，从而实现振动信号的采集和处理。

关键词：ERTU系统 振动信号 ICP加速度传感器 硬件

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0033-02

在机床切削加工过程中，机械振动是一种极为有害的现象。由于振动的产生，降低了工件加工表面的质量，同时加剧了刀具和机床零件的磨损，有时甚至能造成切削工作不能正常进行。因此在金属机床切削工作过程中，对振动信号的实时监控显得尤为重要。该文提出了基于振动信号的ERTU硬件系统的研究。

1 ERTU系统的基本概况

电能量数据采集远方终端（ERTU）是电能量计量管理系统的重要组成部分。它通过RS-485或脉冲方式，采集各个计量点电表数据，并存储在终端，经处理后，通过适当的通讯通道，如以太网络，语音MODEM，专线MODEM，光纤，GPRS等方式发送给远方主站。一个典型的ERTU主要由以下的模块构成：主系统模块，通讯模块（以太网，RS485，MODEM网卡），ICP加速度传感器采集模块，存储模块，显示模块（包括键盘设计），电源模块，维护模块（本地RS232通讯），如图1所示。

除这些模块之外，每个模块都还有相对应的保护功能，这些保护功能对于每个模块的设计要求不尽相同。

ERTU系工业级产品，需要防磁、防震、防潮、防雷，并适用于变电站安装。

图1显示的是ERTU的模块组成，这个系统即可以看作是硬件系统的结构图，也可以当作软件系统的结构图。系统的软硬设计是按照自上而下考虑的，硬件系统、软件系统的模块化设计可以提高设计效率，缩短开发和调试周期，降低开发强度。下面主要从硬件系统方面来分析ERTU的开发。

2 ERTU硬件设计

在图1中，可以看出主系统模块是ERTU的核心，它不仅需要完成读取、处理和存储各种规约表计的大量数据，同时也需要处理RS485/232，以太网络，MODEM等多方式、多主站通信，还需要解析IEC60870-5-102规约，液晶显示和键盘设置维护等工作。这些复杂的功能要求终端必需具有强大的运算处理能力，8/16位的CPU或者单片机是无法胜任这些要求的。显然具有高性能的32位嵌入式CPU才是必然选择。

一般而言，嵌入式系统设计主要分为封闭式和开放式体系结构。封闭式体系结构又称为芯片级嵌入，其产品主要针对某种特定任务专门设计，专用性较强，不依赖于某种总线标准。开放式体系结构又被称为板级嵌入，与封闭式体系结构恰好相反，其设计立足于公开的工业总线标准。立足于开放的总线标准，设计者可以做出各类模板级产品供用户灵活选择，如人机接口板、信号调理板、CPU板、模拟量I/O板和数字量 I/O板、系统支持板等。由于标准统一，用户可以根据自身条件和实际情况选择不同种类和数量的功能模板，组合成相符合自身需要的应用系统，从而缩短了开发周期，减小了开发费用，在实际生产中，嵌入式工业系统采用最多的就是这种嵌入方式。

除开放和标准以外，嵌入式系统还具有以下特性。

（1）坚固性。在工业生产中，金属切削机床的环境往往较差，多油污和铁屑，在对振动信号的实时监控时，设备自身必须能够承受一定的振动，插卡的固定能力要强，电源稳定可靠，同时有良好的耐高温能力。

（2）低的平均故障修复时间。为了节约维修时间和成本，将控制机去掉有源电路的背板，把功能分散到其它插板上，当插板出现故障后，只需更换插板，就可以实现故障的维修。

（3）标准化。通过使用标准化设备，用户逐渐从专用结构转移到基于标准的架构，设备的通用性和易用性得到提高，同时使得组件的维护更加方便。此外标准架构的产品容易从多个不同的供应商那里得到，经济性得到体现。

