基于ARM 的液压系统智能数据采集终端硬件设计

　　液压系统具有功率大、响应快及精度高等特点，已经广泛应用于冶金和制造领域。但其故障又具有隐蔽性、多样性、不确定性及因果关系复杂等特点，故障出现后不易查找原因，而且故障发生会带来巨大的经济损失。通常，液压系统只能靠定期检查和维护来排除故障，这种方法有一定的滞后性。因此需要实时监测液压系统的状态数据并及时分析以减少故障率，确保工程机械正常、连续运行。传统单片机已广泛应用于数据采集和处理中，虽然其价格便宜、易于开发，但是在存储空间和网络传输方面往往难以满足工程上的要求。因此，笔者针对液压系统采用了基于ARM 的数据智能采集终端。

　　采集终端通过分布在液压系统各处的传感器对油压、流量和温度3 类信号进行采集，并将采集到的信号进行滤波、放大，然后模数转换，数据经过分析后进行统一的编排与压缩，最后通过通信模块进行传输，将数据传输到本地监控中心做进一步故障诊断。

　　1 硬件总体结构

　　智能数据采集终端系统采用三星的ARMS3C2440 为主控芯片、GTM900-C GPRS 为通信模块。整个硬件系统分为3 部分： 主控模块、数据采集模块和通信模块，具体结构如图1 所示。

　　终端的主控模块包括控制芯片电路、存储电路、电源电路以及串口和JTAG 接口电路； 数据采集模块包括传感器电路、信号调理电路以及8 路A/D转换电路； 通信模块包括GPRS 芯片以及外围电路。其中ARM 与GPRS 之间的通信是通过RS-232 总线完成。

　　2 主控模块设计

　　2. 1 ARM 芯片介绍与工作状态设置

　　终端系统主要采用以ARM920T 为核心的三星S3C2440 芯片。该芯片虽然功耗低、体积小，但是集成了丰富的片上资源。其特点主要有增强型ARM 架构MMU,支持WinCE、EPOC32 和LINUX;内部先进微控器总线架构； 哈佛高速缓冲体系结构； 10 位8 通道多路复用ADC,可以实现最大转换率为2. 5MHz A/D 转换器时钟下的500kS /s等。主控模块的供电分为3. 3V 系统外围电路供电和1. 25V 核心板供电。3. 3V 系统外围电路供电通过AMS1117-3. 3V 稳压模块完成转换，电路如图2 所示； 1. 25V 核心板供电则采用低压差、低噪声的MAX8860EUA 稳压芯片提供，电路如图3所示。S3C2440 使用12MHz 有源晶振，通过片内PLL 电路倍频后，最高可达到400MHz.片内的PLL 电路兼有频率放大和信号提纯功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，避免了高频噪声的产生。复位电路采用MAX811S 芯片，当系统电源低于系统复位阈值（ 2. 93V） ,芯片将会对系统进行复位。

　　2. 2 串行接口电路

　　RS-232C 标准常用的接口是9 芯D 型，然而最基本的通信只需要RXD、TXD 即可，但是由于RS-232C 标准所定义的高低电平信号与S3C2440系统的定义不同，所以两者之间的通信需要电平转换，在单片机中常用的是5V 的MAX232,而这里使用3. 3V 的MAX3232,典型的应用电路如图4所示。

2. 3 NOR FLASH 接口电路

　　终端系统中NOR FLASH 使用的存储芯片是HY29LV160,存储容量为2MB,工作电压为2. 7 ~3. 6V,工作方式选用16 位数据宽度模式。需要注意的是管脚NC 接高电平时，即为16 位数据位，当NC 为低电平时即为8 位数据位。选择16位数据宽度时，即为半字模式，此时16 位数据总线D0 ~ 15 分别接S3C2440 的数据总线DATA0 ~15,地址总线则是A0 ~ 19 分别与S3C2440 的ADDR0~ 19 连接，半字模式下的寻址范围为1MB,对于32 位的S3C2440 寻址范围则为1 × 2 = 2MB.

　　2. 4 SDRAM 接口电路

　　SDRAM 选用的是K4S561632,其存储容量为32MB,工作电压为3. 3V,其数据宽度为16 位。

　　根据系统要求，需要有相对较复杂的算法运行，所以选用两片组成存储系统，存储空间为64MB.

　　具体连接方法是第一片的D0 ~ 15 接DATA0 ~15,第二片的D0 ~ 15 接DATA16 ~ 31,这样将16位扩展成为了与S3C2440 对应的32 位数据总线。

　　对于地址线来说，SDRAM 采用的是存储阵列，即每片分为4 个逻辑Bank,每个Bank 由13 个行地址线和9 个列地址线共同寻址，能访问的空间为4 × 213 × 29 × 2 = 225MB.地址线的接法是分别将两片的A0 ~ 12 与ADDR2 ~ 14 相连，通过RAS 和CAS 选择行列信号，通过BA0、BA1 选择Bank,最终通过CS 通用片选实现64MB 的寻址。

　　3 数据采集模块设计

　　液压系统的组成主要包括液压泵、液压油缸或液压马达、各类控制阀和辅助装置。根据故障类型的归纳和总结，监控对象和监控点包括液压泵的油压和流量，油温，以及各类控制阀处的油压和流量。选择监测的参数主要包括：

a. 油压测量。考虑到传感器的精度，工作电压与系统电压的匹配，供电电流以及能适用较恶劣的介质环境等，选用MSP340 系列不锈钢