速度采集（精选3篇）
速度采集 篇1
引言
在大型转台测试系统中, 需要对转台的运动参数实时的进行采集和控制。其中加速度的采集尤为重要, 采用二维加速度计采集转臂末端的切向 (X向) 和法向 (Y向) 的加速度是一种很好的方法。由于在大型转台上的电磁环境复杂, 采集到得加速度信号容易受到电磁干扰形成大的噪声从而影响实测参数。在采集的前端我们采用MODEL1221L-200高精度的采集加速度信号, 然后将采集到得加速度模拟电压信号直接传给MSP430单片机, 经过MSP430单片机内部的实时A/D转换和信号处理经串口传递给工控机。这样的串口数字信号传输就大大减少了电磁干扰。本文介绍了二维加速度系统的硬件构成、软件设计、以及通讯命令。经现场测试验证, 该采集系统是有效可靠的。
1 硬件结构
1.1 MODEL1221L—200
本系统采用的加速度传感器是MODEL1221L-200, 是单轴MEMS加速度计, 它采用+5V供电, 量程是±200g, 频率响应范围是0到3500HZ, 0到4.5V单端输出, 输出噪声为200u g/ (root Hz) , MODEL1221L-200输出两路跟随加速度值线性变化的电压输出, 在0g时A O P端和AON端输出两个2.5V电压;+200g时输出AOP端4.5V电压, AON端输出0.5V电压;-200g时AOP端输出0.5V电压AON端输出4.5V电压。
1.2 MSP430F1611
系统选择TI公司的MSP430F1611单片机作为系统的M C U, 该单片机有如下特点:超低功耗, 16位RISC结构, 125ns指令周期, 3通道D M A, 1 2位A/D采样保持, 双12位D/A同步转换, 16位定时器Timer_A和Timer_B, 片内比较器A, 串行口USAURT0和USASRT1接口, 48K+256B FLASH存储器和1 0 KR A M等。
1.3结构分析
本设计采用两路相同的加速度采集系统采集二维加速度值, 在加速度计内部将两个MODEL1221L-200正交放置就可以分别测到X向和Y向的加速度值。首先, M O D E L 1 2 2 1将采集到的加速度信号转换对应的0.5V到4.5V的电压信号, 然后电压信号经过MAX7401进行10KHZ的低通滤波, 再对滤波后的信号经过两个10k电阻进行分压, 分压后的电压经过电压跟随器由M S P 4 3 0单片机进行A/D转换并处理。单片机通过串口接收到PC机的相应指令后, 单片计执行指令对应的动作。
这里我们选择了单片机内部2.5V电压作为A/D模块的参考电压, 但是信号电压是0.5V到4.5V, 这样的话就超出了AD模块的处理范围, 所以在滤波后进行了分压, 经过两个50K的电阻分压将信号电压变化范围变为0.25V到2.25V, 为了防止信号衰减, 在信号分压之后设计一个电压跟随器来用来保持信号。
系统MCU采用MSP430F1611单片机, 单片机内有12位的A/D转换模块, 采用内部2.5V参考电压的情况下可以分辨0.6 m V电压信号。每次片内A/D将采集到的模拟信号转化为对应数字信号后, 然后经过处理后通过串口发送到PC机。单片机串口外接4 8 5电平转换芯片与PC机连接, 是因为大型转台与测试系统的距离比较长, 采用RS485通信协议更加可靠。采样频率我们设置为1 K H Z, 串口通信波特率为115200bps。硬件框图如下:
2 MSP430单片机程序设计
单片机启动之后首先初始化端口, 串口, A/D, 和时钟。此时单片机的A/D模块就开始工作, 等待一次AD采集的完成, 如果本次采集没有完成, 单片机会一直等待。完成一次AD转化之后, 就开始将采集到本次转换的12位数字量拆分成一个高4位和一个低8位, 因为单片机的串口每次只能发送一个8位的数字量。这样的话就可以通过两次串口发送完成一个1 2位AD值的发送。AD值经过拆分之后判断是不是接到串口的开始发送命令。如果接到串口发来的开始发送命令, 那么处理之后的数据发送到PC, 发送完之后进入下一次采集。如果没有接到串口发来的开始采集命令, 那么单片机直接进入下一次A D采集, 并且不对拆分成高4位和低8位两个数坐任何处理, 等待被下次采集到数之后直接覆盖掉。
3 结语
系统采用研华工控机做作为转台工控机和艾默生EV3000变频器来控制变频电机。软件设计基于windows平台的可视化集成开发工具delphi软件, 用于监视和控制控制转台。
图3是转台三种频率变换动作, 逐级递升使转台法向加速度在40g, 60g, 80g情况下转动。通过对实验数据的分析显示, 有效的显示了转台运动状态。实验证明基于MODEL1221的二维加速度采集器, 成功实现了大型转台加速度的实时采集, 有效地反映转台的运动状态。
参考文献
[1] 沈建华, 杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2004.11:111-309.
