CN101046685A - 一种采用usb接口的便携式振动控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用USB接口的便携式振动控制器。它包括：双通道数据采集模块、信号处理模块、数据存储模块、信号输出模块、逻辑控制模块、USB通信模块。本发明采用了两片浮点DSP和24位ADC/DAC的高性能硬件架构进行振动信号的处理，减少了闭环控制时间，增强了***实时性。本发明结构简单，动态范围大，精确度高，同时采用USB接口实现与PC通信，即插即用，移动和携带十分方便。

Description

一种采用USB接口的便携式振动控制器
技术领域
本发明涉及一种振动试验的控制器，具体的说，涉及的是一种采用通用串行总线USB(Universal Serial Bus)接口的便携式振动控制器。
背景技术
随着现代工业的发展，尤其是国防工业的发展，对设备的可靠性要求越来越高，在这种背景下，以振动试验为核心的可靠性试验获得了广泛地应用。振动试验是在振动台上模拟产品实际工作状态下的振动环境，其中控制器的作用就是使振动台产生所规定的振动。因此，可以通过振动试验及早发现产品的结构、材料及制造工艺上的缺陷，暴露产品的早期故障，为产品的完善提供依据。一般现有的振动控制***都采用主从式结构，振动控制器与PC进行连接，控制器主要完成控制任务，PC完成参数设置、波形显示、数据分析，另外也参与部分数字信号处理任务等等。目前使用的控制器不够灵活轻便，控制器大都采用基于PCI总线的插卡方式与PC进行通信，控制器被包含在PC机箱内。由于PC机箱空间有限，因此限制了***规模的扩展，同时机箱内噪声较大，对控制板的干扰影响显著。另外与PC紧密结合，需要依赖PC的性能，使用和维修不够灵活便利。同时目前使用的控制器中采用早期的处理器芯片，限制了***性能的提高。中国专利87107034.0“数字随机振动控制***(或方法)及其设备”和87107035.9“数字随机振动控制均衡方法及其控制***和设备”提出了随机振动控制的方法和设备。使用的模数和数模转换器精度是12位的，使用的处理器是低端的DSP芯片，另外微机参与了绝大部分信号处理的任务，在此硬件架构下，***性能不够理想，速度慢，精度低，动态范围小，性能难以提高，使用和维修都不方便。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于通用串行总线(USB)的振动控制器，控制器完全独立于PC，由控制器独立完成闭环控制的任务，PC不参与数字信号处理的任务，对PC要求较低，能达到很高的性能，同时控制器可以即插即用，可以以一个USB外设接入任何一台PC，使用灵活方便。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种采用USB接口的便携式振动控制器，包括一个数据采集模块、一个信号处理模块、一个数据存储模块、一个信号输出模块和一个逻辑控制模块，其特征在于所述的逻辑控制模块分别与所述的数据采集模块、信号输出模块、数据存储模块和信号处理模块相连接；所述信号处理模块采用2片浮点DSP芯片，并连接一个USB通信模块；所述的数据采集模块采用双通道数据采集模块。
上述的双通道数据采集模块由2个可编程增益放大器、2个抗混叠滤波电路和2片24位模数转换器(ADC)ADS1271组成，作为ADC的驱动差分运放OPA1632通过差分信号线和ADS1271相连，ADS1271通过其SPI接口连接到逻辑控制模块。
上述的信号处理模块是由2片TI公司的TMS320C6713B DSP芯片组成，双DSP并行处理，两片DSP通过多通道缓冲接口(McBSP)相连接。
上述的信号输出模块由24位的D/A转换器CS4351、平滑滤波电路和可编程衰减器组成，D/A转换器CS4351通过I2S接口和逻辑控制模块相连，可编程衰减器CS3310通过用三线串行控制接口和D/A转换器CS4351相连。
上述的USB通信模块的核心芯片是EzUSB FX2系列芯片CY7C68013A，通过USB芯片本身具有的GPIF接口与两个DSP的HPI口相连，而EEPROM芯片AT24C64中存放固件程序，通过I2C接口连接到USB芯片。