一个成功的嵌入式系统模板硬件设计还应考虑以下方面。

（1）兼容性。嵌入式系统要做到和PC、MS-DOS、LINUX完全兼容，充分利用商用PC所积累的软、硬件资源。

（2）克服总线数据宽度和速度瓶颈，产品升级。标准工业总线虽然使得系统开放，但也限制了处理器性能的发挥。常规的办法是采用高性能总线，但这无疑会大幅度增加设计费用和产品成本。这里笔者是采用集成模板和I/O总线设计方案，将局部高速总线和慢速系统总线相结合设计，把对速度要求高的CPU、存储器、硬盘和需要高速访问的I/O接口等做在一块集成模板上，把相对慢速的I/O部分放在总线上。

ERTU硬件系统所采用的是板级嵌入，主系统CPU板的选择是ERTU嵌入式系统开发的关键，直接决定相应的外围系统模块的开发，硬件系统作为软件系统的平台又影响着软件的开发，所以选择合理的嵌入式主CPU板是ERTU系统研发的重点。目前在主系统板的市场上有两大主流产品：X86系列，ARM9系列。笔者这里仅对X86主系统的特点进行简单介绍。

X86微处理器（SCM-7020）SCM-7020选择的是AMD Gedode GX1处理器，具有以下的特点。

①X86兼容64位微处理器，支持MMX指令系统，速度高达300 MHz。

②SVGA显示接口支持CRT及TFT。

③在板内最大可达128M。

④16KB L1回写缓存。

⑤支持软驱、IDE硬盘。

⑥两串一并口。

⑦USB1.1接口。

⑧在板10/100BaseT以太网接口。

⑨16位PC/104总线。

⑩PC/104兼容。

可见这款CPU的硬件资源非常丰富，几乎不用扩展就可以满足ERTU的硬件资源要求。同时支持多种嵌入式操作系统，如Wince、Ucos、Linux等。通过对CPU进行分析不难发现，这款微处理器的硬件资源可以满足ERTU硬件系统设计要求， Gedode GX1处理器支持PC/104系统，大部分的外部硬件资源都是通过PC/104来实现。值得系统设计人员在进行硬件系统设计时注意的是选择不同的嵌入式CPU，决定了系统主板的选择、设计，也直接影响到外围系统模块的硬件设计。

3 ERTU完成振动检测的主要硬件结构

ERTU硬件设计时，主要是由ICP传感器模块来实现的。ICP传感器是内装微型IC放大器的压电加速度传感器，它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接和记录、显示和采集设备连接，简化了测试系统，提高了测试精度和可靠性。

此外，为了便于现场的维护、升级，以及操作的方便，增加了显示模块，键盘设置模块。此模块的正常不会影响整个ERTU的工作，但是显示和维护模块可以提高ERTU操作的方便行，系统状况的可见性。

4 ERTU硬件设计的考虑

RS485/232数据采集电能表数据（这里RS485/232可以通过硬件跳线来实现的），然后RS485/232电平转换芯片将采集的数据RS485/232电信号，转换成TTL电平，接着进行光耦隔离。再通过多路串口通讯芯片与主板进行电气连接，同时完成中断请求，并通过系统片选信号选中此通讯通路。

（1）电能量RS485/232数据流，如图2所示。

（2）ICP加速度传感器，如图3所示。

（3）电源模块是整个系统工作的基础，所以硬件电路设计要求电源模块要有高可靠性，一般来说都会采用冗余设计，AC供电，DC后备，两者之间无间隙切换（图4）。

5 结语

文中设计了一种基于机床振动信号采集的ERTU硬件系统，通过在真实环境中验证，系统运行稳定可靠，各项性能指标能够满足技术要求。

参考文献

[1] 王佳宁，宋晓南，樊瑞.基于FPGA的振动信号采集处理系统设计[J].电子设计工程，2014（12）：41-44.

[2] 宗文俊，李旦，孙涛，等，机床振动对高精度金刚石刀具研磨质量的影响[J].航空学报，2005（3）：367-370.

[3] 车霞，钟佩思，鹿洪荣，等，基于LabVIEW的机床振动信号采集与分析系统[J].机床与液压，2013（18）：164-168.

[4] 张龙，曾国英，赵登峰，等，机床振动信号数据采集系统设计[J]，机床与液压，2012（40）：71-73.

