多通道数据采集处理系统的制作方法

本实用新型涉及一种多通道数据采集处理系统。

背景技术：

在机械故障诊断的振动分析过程中，需要同步采集多通道的AD数据并对各通道数据同时进行大量的数据处理，以得到振动分析所需要的均值、峰峰值、有效值、标准差以及峭度等参数。

常规的振动分析设备，如图1中所示，采用FPGA和ARM软硬件协同方式实现结合的方案，即利用FPGA中的AD数据传输单元，采集各个通道AD输出的原始数据并通过系统总线传输到ARM，在ARM中进行AD数值浮点转换和平方值的计算，这一步骤需要通过N次加法和N次乘法的运算，再利用计算所得的这两个数值，通过有效值处理单元、峭度计算单元、峰峰值计算单元等，各计算单元也需要通过多次加法和乘法的运算，实现各个通道的后续参数数值的计算，由于ARM的系统总线带宽限制，数据传输到ARM会占用大量时间，FPGA与ARM的数据传输时间成为了主要的瓶颈；又因为ARM为顺序结构，这就会导致数据处理计算耗时较长。另一方面，由于FPGA为纯硬件结构，当改变采样频率或者采样周期时变得无能为力，也就意味着面临灵活性的问题。因此，现有技术均不利于振动分析的实时性及性能的提升，并且大量的数据处理算法会使ARM负荷过重，使得整个系统对ARM性能的要求更高。

尤其在某些高端装备中介主轴承出现故障时，会严重影响设备以及人员安全，因此，亟待发展一种可靠、实时的健康管理设备，能够通过振动分析，在远远提前于故障发生时间点就报警，避免重大故障事故的发生。该设备不仅需要对多通道的数据进行高速的同步采集，并且采集到的多通道的数据需要同时进行处理分析，采用现有的振动分析设备，进行如此大量的数据分析处理，既不利于振动分析的实时性及连续性，也不利于系统性能的提升，从而直接影响故障报警的实时性、连续性。

技术实现要素：

本实用新型目的是为了克服了上述缺点，提供了一种简便、高效多通道数据采集处理系统。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：一种多通道数据采集处理系统，其基于ZYNQ框架，包括可编程逻辑单元和处理单元，

所述可编程逻辑单元包括用于连接并采集外部多个通道信号的数值采集子单元、用于将所述数值采集子单元输出的数值转换为所述处理单元所需形式数值的转换处理子单元，所述数值采集子单元的输出端与所述转换处理子单元相连，

所述处理单元包括用于缓存所述可编程逻辑单元输出数值的DDR内存子单元和用于对DDR内存子单元存储的数值进行分析计算的数据分析处理子单元，所述DDR内存子单元的输出端与所述数据分析处理子单元相连。

所述转换处理子单元可包括用于将所述数值采集子单元输出的数值进行浮点转换的浮点转换子单元和用于将所述浮点转换子单元输出的数值进行平方值计算的平方值计算子单元；对应的，所述DDR内存子单元包括用于缓存所述浮点转换子单元输出数值的浮点数值缓存子单元和用于缓存所述平方值计算子单元输出数值的平方值缓存子单元。

所述数据分析处理子单元的一个控制端可连接所述数值采集子单元，并控制所述数值采集子单元的采样频率。

本实用新型利用ZYNQ的硬件架构，将AD数值的采集、数据转换计算都通过ZYNQ的可编程逻辑单元处理，所述可编程逻辑单元PL为处理单元PS分担了很大部分数据处理的功能，极大程度的减轻了处理单元PS的负荷，而且，由于可编程逻辑单元是并行结构，还大大提高了算法处理速度，所以处理过程非常高效，只需要几个时钟周期，与此同时，本实用新型通过所述处理单元PS对数值采集子单元进行控制，可以根据系统实际情况改变六通道AD输出通道的采样频率，大大提高了系统的灵活性，因此有效的提高了整个设备的实时性、灵活性以及整体性能。

