摘 要：在簡(jiǎn)要介紹了嵌入式PC/104總線標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，討論了基于該總線構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其在機(jī)械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。本文對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、軟硬件設(shè)計(jì)、功能特點(diǎn)等方面進(jìn)行了敘述和討論。 關(guān)鍵詞：PC/104; 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè) 0. 引言 　　自90年代以來(lái)，PC總線成為最為普及的總線標(biāo)準(zhǔn)之一，其應(yīng)用已從臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)擴(kuò)展到工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域。采用PC總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)雖然可以獲得大量的軟件支持，但存在體積龐大、功耗高等缺點(diǎn)。為解決這一矛盾，1987年有關(guān)廠家推出了PC/104總線模塊。隨著基于PC/104總線系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，PC/104總線逐漸成為嵌入式PC機(jī)的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)，其秉承了IBM-PC開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，與IBM-PC機(jī)完全兼容，具備體積?。?6＊90mm棧接式結(jié)構(gòu)）、低成本、高可靠性、長(zhǎng)壽命、工作范圍寬、編程調(diào)試方便、外圍模塊齊全等優(yōu)點(diǎn)，所以在測(cè)試領(lǐng)域基于PC/104的智能儀器得到了廣泛應(yīng)用, PC/104系列產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、車輛導(dǎo)航、工程控制等各種領(lǐng)域。本文重點(diǎn)介紹了基于PC/104總線構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及在機(jī)械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。 1. PC/104在機(jī)械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用 　　隨著現(xiàn)代機(jī)械加工設(shè)備的日趨高速、高能、大型化、自動(dòng)化、連續(xù)化和集成化，設(shè)備一旦發(fā)生故障且未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除，會(huì)帶來(lái)不可估量的損失。機(jī)械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)有相當(dāng)大的實(shí)用價(jià)值，可為設(shè)備預(yù)知維修提供基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)，為故障的診斷和預(yù)防提供簡(jiǎn)便、快捷的手段，對(duì)設(shè)備的科學(xué)管理和減少維修費(fèi)用，提高設(shè)備的可靠性和維修性具有極大的意義。基于PC/104總線及系列模塊構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作為機(jī)械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器，具有便攜式特性，可作為設(shè)備巡檢儀器，主要完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信息的獲取，對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常，自動(dòng)報(bào)警。 2. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成 　　數(shù)據(jù)采集是機(jī)械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必不可少的一部分，它是聯(lián)接最前端的傳感器和數(shù)據(jù)處理到顯示打印輸出等的重要部分。本文介紹的是基于PC/104嵌入式模塊構(gòu)建的便攜式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它內(nèi)有通用CPU、數(shù)據(jù)采集模塊、內(nèi)存和高速硬盤,預(yù)裝完整的Windows操作系統(tǒng)，不僅如此，內(nèi)置的100M以太網(wǎng)卡可將數(shù)據(jù)通過(guò)Internet傳送到世界上的任何地方,實(shí)際上它不僅能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,而且實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的功能,包括聯(lián)網(wǎng)、打印等,可以把它簡(jiǎn)單地看成一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 　　本文所涉及的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用PCM-3370模塊、PCM-3718HG采集卡構(gòu)建了多通道的信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集、處理和實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊供電。其中PCM-3370模塊作為主機(jī)，PCM-3718HG模塊集成采集卡完成信號(hào)的采樣，且采樣頻率可在小于100kHZ的范圍內(nèi)任意設(shè)定;顯示器可用標(biāo)準(zhǔn)CRT顯示器，也可用平板顯示器;鍵盤采用PC/104專用鍵盤。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示 [align=center] 圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖[/align] 3. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件組成與設(shè)計(jì) 　　由于該系統(tǒng)采用微機(jī)控制，軟件設(shè)計(jì)是必須的。系統(tǒng)硬件也只有在軟件控制下運(yùn)行。 　　使用的操作系統(tǒng)是WindowsXP，因?yàn)閃indows是多任務(wù)操作系統(tǒng)，功能十分強(qiáng)大，用Windows操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的儀器具有優(yōu)良的界面，而且很多生產(chǎn)廠商都為PC/104的外圍模塊提供了與Windows系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，越來(lái)越多的基于PC/104的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用Windows系統(tǒng)作為平臺(tái)。而LabVIEW是美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的一種非常優(yōu)秀的圖形化編程語(yǔ)言，它具有美觀的用戶交互界面、良好的實(shí)時(shí)性和強(qiáng)大的信號(hào)分析處理功能以及靈活的可擴(kuò)充性,因此選用LabVIEW軟件作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)平臺(tái)，為高效地搭建信號(hào)采集及分析系統(tǒng)提供了徹底的解決方案。 　　