摘 要：该文设计了一种基于ERTU的机床振动信号采集处理的硬件系统。该系统通过ICP加速度传感器采集模块，存储模块，主系统模块等，把电信号转化为数字信号送入ERTU系统，从而实现振动信号的采集和处理。

关键词：ERTU系统 振动信号 ICP加速度传感器 硬件

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0033-02

在机床切削加工过程中，机械振动是一种极为有害的现象。由于振动的产生，降低了工件加工表面的质量，同时加剧了刀具和机床零件的磨损，有时甚至能造成切削工作不能正常进行。因此在金属机床切削工作过程中，对振动信号的实时监控显得尤为重要。该文提出了基于振动信号的ERTU硬件系统的研究。

1 ERTU系统的基本概况

电能量数据采集远方终端（ERTU）是电能量计量管理系统的重要组成部分。它通过RS-485或脉冲方式，采集各个计量点电表数据，并存储在终端，经处理后，通过适当的通讯通道，如以太网络，语音MODEM，专线MODEM，光纤，GPRS等方式发送给远方主站。一个典型的ERTU主要由以下的模块构成：主系统模块，通讯模块（以太网，RS485，MODEM网卡），ICP加速度传感器采集模块，存储模块，显示模块（包括键盘设计），电源模块，维护模块（本地RS232通讯），如图1所示。

除这些模块之外，每个模块都还有相对应的保护功能，这些保护功能对于每个模块的设计要求不尽相同。

ERTU系工业级产品，需要防磁、防震、防潮、防雷，并适用于变电站安装。

图1显示的是ERTU的模块组成，这个系统即可以看作是硬件系统的结构图，也可以当作软件系统的结构图。系统的软硬设计是按照自上而下考虑的，硬件系统、软件系统的模块化设计可以提高设计效率，缩短开发和调试周期，降低开发强度。下面主要从硬件系统方面来分析ERTU的开发。

2 ERTU硬件设计

在图1中，可以看出主系统模块是ERTU的核心，它不仅需要完成读取、处理和存储各种规约表计的大量数据，同时也需要处理RS485/232，以太网络，MODEM等多方式、多主站通信，还需要解析IEC60870-5-102规约，液晶显示和键盘设置维护等工作。这些复杂的功能要求终端必需具有强大的运算处理能力，8/16位的CPU或者单片机是无法胜任这些要求的。显然具有高性能的32位嵌入式CPU才是必然选择。

一般而言，嵌入式系统设计主要分为封闭式和开放式体系结构。封闭式体系结构又称为芯片级嵌入，其产品主要针对某种特定任务专门设计，专用性较强，不依赖于某种总线标准。开放式体系结构又被称为板级嵌入，与封闭式体系结构恰好相反，其设计立足于公开的工业总线标准。立足于开放的总线标准，设计者可以做出各类模板级产品供用户灵活选择，如人机接口板、信号调理板、CPU板、模拟量I/O板和数字量 I/O板、系统支持板等。由于标准统一，用户可以根据自身条件和实际情况选择不同种类和数量的功能模板，组合成相符合自身需要的应用系统，从而缩短了开发周期，减小了开发费用，在实际生产中，嵌入式工业系统采用最多的就是这种嵌入方式。

除开放和标准以外，嵌入式系统还具有以下特性。

（1）坚固性。在工业生产中，金属切削机床的环境往往较差，多油污和铁屑，在对振动信号的实时监控时，设备自身必须能够承受一定的振动，插卡的固定能力要强，电源稳定可靠，同时有良好的耐高温能力。

（2）低的平均故障修复时间。为了节约维修时间和成本，将控制机去掉有源电路的背板，把功能分散到其它插板上，当插板出现故障后，只需更换插板，就可以实现故障的维修。

（3）标准化。通过使用标准化设备，用户逐渐从专用结构转移到基于标准的架构，设备的通用性和易用性得到提高，同时使得组件的维护更加方便。此外标准架构的产品容易从多个不同的供应商那里得到，经济性得到体现。