[2] 刘艳, 李月香.基于加速度计的步态数据无线采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用, 2009. (5) :141-148.
[3] MODEL1221加速度传感器用户手册.
[4] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003.1010-207.
[5] C.S.Chua, 杜尚.用加速度计测量冲击和倾斜[J].电子产品世界, 1997 (9) 57-65.
速度采集 篇2
近几年来, 我国各地都出现了扶梯事故, 造成了很多伤亡, 随着国家标准《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》GB16899-2011的颁布, 也对自动扶梯和自动人行道增加和改进了许多要求, 其中对扶手带的速度的监测已经有了明确的要求。作为电梯生产厂家, 增加一种扶手带速度监测装置已经成为强制性。
1 国家标准对扶手带速度监测装置的要求
根据《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》GB16899-2011中第5.6.1条规定:在正常运行条件下, 扶手带的运行速度相对于梯级、踏板或胶带实际速度允差为0%~+2%。应提供扶手带速度监测装置, 在自动扶梯和自动人行道运行时, 当扶手带速度偏离梯级、踏板或胶带实际速度大于-15%且持续时间大于15 s时, 该装置应使自动扶梯或自动人行道停止运行[1]。这一要求相对于之前GB16899-1997版本是新增加的要求。
2 扶手带速度信号采集系统的构成
2.1 系统整体功能简述
按照需要完成的功能要求, 可将系统分为3个部分。第1部分为“速度采集单元”, 由扶手带测速轮与增量式光电编码器组成, 通过扶手带带动测速轮转动, 并通过传动轴传递给编码器, 使得编码器转动产生相对于扶手带速度的脉冲信号。第2部分为“信号处理单元”, 主要是由上升沿D触发器及PLC组成, 对速度信号进行判断和处理, 计算出扶手带的实时速度, 并与自动扶梯或自动人行道梯级或梯级踏板的额定速度按国家标准要求进行比较分析, 判断是否符合国家标准要求。第3部分为“执行和报警单元”, 主要是负责当扶手带速度超出标准要求时断开相关的安全回路并报警。系统的整体结构如图1所示。
2.2 扶手带测速轮的简单设计
通过对自动扶梯或自动人行道在运行时的实际情况进行分析, 可采用图2所示的测试轮来采集扶手带的运行速度, 将其安装在自动扶梯或自动人行道的桁架上, 使轮子外圈与扶手带紧贴在一起, 扶手带运动时不会与轮子外表面发生滑动。测速轮右侧空心轴随测速轮外圈一起转动, 用于与编码器的组合和固定。
2.3 增量式光电编码器原理
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相;A、B两组脉冲相位差90°, 从而可以方便地判断出旋转方向, 而Z相为每转一个脉冲, 用于基准点定位。特点是当增量式编码器轴旋转时, 有相应的相位输出[2]。其旋转方向的判别和脉冲数量的增减, 需借助后部的判向电路和计数器件来实现。其计数起点可任意设定, 并可实现多圈的无限累加和测量, 编码器正转反转时, A、B相输出信号波形如图3所示。
2.4 D触发器基本原理
维持阻塞型D触发器是一种常用的边沿触发器, 这种触发器的次态主要取决于CP上升沿到达时刻输出信号的状态, 而与此边沿时刻以前或以后的输入状态无关。其逻辑图、波形图如图4所示, 它由六个与非门组成, 其中G1, G2组成基本触发器;G3, G4组成时钟控制电路;G5, G6组成数据输入电路[2]。其逻辑功能为:输出端Q的状态随着出入端D的状态而变化, 但总是比输入端状态的变化晚一步, 即某个时钟脉冲来到之后Q的状态和该脉冲来到之前D的状态一样[3]。
2.5 扶手带速度信号的处理与计算