附图说明

图1为现有振动分析设备的工作流程图；

图2为本实用新型的原理框图；

图3为本实用新型的工作流程。

具体实施方式

如图2中所示，为本实用新型的一种优选实施方式，基于Xilinx公司的ZYNQ的硬件架构，包括可编程逻辑单元PL和集成了ARM Cortex-A9双核的处理单元PS两部分：

所述可编程逻辑单元包括数值采集子单元、转换处理子单元，其中，所述数值采集子单元用于连接并采集外部6个通道(即AD(channel 0)～AD(channel 5))的AD输出信号，在实际应用中，可以扩展为多个连接传感器的采集通道，所述转换处理子单元包括浮点转换子单元和平方值计算子单元；所述浮点转换子单元用于将所述数值采集子单元输出的数据进行浮点转换，得到真实的电压值，所述平方值计算子单元用于将浮点转换子单元输出的真实电压值进行平方值计算，所述浮点转换子单元和平方值计算子单元输出的信号，供所述处理单元进一步计算处理，并经两个AXI高速总线接口HP0、HP2传输到所述处理单元。

所述处理单元包括DDR内存子单元和数据分析处理子单元，对应的，所述DDR内存子单元包括用于缓存所述浮点转换子单元输出数值的浮点数值缓存子单元和用于缓存所述平方值计算子单元输出数值的平方值缓存子单元，所述数据分析处理子单元用于对DDR内存子单元存储的浮点数据和平方值数据进行分析计算。所述数据分析处理子单元的一个控制端通过一个反馈通道连接所述数值采集子单元，并根据系统实际情况控制和改变六通道AD输出信号的采样频率，大大提高了系统的灵活性。

结合附图3，根据上述结构可知，在ZYNQ的可编程逻辑单元PL中实现了AD数值的采集、浮点转换以及其平方值的计算过程，再通过其内部的高速总线直接上传到所述DDR内存子单元中，所述数据分析处理子单元从所述DDR内存子单元中读取数值并继续进一步的运算处理过程。由于振动分析过程中均值、峰峰值、有效值、标准差以及峭度和后期的其他运算都需要转换后的AD数值，而且有效值、标准差以及峭度都需要转换后AD数值的平方项。当采集频率非常高时，将AD数值的采集、浮点转换及其平方值计算都通过ZYNQ的可编程逻辑单元PL处理，所述可编程单元PL为处理单元PS分担了很大部分数据处理的功能，极大程度的减轻了处理单元PS的负荷，而且，由于可编程逻辑单元是并行结构，还大大提高了算法处理速度，所以处理过程非常高效，只需要几个时钟周期，因此有效的提高了整个设备的实时性及整体性能。

于此同时，所述ZYNQ平台的可编程单元(PL)与处理单元(PS)之间采用最新的AXI HP总线，4通道总带宽可达9600MBps，最大限度的减少了数据传输的时间。ZYNQ平台的处理单元(PS)部分为ARMv7架构的Cortex-A9双核，ARMv7架构提供NEON引擎，对后期算法实现和优化提速也提供了有利保证。而且使用处理单元(PS)对数据采集进行控制非常灵活。当改变采样频率、采样时长、数据处理等都非常简单。经过实际运算对比，200Kbps采样率情况下峭度运算速度比传统方式提升至少2倍。

另一个方面，通过将有效值和标准差的计算过程进行拆分，我们发现两个参数的计算过程均用到了AD数值的平方值一项，于是在可编程逻辑PL中实现了AD数据的浮点转换及其平方值的计算过程，由于可编程逻辑PL为并行结构，且原始数值与其平方值分别由内部高速总线HP0、HP2上传至所述DDR内存子单元中，所述处理单元PS在读取原始数值的同时就可以将平方值读取出来，即平方值的计算传输并不占用所述处理单元PS的运算时间，故此方案不仅为所述处理单元PS分担了浮点转换及平方值计算的功能，还为所述处理单元PS节省了共计2N次加法和3N次乘法的运算时间，运算速度提升了至少两倍，大大缩短了有效值及峭度的计算耗时，有效的提升了整个系统的实时性性能。

以上对本实用新型所提供的多通道数据采集处理系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。