一种高性能高速运动构件动态特性测试仪的制作方法

本发明涉及噪声检测设备技术领域，尤其是一种高性能高速运动构件动态特性测试仪。

背景技术：

随着生活、生产中人们对噪声的关注越来越多，噪声或异响测试技术在各领域的运用也越来越多，例如：空气噪声测量、结构噪声测量、发动机噪声诊断、查找噪声源及声学干扰源的检测等。振动和噪声测试的核心是数据采集和分析，现在实验采用的振动和噪声数据分析仪，例如Oros的OR3x系列，性能优异，价格昂贵且体积较大，其数据分析基于PC软件，不便于个人携带和现场测数据实时分析。

技术实现要素：

本发明提供了一种高性能高速运动构件动态特性测试仪，用于解决噪声测量设备不能进行现场测试和实时分析的问题,提供一种便携式的测试仪。

为了解决上述问题，本发明提供一种高性能高速运动构件动态特性测试仪，包括动态信号采集模块，所述动态信号采集模块连接有传感器，所述动态信号采集模块还连接有主控制器模块，所述主控制器模块连接有显示模块；所述主控制器模块包括处理器，所述处理器连接有内存、Flash存储器、SD卡存储模块、显示模块、有线/无线网络通信模块和电源模块，所述SD卡存储模块通过SDIO总线与所述处理器相连；所述动态信号采集模块包括信号调理电路、ADC数模转换器和可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器通过I2C总线和I2S总线与所述处理器相连，所述处理器通过所述I2C总线对所述可编程逻辑控制器进行配置，所述可编程逻辑控制器通过所述I2S总线向所述处理器发送数据，所述处理器将数据写入SD卡存储模块的同时通过所述有线/无线网络通信模块将数据发送到便携式移动终端。

本发明提供的高性能高速运动构件动态特性测试仪还具有以下技术特征：

进一步地，所述处理器为SAMA5D27芯片，所述可编程逻辑控制器为XC6SLX4-2CSG225C芯片，所述ADC数模转换器采用ADS1274芯片，所述SAMA5D27芯片连接有一个所述XC6SLX4-2CSG225C芯片，每个所述XC6SLX4-2CSG225C芯片连接有两个所述ADS1274芯片，所述ADS1274芯片内置高阶稳态斩波调节器以降低漂移和内带噪声，所述ADS1274芯片的数据输出帧同步或SPI串行接口以便于连接所述可编程逻辑控制器。

进一步地，所述信号调理电路包括ADG431BRU芯片和AD8512ARM芯片组成，不同幅度的信号进入所述信号调理电路后，可通过控制DG431BRU芯片中四个独立开关的通断使得接入所述AD8512ARM芯片的运放回路的反馈电阻改变以达到增益改变的目的。

进一步地，每个所述ADC数模转换器连接有四个所述信号调理电路。

进一步地，所述Flash存储器为AT25DF321芯片，所述AT25DF321芯片用于存储系统程序和配置参数，所述SD卡存储模块用于存储所述传感器采集的数据。

进一步地，所述有线/无线网络通信模块包括有线通信模块和无线通信模块；所述有线通信模块采用以太网接口，选用KSZ8081RNB芯片作为以太网HPY芯片；所述无线通信模块采用外置USB WIFI模块以便于更换或拆卸。

进一步地，所述电源模块为可充电锂电池，所述可充电锂电池连接有充放电管理系统，所述充放电管理系统采用BQ24250芯片。

进一步地，所述处理器的电源管理芯片采用ACT8945A芯片以满足所述SAMA5D27芯片上电、断电顺序和供电的要求。

该高性能高速运动构件动态特性测试仪的工作流程为：传感器获取振动或噪声信号，这些信号经传感器输出后通过调理电路处理后输出至ADC模数转换器，ADC模数转换器将模拟信号转换为数字量数据；可编程逻辑器件负责模拟信号的增益和衰减设置、控制ADC数据采集过程和数据滤波，并将数据传输至主控制器模块；主控制器模块收集到数据后缓存在内存中，然后数据被处理器写入SD卡存储模块中保存，而同时这些数据通过无线网络发送出去，便携式终端通过无线网获取主控制器模块发送的数据，并对数据进行实时处理和分析，由此实现振动和噪声测试的现场测试和实时分析。

本发明具有如下有益效果：该基于云端的超高性能高速运动构件动态特性测试仪体积小、重量轻，配合无线便携式移动终端能够实现现场测试数据实时分析，适用于空间狭小且需要实时数据处理场合。