便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想是采用模塊化式的設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序主要包括幾大模塊:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理模塊（如圖2所示）。 [align=center] 圖2程序框圖[/align] 　　采集程序的信號(hào)由傳感器拾取，經(jīng)電荷放大器后，通過(guò)PCM-3718HG數(shù)據(jù)采集卡，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。將得到的原始數(shù)據(jù)在時(shí)域顯示，然后存儲(chǔ)或者通過(guò)DataSocket直接傳給數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊。采集程序及信號(hào)處理程序以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。采集程序及處理程序如圖3、圖4所示： [align=center] 圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前面板[/align] 　　程序?qū)崿F(xiàn)功能： 　?。?） 參數(shù)設(shè)置功能：系統(tǒng)具有強(qiáng)大的設(shè)置功能，可以對(duì)采集的通道數(shù)、采樣頻率、增益、緩沖區(qū)大小、報(bào)警上下限等進(jìn)行設(shè)置。 　?。?） 采集控制功能：可手動(dòng)控制程序采集，同時(shí)可通過(guò)程序進(jìn)行連續(xù)采集和定時(shí)采集。 　?。?） 波形顯示功能：能實(shí)時(shí)顯示單通道或多通道趨勢(shì)圖，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 　?。?） 數(shù)據(jù)分析功能：由于采集到的信號(hào)蘊(yùn)含了設(shè)備狀態(tài)變化和故障特征的豐富信息，信號(hào)處理是提取特征信息的主要手段，通過(guò)信號(hào)處理可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域和頻域的互換，并且通過(guò)聯(lián)合時(shí)頻分析，可以揭示出信號(hào)中的某些實(shí)質(zhì)性的問(wèn)題，因此本系統(tǒng)采用時(shí)域、頻域及聯(lián)合時(shí)頻等分析方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，以提取有用的特征量。 　　（5） 報(bào)警功能：可任意設(shè)置各通道上下限的閾值，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過(guò)限制可自動(dòng)報(bào)警，以提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常，及時(shí)采取措施。 　?。?） 故障預(yù)測(cè)：系統(tǒng)可根據(jù)對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理提取反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征量，根據(jù)特征量來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)備以后的運(yùn)行狀態(tài)的變化趨勢(shì)。 　?。?） 故障診斷：當(dāng)發(fā)生報(bào)警后，系統(tǒng)對(duì)發(fā)生故障的通道進(jìn)行診斷，給出可能發(fā)生故障的類型。 　?。?） 自動(dòng)存儲(chǔ)打印功能：將采集到的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的正常數(shù)據(jù)及報(bào)警時(shí)的異常數(shù)據(jù)，以當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間為文件名存儲(chǔ)為二進(jìn)制文件，也可以以表格形式存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，可生成報(bào)表打印。便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，分析及處理。為加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)資料。 　?。?） 數(shù)據(jù)通信功能：可利用網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)DataSocket進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，用戶可以不在現(xiàn)場(chǎng)就可以監(jiān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)在遠(yuǎn)程端可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 [align=center] 圖4 數(shù)據(jù)處理程序前面板[/align] 4. 結(jié)束語(yǔ) 　　作者的創(chuàng)新點(diǎn)：該系統(tǒng)是運(yùn)用當(dāng)今主要工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)-嵌入式PC/104總線結(jié)構(gòu)及其擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于PC/104模塊具有獨(dú)特的堆疊式總線擴(kuò)展方式、體積小、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，因此該采集系統(tǒng)具有便攜性，克服了傳統(tǒng)PC機(jī)的缺點(diǎn)。其次采集系統(tǒng)以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其人機(jī)界面友好，功能強(qiáng)大;開(kāi)發(fā)效率高、可維護(hù)性強(qiáng);測(cè)試精度、穩(wěn)定性和可靠性能得到充分保證;具有很高的性能價(jià)格比，節(jié)省投資。適合測(cè)控領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)編程。 　　該系統(tǒng)已經(jīng)在磨床加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試，對(duì)多路數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸，對(duì)采集控制、采集速度、異常處理報(bào)警等都進(jìn)行了測(cè)試?？蔀榧庸ぴO(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)，保證加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。 參考文獻(xiàn) 　　1. 楊樂(lè)平，李海濤，趙勇等編著.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì).清華大學(xué)出版社，2003 　　2. 徐忻，陳明等 基于PC/104 總線標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式數(shù)字遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì).工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置. 2000,3:27-29 　　3. 虞和濟(jì)，韓慶大等編著. 設(shè)備故障診斷工程，2001 　　4. 周愛(ài)軍. 基于聲卡的 LabVIEW數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì). 2005（21,9-1）108-110