基于AD7663和单片机及ARM的动应力测量系统(1)

基于AD7663和单片机及ARM的动应力测量系统
章阳
摘要:本文介绍了一种基于高速、高精度AD转换器AD7663和单片机W78E58B-40及ARM设计的动应力测量系统。

在介绍了系统的整体硬件组成的基础之上，描述了系统各模块的构成、模块主要芯片的性能及工作原理，给出了模块及器件之间接口的设计思路和架构，最后介绍了系统软件框架。

该测量系统成本低、精度高、便于使用、具有一定的使用价值。

关键词: AD7663 W78E58B-40 ARM
随着我国铁路的大面积提速，机车车辆的使用寿命受到高度的关注与重视。

机车车辆的使用寿命主要取决于其关键部位的疲劳寿命，动应力是反映结构疲劳特性的关键指标。

机车车辆机械结构的动应力值是机车车辆运行过程中在各种激励作用下的综合体现，单纯用理论计算的方法很难全面模拟，为考核机车车辆车体和转向架构架等关键部件的强度特性，通过动应力试验测试机车车辆运行过程中的动应力值是一个行之有效的方法。

动应力测试需要快速、可靠并方便使用的动应力测量系统，本文介绍的这种基于16位高速模数转换器AD7663和W78E58B-40单片机及ARM的测量系统，正是这样一个可独立工作，也可与计算机联机使用的动应力测试系统。

1 系统总体组成
该仪器系统主要由数据采集模块、数据存储模块、数据分析处理模块、数据传输模块、人机接口组成。

数据采集系统主要由应力测量桥和 A /D 转换器AD7663 组成，测量控制CPU采用W78E58B-40单片机，数据分析处理模块采用ARM9，数据传输部分采用网络线，人机接口由键盘和液晶屏组成。

模拟信号经调理、滤波后送入AD芯片，单片机控制AD通道选择、数据接收与发送，ARM分析处理数据、存储数据，上位机通过网络线跟此系统接口。

系统框图如图1所示。

图1（b）处理模块
1.1数据采集转换模块
数据采集转换模块由调理电路和AD芯片构成。

外围调理电路完成信号的放大和滤波，然后送入A/D转换器AD7663进行AD转换。

1.2 单片机控制模块
单片机作为下位机的控制器件，控制滤波频率的设定、采样频率的设定、采集通道的选择、采样结果的接收与数据的发送。

1.3 以ARM为核心的数据处理模块
ARM是整个系统的核心，它负责控制系统的各个模块，并将采集到的数据进行分析处理和存储以及与上位机的通讯。

1.4 人机接口
人机接口有彩色液晶屏和薄膜式键盘，可以设置各种参数，显示工作状态等。

1.5与上位机接口
系统用网络线与上位机接口，传输可靠、速度快、距离远。

2 系统的硬件设计
系统以AD7663和W78E58B及ARM9为核心组成。

以这三个芯片为主，分别构成了数据转换模块和数据接收传送以及分析处理模块。

针对各模块主要芯片的特点，设计硬件接口使数据转换模块、数据接收模块和数据传输接口模块构成一个整体。

2.1 AD7663
AD7663芯片是美国模拟器件公司生产的16位逐次逼近式高速A/D转换器，低功耗，单电源5V供电，每秒钟能够采样250000次(250kSPS)。

当每秒采样100000次时，AD7663耗电才15μW，所以在电池供电的仪器中，它是理想的选择。

而且，AD7663片内具有采样保持电路，这就免去了我们设计外围采样保持电路的工作，更适合于多路采样。

AD7663还同时具有串行、并行输出接口，可以自由选择输出方式，使用起来更方便灵活。

2.2 W78E58B-40
WINBOND公司生产的W78E58B-40单片机是一种高性价比的8位单片机，完全兼容8052，拥有32K的可编程Flash EPROM用来存储应用程序，有4K的ROM，
512bytes的RAM，以及64K的程序地址空间和64K的数据地址空间，其最高工作频率为40MHz。

每个W78E58B-40负责4个通道的数据采集，然后送入FIFO，让ARM去FIFO读取，这样能满足我们采集速度的要求。

另外，W78E58B-40也可从FIFO中读取ARM发给它的命令，然后执行相应的工作。

2.3 SAMSUNG S3C2410A-20 ARM
ARM因功能丰富而强大，处理速度快，其应用是越来越广泛。

在此，我们采用了以SAMSUNG S3C2410A-20以及LINUX操作系统为核心的控制和数据处理模块，它从各个FIFO中读取AD转换后的数据，进行分析、处理，并将数据和处理结果存入大容量存储器。

数据采集的起始与结束也由ARM通过FIFO发送命令给W78E58B-40。

人机接口的控制也由ARM负责，可接受键盘指令，对各种参数进行设置，并在彩色液晶屏上显示各种状态。

测量系统与上位机的网络通讯也由ARM 控制。

上位机可以通过设置合理的IP，通过网络邻居就可以进行数据读取、配置采集系统等工作，十分方便。

2.4 单片机与AD的接口设计
A/D转换芯片实际上是一种输入设备。

它们输出的数据都要连接到系统的数据总线上。

为了防止数据总线的数据冲突和保持稳定的数据，大多数向系统数据总线发送数据的设备都设置有三态锁存缓冲器。

在我们的系统中，我们选择AD7663的并行16位输出方式，令SER/PAR脚为低，BYTESWAP脚为高，并设置两片缓冲器74HC541，每片8位，AD7663通过74HC541与W78E58B-40相连。

图2 AD7663的并口与单片机相连
2.5FIFO、网络接口
以下是FIFO的原理图和网络接口图。

图3 FIFO
图4 网络接口3 系统软件设计
系统软件设计包括单片机程序,ARM操作系统、数据处理程序及上位机处理软件四部分,下面简要介绍各部分设计内容。

(1) 单片机程序用C51语言编写，包括通道选择、绿波控制、采样控制、数据传输等子程序。

(2) ARM系统软件采用LINUX，负责液晶屏显示控制、键盘控制、GPS信号接收、网络传输等，数据分析处理程序用C语言编写。

(3)上位机处理软件是可在PC机上运行的脱离测量系统的数据分析软件，用VC++编写，可读取测量系统的结果，也可根据需要通过对数据进行全新的分析处理，也可控制测量系统。

4 结语
该动力学测量系统成本较低，功能完整且快速准确，可独立工作也可与计算机联机工作，使用方便，有良好的应用价值。

参考文献
[1] 张友德赵志英涂时亮《单片微型机原理、实验与应用》，上海，复旦大学出版社 2003.6
[2] 张培仁《基于C语言编程 MCS-51单片机原理与应用》，北京，清华大学出版社 2003.1
[3] AD7663 data sheet
[4] 田泽《ARM9嵌入式开发实验与实践》，北京，北京航空航天大学出版社，2006.10。