基于LPC1768的声发射数据采集系统设计

王化格

摘要：基于LPC1768和高精度A/D转换器ADS1278设计了一种24位分辨率、16通道同步采集的声发射检测系统。系统主要由Cortex-M3处理器LPC1768、声发射传感器、信号调理与采集、以太网和上位机等部分组成。LPC1768使用SPI接口读取ADS1278的数据，通过以太网模块联入以太网。本系统具有结构简单、成本低、功耗低等特点。

关键词： 声发射；数据采集；以太网；LPC1768；ADS1278

中图分类号：TN64 文献标识码：A 文章编号：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

固体在受压和破坏过程中会产生声发射，提供了固体内部缺陷的有关信息，通过对这些声发射信号的采集，可以对固体内部缺陷状况进行实时监测和分析预测[1]。在声发射数据采集系统开发方面，国内已有多人做了相关工作：姚静毅采用DSP和片上AD采样单元设计了高速声发射信号数据采集系统[2]。熊庆国、贺风云等采用快速A/D转换器、DSP和FPGA技术研制出具有16位精度的单通道数字式声发射检测仪[3]。冯国金等采用DSP和高精密AD采样芯片设计了具有24位分辨率、16通道同步数据采集的声发射数据采集系统，通过以太网芯片W5100与上位机相连[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，设计了一种低成本、高性能的声发射数据采集系统。

1 系统总体结构

系统主要由声发射传感器、信号调理与采集、LPC1768系统、以太网、上位机等组成，总体结构见图1。

声发射传感器用来拾取固体发出的声发射信号，信号调理电路对传感器接收到的模拟信号进行放大、滤波等处理。REF5025电压基准电路为ADC芯片ADS1278提供2.5V的参考电压，PCA9535为I/O口扩展芯片。LPC1768通过I2C总线扩展了2片PCA9535，来完成对2片ADS1278的配置。

LPC1768具有丰富的片上外设。本系统通过同步串行接口SPI与ADS1278数据线相连，接收来自ADS1278的数据。采用片上以太网模块外接以太网物理层收发器DP83848C接入以太网网络，与上位机进行通信。

上位机为PC机，通过以太网将各种相关指令发给作为监测分站的LPC1768，接收来自LPC1768的声发射信号监测数据，进行实时显示，存储和分析。

2硬件电路设计

2.1 LPC1768主板

LPC1768是基于Cortex-M3内核的微控制器，主频最大为100 MHz，有512 Kbyte的 FLASH和64 KByte的SRAM，内部集成了丰富的外设资源。

LPC1768主板主要由最小系统、晶振电路、复位电路、电源电路、JTAG电路和以太网电路。

2.2 LPC1768与ADS1278控制接口电路设计

AD转换芯片ADS1278是通过操作相应的I/O来设定。为了避免占用过多的MCU引脚，采用LPC1768的I2C模块控制两片I/O扩展PCA9535来完成对ADS1278的配置，配置工作包括工作模式、开启通道数、数据传输协议和格式等。

2.3 LPC1768与ADS1278数据采集接口电路设计

ADS1278通过FORMAT[2：0]来选择传输协议和数据格式。本设计采用SPI接口协议。

两片ADS1278级联。ADS1278的时钟基准由LPC1768的定时器提供以方便灵活设置采样率。ADS1278的[DRDY]连接LPC1768的外部中断引脚；LPC1768的P0.7引脚用于产生同步脉冲，连接ADS1278的SYNCn引脚。

2.4 以太网接口电路设计

LPC1768的以太网模块包含一个功能齐全的 10Mbps 或 100Mbps 以太网 MAC。外接以太网物理层收发器DP83848C接入以太网网络。

3下位机软件设计

下位机软件包括三个模块：系统配置，数据采集，以太网通信。

（1）系统配置：系统配置又可分为两个模块，一是对LPC1768自身的初始化；二是对ADS1278的设置。

（2）数据采集工作由SPI控制器来完成，其工作流程如下：ADS1278启动后，前端传感器采集的固体声发射信号经过预处理后送入ADS1278进行数据转换，转换完成后，在中断函数中启动SPI控制器来读取AD转换值。

（3）以太网程序中移植了LwIP。本系统采用RAW API接口函数。以太网上传工作主要由tcp_write（）函数来完成；接收上位机指令的工作主要有tcp_recv（）函数来完成。

软件流程如图2所示。系统上电后，LPC1768首先完成对自身资源的配置，然后等待PC发来的指令。系统收到PC的发送来的指令，首先对指令进行解析，判断是开始采集指令、数据上传指令或者停止采集指令。如果该指令是开始采集指令，LPC1768会按照接收到指令重新给ADS1278进行配置，然后重新启动ADS1278进行采集；如果该指令是上传指令，LPC1768就把ADS1278采集到的数据通过以太网上传至上位机；如果该指令是停止采集指令，LPC1768就关闭相应的外设，从而停止采集工作，随后等待新的指令到来。

4系统测试

4.1以太网通信测试

通过PC机CMD终端下的PING命令可测试以太网通信是否正常。

4.2系统综合测试

综合测试时，将声发射传感器放在桌子上，用小锤敲打桌面。下位机将采集到的多路声发射信号通过以太网传输给PC机。图3为PC机屏幕上显示的多路声发射信号波形图。

5结论

针对声发射信号采集的需要，采用基于Cortex-M3内核的LPC1768处理器和ADS1278设计了一种具有24位分辨率、16通道同步数据采集功能的数据采集系统。充分利用LPC1768的片上资源进行设计，结构较为简单。

参考文献：

[1] 曾毅.声发射信号不同界面传播特性的试验研究[D].广西南宁：广西大学，2010.

[2] 姚静毅.基于 DSP的声发射信号数据采集系统的研究[J].厦门理工学报， 2006（3）：40-43.

[3] 熊庆国，贺风云.数字式声发射检测仪的设计[J]. 工矿自动化， 2004（3）：25-27.

[4] 冯国金，赵洪亮，闫吉领，等.基于DSP的16通道煤岩声发射同步数据采集电路设计[J].电子设计工程，2012，20（8）：59-61，64.