一种标准化振动信号采集板卡的制作方法

1.本实用新型涉及工业监控技术领域，具体地说，特别涉及一种标准化振动信号采集板卡。


背景技术：

2.船用泵组、冷水机组、空压机等典型辅助机电设备的振动信号特点是背景噪声大，而设备故障早期时，振动信号能量往往微弱，这类微弱信号不易捕捉。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种标准化振动信号采集板卡。所述技术方案如下：
4.一方面，提供了一种标准化振动信号采集板卡，包括：电路板和导冷板；所述电路板设置于所述导冷板内；所述电路板包括：恒流源模块、信号调理模块、ad转换模块、隔离模块、fpga模块、pci通信模块、时钟模块以及模拟电源模块；
5.所述恒流源模块为振动传感器供电；所述信号调理模块用于增益调节高低通滤波；所述ad转换模块用于模数转换；所述隔离模块用于模数信号隔离；所述fpga模块用于控制振动数据采集、数据处理和数据通信；所述pci通信模块用于将采集数据通过pci总线传出；所述时钟模块用于提供工作时间；所述模拟电源模块用于为模拟电路供电。
6.进一步地，所述信号调理模块包括幅值调节电路和低通滤波电路；所述低通滤波电路的前端连接所述幅值调节电路；所述幅值调节电路根据不同需要将信号放大1、3.16、10、31.6倍；以结合信号的输入范围调节最适合的增益。
7.进一步地，所述信号调理模块在传感器信号输入和模数转换器入口的电路都是采用差分信号的传输方式进行采集。
8.进一步地，所述隔离模块采用高速隔离芯片将所述fpga模块的配置信号传送给所述ad转换模块，同时将所述ad转换模块产生的数字信号传送给所述fpga模块。
9.进一步地，标准化振动信号采集板卡还包括过压保护电路，所述过压保护电路中设置有芯片smcj26。
10.本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
11.本实用新型提供的一种标准化振动信号采集板卡，该标准化振动信号采集板卡进行了高低通硬件滤波、程控增益调节、差分信号采集、模数隔离几个方面的设计；大大提高了微弱信号的提取能力。
附图说明
12.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。
13.图1是本实用新型实施例的标准化振动信号采集板卡功能模块图的示意图。
14.图2是本实用新型实施例的标准化振动信号采集板卡原理框图；
15.图3是本实用新型实施例的标准化振动信号采集板卡各模块功能示意图；
16.图4是本实用新型实施例中恒流源模块电路图；
17.图5是本实用新型实施例中恒流源模块电路图；
18.图6是本实用新型实施例中信号调理模块电路图；
19.图7是本实用新型实施例中ad转换模块电路图；
20.图8是本实用新型实施例中隔离模块电路图；
21.图9是本实用新型实施例中fpga模块电路图；
22.图10是本实用新型实施例中fpga模块电路图；
23.图11是本实用新型实施例中fpga模块电路图；
24.图12是本实用新型实施例中pci通信模块电路图；
25.图13是本实用新型实施例中时钟模块电路图；
26.图14是本实用新型实施例中模拟电源电路图；
27.图15是本实用新型实施例中模拟电源电路图；
28.图16是本实用新型实施例中模拟电源电路图；
29.图17是本实用新型实施例中模拟电源电路图；
30.图18是本实用新型实施例中标准化振动信号采集板卡导冷板外形尺寸图；
31.图19是本实用新型实施例中电源隔离的原理图；
32.图20是本实用新型实施例中过压保护电路图。
具体实施方式
33.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
34.本实用新型提供了一种标准化振动信号采集板卡，参见图1，包括：电路板和导冷板；所述电路板设置于所述导冷板内；所述电路板包括：恒流源模块、信号调理模块、ad转换模块、隔离模块、fpga模块、pci通信模块、时钟模块以及模拟电源模块；标准化振动信号采集板卡主要性能指标见表1：
35.所述恒流源模块为振动传感器供电；所述信号调理模块用于增益调节高低通滤波；所述ad转换模块用于模数转换；所述隔离模块用于模数信号隔离；所述fpga模块用于控制振动数据采集、数据处理和数据通信；所述pci通信模块用于将采集数据通过pci总线传出；所述时钟模块用于提供工作时间；所述模拟电源模块用于为模拟电路供电。
36.标准化振动信号采集板卡主要性能指标见表1：
37.表1标准化振动信号采集板卡主要性能指标
38.配置说明通道12通道采集模式连续采集，间隔采集、单次采集采样精度24位
最高采样率≥256ksps(所有通道可以同时达到)采样率硬件可调6档动态范围≥100db信噪比96db过压保护支持输入阻抗≥1mohm
39.依据功能模块划分，开展板卡主要功能模块原理框图的设计，参见图2；
40.各模块的主要功能如图3所示，恒流源模块为振动传感器供电；信号调理模块增益调节高低通滤波；ad转换模块模数转换；隔离模块模数信号隔离；fpga模块用于控制振动数据采集、数据处理和数据通信；pci通信模块用于将采集数据通过pci总线传出；时钟模块用于提供工作时间；模拟电源模块用于为模拟电路供电。
41.本实施例中，恒流源模块采用低噪声，高可靠性恒流源芯片为基础，实现输出2.7ma恒定电流，为振动传感器提供激励电流。当该通道不需要恒流供电使可以通过软件配置切断恒流供电，则该采集通道便可按照普通电压通道使用。通过该模块可以实现对加速度传感器的供电要求。具体电路图见图4和图5；