附图说明

图1为本发明实施例的高性能高速运动构件动态特性测试仪的结构框图；

图2为本发明实施例的高性能高速运动构件动态特性测试仪的硬件结构图；

图3为本发明实施例中的信号调理电路的结构图；

图4为本发明实施例中的ADC数模转换模块的电路图；

图5为本发明实施例中的Flash存储器的电路图；

图6为本发明实施例中的SD卡存储模块的电路图；

图7为本发明实施例中的有线/无线网络通信模块的电路图；

图8为本发明实施例中的电源模块的电路图；

图9为本发明实施例中的处理器的电源管理模块的电路图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1至图9所示的本发明的高性能高速运动构件动态特性测试仪的实施例中，该高性能高速运动构件动态特性测试仪包括动态信号采集模块10，动态信号采集模块10连接有传感器11，动态信号采集模块10还连接有主控制器模块20，主控制器模块20连接有显示模块25；主控制器模块20包括处理器21，处理器21连接有内存22、Flash存储器23、SD卡存储模块24、显示模块25、有线/无线网络通信模块26和电源模块27，SD卡存储模块24通过SDIO总线与处理器21相连；动态信号采集模块10包括信号调理电路12、ADC数模转换器13和可编程逻辑控制器14，可编程逻辑控制器14通过I2C总线和I2S总线与处理器21相连，处理器21通过所述I2C总线对可编程逻辑控制器14进行配置，可编程逻辑控制器14通过所述I2S总线向处理器21发送数据，处理器21将数据写入SD卡存储模块24的同时通过有线/无线网络通信模块26将数据发送到便携式移动终端30。该基于云端的超高性能高速运动构件动态特性测试仪体积小、重量轻，配合无线便携式移动终端能够实现现场测试数据实时分析，适用于空间狭小且需要实时数据处理场合。其工作流程为：传感器获取振动或噪声信号，这些信号经传感器输出后通过调理电路处理后输出至ADC模数转换器，ADC模数转换器将模拟信号转换为数字量数据；可编程逻辑器件负责模拟信号的增益和衰减设置、控制ADC数据采集过程和数据滤波，并将数据传输至主控制器模块；主控制器模块收集到数据后缓存在内存中，然后数据被处理器写入SD卡存储模块中保存，而同时这些数据通过无线网络发送出去，便携式终端通过无线网获取主控制器模块发送的数据，并对数据进行实时处理和分析，由此实现振动和噪声测试的现场测试和实时分析。

在上述实施例中，高性能高速运动构件动态特性测试仪还具有以下技术特征：处理器21采用SAMA5D27芯片，可编程逻辑控制器14采用XC6SLX4-2CSG225C芯片，ADC数模转换器13采用ADS1274芯片，所述SAMA5D27芯片连接有一个所述XC6SLX4-2CSG225C芯片，每个所述XC6SLX4-2CSG225C芯片连接有两个所述ADS1274芯片，所述ADS1274芯片内置高阶稳态斩波调节器以降低漂移和内带噪声，所述ADS1274芯片的数据输出帧同步或SPI串行接口以便于连接所述可编程逻辑控制器。信号调理电路12包括ADG431BRU芯片和AD8512ARM芯片组成，不同幅度的信号进入信号调理电路12后，可通过控制DG431BRU芯片中四个独立开关的通断使得接入所述AD8512ARM芯片的运放回路的反馈电阻改变以达到增益改变的目的。每个ADC数模转换器13连接有四个信号调理电路12。Flash存储器23采用AT25DF321芯片，所述AT25DF321芯片用于存储系统程序和配置参数，SD卡存储模块24用于存储所述传感器采集的数据。有线/无线网络通信模块26包括有线通信模块和无线通信模块；所述有线通信模块采用以太网接口，选用KSZ8081RNB芯片作为以太网HPY芯片；所述无线通信模块采用外置USB WIFI模块以便于更换或拆卸。电源模块27为可充电锂电池，所述可充电锂电池连接有充放电管理系统，所述充放电管理系统采用BQ24250芯片。处理器21的电源管理芯片采用ACT8945A芯片以满足所述SAMA5D27芯片上电、断电顺序和供电的要求。

在上述实施例中，为了方便管理所有外设模块，采用Atmel公司的ARMCortex-A5系列芯片SAMA5D27作为主控MCU，SAMA5D27嵌入一套全面的外设，包括百兆以太网端口、2x高速USB端口、双CAN、用于图像生成的TFT LCD控制器、SDIO/SD/MMC、UART、SPI、TWI、软件调制解调器、12位ADC和32位定时器，SAMA5D27系列采用289BGA封装，提供多种具有不同外设组合的型款，以便最好地匹配终端系统需求。

该测试仪有8个数据采集通道，可以连接传感器也可以直接输入电压信号，也可以选择单个或多个通道同时采集，单通道最高采样频率为102.4KHz，每个通道输入信号的幅度为-40V～+40V，所有输入信号根据其幅度不同，通过增益可编程的调理电路，最终输入AD模数转换器的信号幅度控制在-10V～+10V。