将编码器从扶手带测速轮上采集的速度脉冲信号A、B经过D触发器信号处理单元进行处理, 如图5所示。编码器顺时钟旋转时, 即A相信号超前B相信号90°, C输出端将会一直保持低电平输出。编码器逆时钟旋转时, 即A相信号滞后B相信号90°, C输出端将会一直保持高电平输出, 这就形成了一个可对自动扶梯或自动人行道的运行方向进行识别的信号源, 对一个固定型号的编码器来说, 其每圈产生的脉冲数固定的, 假设在扶手带运行的一个时间周期T内, 编码器产生的脉冲数为P, 编码器每转一圈产生的脉冲数为C, 则扶手带的实际运动速度可用式 (1) 来进行计算。
其中, v为扶手带运行速度, D为测速轮外圈直径。
当扶手带实际的运行速度计算出之后, 通过与自动扶梯的梯级速度或自动人行道梯级踏板的实际速度进行比较, 这样就可以进行一系列的保护功能的设定。同时, 这种扶手带速度信号采集方式也可以用于自动扶梯或自动人行道停梯时制动距离的计算, 监测制动距离是否超出标准的要求值。
3 结束语
这种扶手带速度信号采集的方法结构比较简单, 也比较容易实现, 且精度比较高, 增量型编码器的抗干扰能力比较强, 可同时应对新国标对扶手带速度监测方面的要求。有了方向的判断电路, 也可以对自动扶梯或自动人行道实施非操纵逆转的保护。
摘要：介绍了一种用增量式光电编码器对自动扶梯扶手带速度信号采集的方法, 通过简单的逻辑处理之后, 可将扶手带信号转换成能够让CPU识别的数字信号。同时这种装置也能与最新的扶梯国家标准接轨, 具有比较容易实现、精度较高及可操作性强等特点, 有效地解决了对扶手带速度信号的采集。
关键词：编码器,自动扶梯,扶手带,速度信号
参考文献
[1]GB16899-2011, 自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范[S].
[2]王俊杰.传感器与检测技术[M].北京:清华大学出版社, 2011.
速度采集 篇3
1 传感器信号采集系统原理简述
压电式传感器的基础是电介质的压电效应, 这些物质表面上会产生电荷, 原因是在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形;反之, 若它们不受力又回到不带电的状态, 这就是所谓的压电效应。它是典型的发电传感器, 又叫有源传感器。石英晶体是最常用的电介质材料, 此外还有钦酸钡、错钦酸铅等多晶体也作为压电材料得到应用, 因为它们具有良好的压电效应。这种传感器的灵敏度与压电材料的压电系数和质量块的质量有关成正比关系。压电系数越大, 传感器的灵敏度越高, 在通常情况下我们主要采用压电陶瓷为敏感元件。压电式加速度传感器包括质量块、压电元件和支座。其中把支座与待测物固定在一起, 它们之间是刚性连接。当待测物有位移时, 支座与待测物以相同的方式运动, 压电元件受到惯性力的作用, 它与质量块的与加速度相反方向, 晶体的两个表面形成了交变电压。当传感器的固有共振频率大大高于振动频率时, 传感器的输出电荷 (也就是电压) 与作用力的关系为正比。我们可通过检测电路检测放大的电信号从而得到物体的加速度。
2 信号采集系统总体设计方案
我们对数据采样过程采集时域信号而计算机只能处理数字信号, 故需要将用调理器和转换器来进行信号的转变。具体转换过程:压电加速度传感器输出的是信号非常小的电荷信号, 这种信号需要经过信号调理电路 (我们选择为电荷放大器) 对其进行放大且滤波处理, 实现电荷信号和电压信号的转换, 并过滤掉干扰信号, 因为计算机只能处理数字信号所以经由A/D转换器转换成数字信号。再经过相关过程 (例如单片机和通讯电路) 送及上位机, 最后由Lab VIEW软件读取、转换和显示信号。
3 信号采集系统详细设计
3.1 信号调理电路