42.本实施例中，信号调理电路由幅值调节电路、低通滤波电路组成，具体电路图如图6所示；信号调理模块对模拟信号质量有重要作用，该模块可以通过软件配置选择是否需要高通滤波，如果采用高通滤波器0.7hz以下的频率成分将会衰减。通过软件对板卡配置还可以实现增益的调节，以适应不同电压输入范围的信号处理。通过该模块，板卡可实现采集加速度传感器信号，将信号进行滤波放大的功能。
43.本实施例中，ad转换模块选用低功耗、高精度的24bitadc芯片进行设计，电路原理图如图7所示；ad转换模块采用高精度低噪声的adc芯片进行模数转换，每2片adc芯片互为备份，可以通过软件对adc芯片的采样率进行配置，共用数据线的adc芯片应配置相同的采用率。基于该模块，最终可以通过软件实现通道的12.8ksps、25.6ksps、51.2ksps、64ksps、128ksps、256ksps共计6档采用率。同时依托其他相关硬件的功能，最终可以实现最高采样率256ksps且所有通道可以同时达到。满足文件要求。
44.本实施例中，隔离模块采用高速磁耦进行设计，具体电路图如图8所示，隔离模块采用高速隔离芯片将fpga的配置信号传送给ad转换模块，同时将ad转换模块产生的数字信号传送给fpga模块。
45.本实施例中，fpga模块采用高速大容量的fpga芯片进行设计，电路原理图如图9-11所示，fpga模块的主要功能是根据软件的配置对恒流源模块选择开关、信号调理模块增益调节、ad转换模采样率等信号进行配置；将ad转换模块产生的数字信号进行调整打包并通过pci通信模块发送到pci总线。
46.本实施例中，pci通信模块采用高速plx9054芯片进行设计，电路图如图12所示，pci通信模块从pci总线获取标准化振动信号采集板卡的配置信息，发送给fpga模块，使fpga模块根据配置信息输出相应的控制信号给其他模块，fpga模块处理后的数字信息通过pci通信模块发送到pci总线。
47.本实施例中，时钟模块采用高速低温漂晶振进行设计，电路原理图如图13所示，时钟模块的功能是为fpga模块提供时钟源，单卡模式下使用本地时钟，多卡模式时可以选择
背板上时钟源以保证板卡间采集同步。
48.本实施例中，模拟电源模块采用高精度、低纹波的dcdc模块和ldo进行设计，电路原理图如图14-17所示，模拟电源模块通过隔离dcdc将pci的数字电源转换成为模拟电路部分使用的
±
13vdc电源，实现模拟数字的供电隔离，降低数字部分对模拟电路的干扰。同时也依托该模块实现了过压保护功能。
49.本实施例中，标准化振动信号采集板卡通过pci通信模块与标准化b3箱进行通讯。涉及到pci总线接口(j1、j2)。两个总线接口信号定义见下表2和表3：
50.表2 j1连接器信号定义
[0051][0052][0053]
表3 j2连接器信号定义
[0054][0055][0056]
进一步地，标准化振动信号采集板卡导冷板除了为标准化振动信号采集板卡散热还提供保护和固定作用。导冷外形尺寸板设计如图18所示。
[0057]
本实施例中，为了能够捕捉到这类微弱信号，本标准化振动信号采集板卡进行了高低通硬件滤波、程控增益调节、差分信号采集、模数隔离几个方面的设计；大大提高了微弱信号的提取能力。
[0058]
进一步地，所述信号调理模块包括幅值调节电路和低通滤波电路；所述低通滤波电路的前端连接所述幅值调节电路；所述幅值调节电路根据不同需要将信号放大1、3.16、10、31.6倍；以结合信号的输入范围调节最适合的增益。
[0059]
具体地，为了提高模数转换的信噪比，低通滤波器前端设计有程控增益调节电路，该电路可以根据不同需要将信号放大1、3.16、10、31.6倍；以结合信号的输入范围调节最适合的增益。放大信号后会增大有效信号对采集电路本体噪声的比值；从而提高模数转换的信号质量。
[0060]
进一步地，所述信号调理模块在传感器信号输入和模数转换器入口的电路都是采用差分信号的传输方式进行采集。
[0061]
具体地，采用差动信号采集可以避免共模信号的干扰，本数据采集调理单元在传感器信号输入和模数转换器入口的电路都是采用差分信号的传输方式进行采集，增强信号抗共模干扰的能力，提高信噪比。
[0062]
进一步地，所述隔离模块采用高速隔离芯片将所述fpga模块的配置信号传送给所述ad转换模块，同时将所述ad转换模块产生的数字信号传送给所述fpga模块。
[0063]
具体地，模数隔离可以切断数字信号通过连线对模拟电路的噪声耦合的路径；本数据采集调理单元，不仅对电源和信号都进行了模数隔离，电源隔离的原理图如图19所示。
[0064]
传输信号间的模数隔离采用高速磁藕进行型号传输，即保证隔离要求，又实现了高速通信的现实需求。
[0065]
进一步地，标准化振动信号采集板卡还包括过压保护电路，所述过压保护电路中设置有芯片smcj26。
[0066]
具体地，为了实现过压保护的功能，设计了过压保护电路，并选择了具有过压保护功能的芯片smcj26。具体电路图如图20所示。
[0067]
本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0068]
本实用新型提供的一种标准化振动信号采集板卡，该标准化振动信号采集板卡进行了高低通硬件滤波、程控增益调节、差分信号采集、模数隔离几个方面的设计；大大提高了微弱信号的提取能力。
[0069]
以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。