上述的各组成单元的工作原理如下：
所述的双通道数据采集模块是采集来自加速度传感器的两路振动信号，经过程控放大电路和滤波电路后送入两片24位模数转换器(ADC)进行A/D转换。
所述的信号处理模块是基于双片浮点DSP的硬件电路，一个DSP在前端负责两通道数字信号的预处理和D/A通道信号的输出；另一DSP在后端负责数据的控制运算、与外界USB通信工作，双DSP之间通过DSP所提供的串口进行消息和数据的传输。
所述的数据存储模块用于存放部分执行代码和存放***运行时候的数据。
所述的信号输出模块主要由24位数模转换器(DAC)构成，信号经过滤波和程控衰减后输给功率放大器驱动振动台进行振动。
所述的逻辑控制模块由FPGA组成，完成板极的逻辑粘合，同时完成数据采集和数据输出的控制和缓冲。
所述的USB通信模块由USB控制芯片和EEPROM芯片构成，USB接口电路负责DSP硬件板与上位PC之间的数据通讯。
所述的PC是普通的个人计算机，PC用于向控制板下载执行代码，同时对控制器上传的数据进行分析、显示和存储。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著效果：振动控制器采用USB接口实现与PC通讯，即插即用，移动和携带十分方便；控制器独立于PC，可以使***的稳定性提高；采用了高性能硬件结构实现了控制器，其中采用24位ADC和DAC实现模拟和数字信号之间的相互转换，极大的提高了***的精度和动态范围，同时***的扩展升级很方便；采用两片浮点DSP进行并行运算和处理，减少了闭环控制时间，增强了***实时性。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图；
图2是双通道数据采集模块连接图；
图3是DSP和USB芯片的连接图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例如下述：采用USB接口的便携式振动控制器，如图1所示，包括一个数据采集模块1、一个信号处理模块3、一个数据存储模块2、一个信号输出模块6、一个逻辑控制模块5、一个USB通信模块4。
参见图2，上述的数据采集模块1核心包括2个可编程增益放大器11、2个抗混叠滤波电路12和2个TI(德州仪器)公司A/D转换器ADS1271(13)。在该模块1中，采集两路振动信号，经过电荷放大器后送入可编程增益放大器PGA103U(11)中，PGA103U可以对信号进行1，10，100倍的放大，MAX293模拟滤波器(12)作为低通滤波器滤除高频信号，可以通过调节外接电容的大小来改变滤波器的截止频率适应不同的要求。OPA1632作为ADC的驱动运放，把信号转换为差分信号，满足ADS1271(13)全差分信号输入的要求，增强抗干扰能力。ADS1271(13)完成模数转换作用，24位的分辨率使***有很高的精度和动态范围。
参见图1，上述的信号处理模块3包括两个TI公司TMS320C6713B浮点数字信号处理器(DSP)，主频为225M，两片DSP并行运算处理，独立完成闭坏控制任务。其中一片完成数据采集、初步处理、数据输出，另一片完成核心的控制功能，同时把实时处理得到的数据通过USB传递给PC进行显示、分析和存储等。两片DSP通过各自的多通道缓冲串口(McBSP)进行数据的相互传递。
上述的数据存储模块2由4片ISSI公司的SRAM(静态存储器)IS61LV51216构成，单片容量是512K×16bit(即8M bit)，每个DSP外接两片SRAM，满足运行程序与存储数据的需要。DSP的EMIF(外部存储器扩展接口)可以和SRAM进行无缝连接，两片SRAM接在每个DSP的CE0空间。
上述的信号输出模块6核心包括Cirrus Logic公司24位D/A转换器CS4351(61)、平滑滤波电路62和可编程衰减器63。经过DSP处理过的数据存在SRAM中，在FPGA(现场可编程门阵列)控制下送入数摸转换器进行D/A转换，以OPA4132运算放大器为核心滤波电路对模拟信号平滑滤波，经过Cirrus Logic公司的可编程衰减器CS3310(63)后，信号被送入功率放大器驱动振动台的振动。