由于压电加速度传感器内阻大、信号弱, 这就要求前置放大滤波电路完成三项内容:一是完成传感器的高阻抗输出和低阻抗输出之间的转换;二是放大传感器的微弱信号;三是过滤噪声信号。由于压电加速度传感器输出信号弱的特点, 本文采用TI公司的TL081运放芯片作为信号调理电路, 这种芯片取代了分离元件, 并具有体积小、功耗小和寄生因素小等优点, 另外抗干扰性也很好。以下为电路的主要组成部分。
(1) 电荷转换部分。这部分实现电荷信号和电压信号的转换, 同时也是整个电荷放大器的最主要的部件。它的组成部分包括运算放大器和反馈网络。本文采用的运算放大器是高阻运算放大器, 它集成了高阻输入级而TI公司的TL081芯片完全能够满足其设计的理论要求, 因为它有1012Q的输入阻抗, 3MHz的带宽, 增益为10的开环以及内部调零电路。设计要求精度保证在0.5%以下, 因此电荷转换部分的反馈电容凡采用精密聚苯乙烯, 因为它有稳定性及绝缘电阻高的优点。其阻值的大小可以根据要求而进行选择, 并选较小的反馈电容以保证电路的增益, 但是也不能太小以免给电路调试和使用产生影响。综合考虑, 压电加速度传感器的反馈电容q极限值为10000PF。
(2) 适调放大部分。这部分通过不同的灵敏度的传感器去测量相同的输出, 并记录相关的图形和数据, 但是前提是被测非电量 (加速度或压力) 是一定的。
(3) 低通滤波部分。压电加速度传感器的幅频的高频段有个共振峰, 这个共振峰值能够引起对输入信号产生失真和干扰的高频噪声。为了弥补传感器的这个缺陷需在放大器中采用低通滤波器, 另外, 在某些振动测试中能够产生对低频测试产生影响的高频频带, 这些高频带有时远远高于实际的需要。因此为了让低频交流分量通过就在系统中采用了低通滤波器以衰减无用的高频分量来满足我们的需要。
(4) 输出放大部分。这部分电路由高通滤波和同相电压放大两部分组成。因为在电荷转换部分, 当R不变时, 在切换增益档时, 电路直流放大倍数的变化与输出零点跳动有很大的关系, 为了去掉直流部分以减少直流漂移影响, 所以通常在低通滤波器后面又加了一个高通滤波器, 一阶RC电路和运算放大器共同组成了本设计的高通滤波器。
3.2 A/D转换电路
在本采集系统采用的是一个有2K字节可编程EPROM的GMS97C2051, 它是由LG半导体公司生产的高性能的微控制器。
它是A/D转换器中广泛使用的器件, 主要应用于仪器仪表、设备等检测与控制装置中。随着科学技术的发展, 转换器不断朝高精度、低功耗、低成本方向推进, 随之也产生了可靠性更高的微机控制系统的电路。计算机数据采集系统中广泛采用了低成本的逐次逼近式A/D转换芯片, 这种芯片具有速度快, 分辨率高等优点。逐次逼近式A/D转换器转换是通过逐次逼近的原理进行工作的, 即把输入电压Vi和一组量化电压进行比较, 量化电压是通过分层得到的, 比较的最终目的是使两者的差别小于某一误差范围因此需要从最大的量化电压开始, 按照由粗到细的顺序逐次进行, 相应的位是1还是0是有比较的结果确定的。这样不断比较, 不断逼近, 直到达到要求即完成了一次转换。
TL公司生产的TLC0831是一种通过使用开关电容逐次逼近技术实现A/D转换过程的8位串行模数转换器。TLC0831有一个配置为标准移位寄存器或微处理器接口的输入通道。串行输入结构具有节省51系列单片机1/0资源, 价格适中, 分辨率较高等优点, 广泛应用于仪器仪表中。TLC0831有三个控制输入端, 分别为CS (片选) 、输入/输出时钟 (CLK) 以及串行数据输出端 (D0) 。为了获得满比例尺转换和最高的转换分辨率使REF端输入等于最大模拟信号输入。一般REF端设为等于VCC。
4 结语
本文主要对压电式传感器信号采集系统进行研究, 并对该系统的设计原理, 设计方案和硬件系统模块进行分析。实践证明, 该信号采集系统能够在实际的应用中发挥作用。
参考文献
[1]孟立凡, 郑宾主.传感器原理及技术[M].国防工业出版社, 2005, 5.
[2]徐科军.传感器与检测技术[M].电子工业出版社, 2004, 4.
[3]徐甲强, 张全法, 等.传感器技术[M].哈尔滨工业大学出版社, 2004, 5.