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2 系统的硬件设计
钻柱振动信号采集系统按照功能分为数据采集模块、单片机微控制器模块、扩展Flash存储器模块、无线通信模块和保护模块。
2．1 数据采集模块
系统选用三轴型压电式加速度传感器作为测振元件，此传感器具有灵敏度高，体积小，重量轻，使用寿命长，动态范围大，频率范围宽，坚固耐用，受外界干扰小等特点。
本系统的压电式传感器主要参数选择：三轴；量程范围±10 g；灵敏度500 mv／g；频率范围0～2 000 Hz；温度范围-40～125℃。
2．2 微控制器
本系统采用C8051F005作为主控芯片，它是Silicon Lab公司的12位单片机，具有64管脚TQFP封装，SPI串行接口，12位8通道的AD，供电电压为5 V。其中12位的AD满足对所采集振动信号的精度要求。若所处环境要求苛刻，可适当提高芯片品级；若需提高现场芯片的数字运算能力，也可采用DSP替代。
2．3 数据存储模块
要完成振动信号的实时采集和存储，要求系统具备足够的存储空间并且具有较高的存储速率，需扩展外部高速存储器。本系统采用三星公司的NAND结构的Flash存储芯片——K9F1G08UOM。此芯片的各端口与C8051F005的端口连接，通过C8051F005控制端口的输入输出，即可方便实现对Flash存储器的读取与写入操作。
2．4 无线通信模块
无线技术的应用省去了现场布线的麻烦，为系统的安装提供了更多的选择。由于系统长期处于户外作业，对信号保真度的要求较高。此外为了更好地对钻井作业进行实时监控，对异常情况及时作出调整，需要有较高的信号传输速率。综合考虑，本系统采用Nordi公司的nRF905射频收发模块实现无线数据收发，并提供RS-232接口，实现与PC机的实时直连通信。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，具有低功耗的Shock Burst工作模式，可自动完成前导码的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。
2. 5 保护模块
由于本系统应用于钻井平台，不会经常性地更换或维护，要求系统有自我检测和恢复的能力。因此，本系统引入了看门狗电路和时钟电路，通过软硬件的结合，实现系统自我检测、现场自我恢复等保护功能。
2．5．1 看门狗电路
本系统选用的X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM 3种功能于一身的可编程芯片。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。芯片中的看门狗对系统提供了保护功能，当系统发生程序故障时，自动通过RESET信号向微控制器发出复位请求。
2．5．2 时钟电路
软件实现时钟需要编写的程序复杂，代码多，且单片机软件开销大，时间信息也不易长期保存。为避免以上问题，本系统采用美国Dall as公司的DS1305实时时钟芯片非易失性地保存时间信息。它有20脚的TSSOP、16脚的DIP两种封装方式，工作电压范围从2．0～5．5V。DS1305采用BCD码表示实时时钟的秒、分、小时、星期、日、月和年的时间信息，并且自动对小月和闰年的日期进行调整，兼有带AM／PM指示12小时和24小时两种时间指示格式。
系统硬件功能结构图如图2所示。

3 系统的软件设计
系统软件部分完成单片机系统初始化、数据采集、AD转换、FLASH读写、与上位机通信等功能。软件采用C语言编程以增加可读性和可移植性。
通过压电式加速度传感器的转换，将振动信号转化成电压信号。利用C8051F005内部自带的12位AD将模拟电压量转换成为数字量保存至微处理器存储单元。程序实现对3路通道的电压信号循环采集，将采集到的振动特征数据写入到外部Flash存储器中暂存。
无线通信部分，在nRF905正常工作前，必须根据需要写好配置寄存器。发送数据时，先通过微控制器把nRF905置于待机模式，通过SPI总线把发送地址和待发送的数据都写入相应的寄存器中，之后把nRF905置于发送模式，配置成功后数据就会自动发送出去。若射频配置寄存器中的自动重发位设为有效，数据包就会被重复发出，直到微控制器退出发送模式为止。接收数据时，微控制器先在nRF905的待机状态中写好射频配置寄存器中的接收地址，然后将nRF905置于接收模式，nRF905就会自动接收空中的载波。当收到有效数据时，微控制器在检测到这个信号后，可以将nRF905置为待机模式，然后通过SPI总线从接收数据寄存器中读出有效数据。

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关键词： 振动信号 采集系统