调理电路由ADG431BRU芯片和AD8512ARM芯片组成，ADG431是一款单芯片CMOS器件，内置四个独立可选的开关，它采用增强型LC2MOS艺设计，具有低功耗、高开关速度和低导通电阻特性，接通时，各开关在两个方向的导电性能相同，输入信号范围可扩展至电源电压范围，ADG431本身具有低电荷注入特性，当切换数字输入时，可实现最小的瞬变。AD8512为双通道精密JFET放大器，具有低失调电压、低输入偏置电流、低输入电压噪声和低输入电流噪声特性。低失调、低噪声和极低输入偏置电流这些特性相结合，使这些放大器特别适合高阻抗传感器放大以及采用分流的精密电流测量应用。直流精度、低噪声和快速建立时间特性相结合，则使该测试仪可以获得优异的精度，低噪声、低失真、高输出电流和出色的速度，可以满足各种音频应用的需求，不同幅度的信号进入调理电路后，可以通过软件控制ADG431开关通断，使接入AD8512运放回路的反馈电阻改变，从而达到增益改变的目的。

通过调理电路后信号进入ADC模数转换模块进行模数转换，数模转换模块的性能好坏将直接决定数据采集系统能否满足数据采集的要求，本设计选用ADS1274芯片，它采用△-Σ转换方式，采样速率可达144kS/s，且内置的高阶稳态斩波调节器实现了非常低的漂移和带内噪声；在提供2.5V的参考电压时，其可在±2.5V的量程内分辨低至0.149μV的微弱电压；在高精度模式下，输入信号带宽为62kHz时，SNR为111dB，总谐波失真(THD)为-108dB。ADS1274芯片可通过设置相应的输入/输出引脚选择工作模式，无需寄存器编程，其数据输出可选帧同步或SPI串行接口，便于连接FPGA或微控制器。测试仪不但要采集数据，还要对数据进行分析管理，如测试参数保存和修改，采集的数据保存等，这些都需要大量的存储能力，考虑到系统稳定性和数据移动的便捷性，该测试仪采用闪速存储器AT25DF321芯片作为系统程序和配置参数的存储介质，而将采集到的数据存放在可拆卸的SD卡内，Flash和SD卡存储器是非挥发的存储器，无需后备电池支持，存储容量大，保存时间长。为方便测试仪与外部进行数据交互，该测试仪配置了有线和无线网络通信模块，有线通信模块采用以太网接口，选用KSZ8081RNB芯片作为以太网PHY芯片，它是一款单电源供电的10M/100M以太网物理层收发器，支持RMII接口。无线通信模块采用外置USB WiFi模块，方便根据实际情况更换或拆卸。

该测试仪采用可充电锂电池作为供电电源，为保证锂电池充放电安全和其电量充分利用，设计了智能的电源管理方案：当USB外接电源时，优先使用USB电源给系统供电；若电流足够时，可以一边给系统供电，一边给电池充电；若电流不够时，可以停掉电池充电，仅给系统供电。为锂电池充放电管理和系统电源路径智能管理选用的是TI的BQ24250芯片，该芯片是高度集成的锂离子电池充电器和系统电源路径管理器件，这些器件主要是针对空间有限且含有高容量电池的便携式应用。充电器有一个由USB端口或AC墙式适配器供电运行(电压高达10.5V)的单一输入以提供多用途解决方案。电源路径管理特性使得BQ24250芯片能够在对电池进行独立充电的同时从一个高效恒定频率DC-DC转换器为系统供电，该充电器一直监视电池电流并在系统负载所需电流高于输入电流限值时减少充电电流。这将实现正常的充电终止并且使得系统能够与残次品或者缺失电池组一起运行。此外，这将在使用完全放电电池或者没有电池时实现瞬时系统启动。当外接电源不能提供系统峰值电流时，此电源路径管理架构允许电池补充系统电流需要。电池充电分为四个阶段：涓流充电、预充电、恒定电流和恒定电压。在所有的充电阶段，一个内部控制环路监视IC结温并且在超过内部温度阀值的情况下减少充电电流。作为主控MCU的处理器的电源管理芯片采用ACT8945A，它是一款低成本、高效率的电源管理方案，能够对锂电池充放电进行管理，它对SAMA5D系列芯片的供电做了优化，具有3路DC-DC输出、4路LDO输出和I2C控制接口，能满足SAMA5D27上电和断电顺序和供电要求。

上述实施例中的测试仪可通过软件对各外设模块进行初始化，接受上位机的命令并进行解析，根据上位机命令对硬件进行各项参数的配置，采集音频数据并进行存储、回放和上传，监视硬件工作状态并将信息送入OLED显示器，此外，还包括GPS定位、I/O开关控制、CAN模块通讯、U盘与SD卡的读写等功能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。