上述的逻辑控制模块5由Altera公司Cyclone系列FPGAEP1C6构成，FPGA辅助DSP进行I/O的扩展、完成时钟的分频、采样和激励数据的缓冲以及板极的粘合等逻辑功能。
USB通信模块4的核心芯片是Cypress公司的EzUSB FX2系列芯片CY7C68013A，该系列芯片已经将协议硬件化，简化了USB接口的开发。如图3所示，通过USB芯片本身具有的GPIF接口与两个DSP的HPI(Host Port Interface)口相连，在不干扰DSP的情况下，可进行大批量实时数据的传输。在EEPROM芯片AT24C64中存放USB固件程序，其容量为64Kbit，上电后通过I2C总线固件会自动地从外部EEPROM存储器中的下载到FX2的内置RAM中，在FX2复位后便开始执行这一程序代码。
本发明工作时，可以进行正弦振动、随机振动、冲击振动试验。首先在PC上安装控制器的上位机软件和驱动程序，把控制器和PC通过USB线连起来后启动电源。在PC上打开试验软件，根据要求可以选择正弦、随机或者冲击试验，然后进入试验界面。***界面分为命令控制面板，参数显示面板、设定波形显示部分及实时信号显示部分。根据试验要求，按照标准设定好参数后，把执行程序下载到控制器中，接着在控制面板中进行检测、开始、停止等操作。在开始试验时，振动加速度传感器获取振动信号，经过电荷放大器后送入数据采集模块进行处理，信号经过放大、滤波和差分后转化成数字信号，进入信号处理模块进行DSP算法的运行，处理完毕后送入信号输出模块进行数模转换，滤波和衰减后送入功率放大器，功放驱动振动台的振动，同时控制器把实时处理的数据通过USB通信模块上传到PC进行显示和分析，这样就完成一次闭环控制。依次循环，控制器对振动波形不停地修正，最终在容差范围内，振动台面上的振动波形逼近参考值。试验完毕后就可以查看和存储试验报告。

Claims (5)

1、一种采用USB接口的便携式振动控制器，包括一个数据采集模块(1)、一个信号处理模块(3)、一个数据存储模块(2)、一个信号输出模块(6)和一个逻辑控制模块(5)，其特征在于所述的逻辑控制模块(5)分别与所述的数据采集模块(1)、信号输出模块(6)、数据存储模块(2)和信号处理模块(3)相连接；所述信号处理模块(3)采用2片浮点DSP芯片，并连接一个USB通信模块(4)；所述的数据采集模块(1)采用双通道数据采集模块。
2、根据权利要求1所述的采用USB接口的便携式振动控制器，其特征在于所述的数据采集模块(1)由2个可编程增益放大器(11)、2个抗混叠滤波电路(12)和2片24位模数转换器(ADC)ADS1271(13)组成，作为ADC(13)的驱动差分运放OPA1632通过差分信号线和ADS1271相连，ADS1271通过其SPI接口连接到逻辑控制模块(5)。
3、根据权利要求1所述的采用USB接口的便携式振动控制器，其特征在于所述的信号处理模块(3)是由2片TI公司的TMS320C6713B DSP芯片组成，双DSP并行处理，两片DSP通过多通道缓冲接口(McBSP)相连接。
4、根据权利要求1所述的采用USB接口的便携式振动控制器，其特征在于所述的信号输出模块(6)由24位的D/A转换器CS4351(61)、平滑滤波电路(62)和可编程衰减器(63)组成，D/A转换器CS4351(61)通过I2S接口和逻辑控制模块(5)相连，可编程衰减器CS3310(63)通过用三线串行控制接口和D/A转换器CS4351(61)相连。
5、根据权利要求1所述的采用USB接口的便携式振动控制器，其特征在于所述的USB通信模块(4)的核心芯片是EzUSB FX2系列芯片CY7C68013A，通过USB芯片本身具有的GPIF接口与两个DSP的HPI口相连，而EEPROM芯片AT24C64中存放固件程序，通过I2C接口连接到USB芯片。
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