一个成功的嵌入式系统模板硬件设计还应考虑以下方面。

（1）兼容性。嵌入式系统要做到和PC、MS-DOS、LINUX完全兼容，充分利用商用PC所积累的软、硬件资源。

（2）克服总线数据宽度和速度瓶颈，产品升级。标准工业总线虽然使得系统开放，但也限制了处理器性能的发挥。常规的办法是采用高性能总线，但这无疑会大幅度增加设计费用和产品成本。这里笔者是采用集成模板和I/O总线设计方案，将局部高速总线和慢速系统总线相结合设计，把对速度要求高的CPU、存储器、硬盘和需要高速访问的I/O接口等做在一块集成模板上，把相对慢速的I/O部分放在总线上。

ERTU硬件系统所采用的是板级嵌入，主系统CPU板的选择是ERTU嵌入式系统开发的关键，直接决定相应的外围系统模块的开发，硬件系统作为软件系统的平台又影响着软件的开发，所以选择合理的嵌入式主CPU板是ERTU系统研发的重点。目前在主系统板的市场上有两大主流产品：X86系列，ARM9系列。笔者这里仅对X86主系统的特点进行简单介绍。

X86微处理器（SCM-7020）SCM-7020选择的是AMD Gedode GX1处理器，具有以下的特点。

①X86兼容64位微处理器，支持MMX指令系统，速度高达300 MHz。

②SVGA显示接口支持CRT及TFT。

③在板内最大可达128M。

④16KB L1回写缓存。

⑤支持软驱、IDE硬盘。

⑥两串一并口。

⑦USB1.1接口。

⑧在板10/100BaseT以太网接口。

⑨16位PC/104总线。

⑩PC/104兼容。

可见这款CPU的硬件资源非常丰富，几乎不用扩展就可以满足ERTU的硬件资源要求。同时支持多种嵌入式操作系统，如Wince、Ucos、Linux等。通过对CPU进行分析不难发现，这款微处理器的硬件资源可以满足ERTU硬件系统设计要求， Gedode GX1处理器支持PC/104系统，大部分的外部硬件资源都是通过PC/104来实现。值得系统设计人员在进行硬件系统设计时注意的是选择不同的嵌入式CPU，决定了系统主板的选择、设计，也直接影响到外围系统模块的硬件设计。

3 ERTU完成振动检测的主要硬件结构

ERTU硬件设计时，主要是由ICP传感器模块来实现的。ICP传感器是内装微型IC放大器的压电加速度传感器，它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接和记录、显示和采集设备连接，简化了测试系统，提高了测试精度和可靠性。

此外，为了便于现场的维护、升级，以及操作的方便，增加了显示模块，键盘设置模块。此模块的正常不会影响整个ERTU的工作，但是显示和维护模块可以提高ERTU操作的方便行，系统状况的可见性。

4 ERTU硬件设计的考虑

RS485/232数据采集电能表数据（这里RS485/232可以通过硬件跳线来实现的），然后RS485/232电平转换芯片将采集的数据RS485/232电信号，转换成TTL电平，接着进行光耦隔离。再通过多路串口通讯芯片与主板进行电气连接，同时完成中断请求，并通过系统片选信号选中此通讯通路。

（1）电能量RS485/232数据流，如图2所示。

（2）ICP加速度传感器，如图3所示。

（3）电源模块是整个系统工作的基础，所以硬件电路设计要求电源模块要有高可靠性，一般来说都会采用冗余设计，AC供电，DC后备，两者之间无间隙切换（图4）。

5 结语

文中设计了一种基于机床振动信号采集的ERTU硬件系统，通过在真实环境中验证，系统运行稳定可靠，各项性能指标能够满足技术要求。

参考文献

[1] 王佳宁，宋晓南，樊瑞.基于FPGA的振动信号采集处理系统设计[J].电子设计工程，2014（12）：41-44.

[2] 宗文俊，李旦，孙涛，等，机床振动对高精度金刚石刀具研磨质量的影响[J].航空学报，2005（3）：367-370.

[3] 车霞，钟佩思，鹿洪荣，等，基于LabVIEW的机床振动信号采集与分析系统[J].机床与液压，2013（18）：164-168.

[4] 张龙，曾国英，赵登峰，等，机床振动信号数据采集系统设计[J]，机床与液压，2012（40）：71-73.