基于FPGA的應力應變信號監(jiān)測系統(tǒng)的研究設(shè)計
摘要:文中介紹了一種基于FPGA的多通道應力應變信號監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案,該系統(tǒng)的研究為一些大型建筑結(jié)構(gòu)由于年代久遠而需要維護、維修提供客觀依據(jù),主要闡述了前端信號采集電路硬件以及FPGA上各個控制模塊的設(shè)計,系統(tǒng)可以通過NiosⅡ軟核修改FPGA中的各項采樣參數(shù),如采樣率、采樣通道數(shù)、起始通道等,來實現(xiàn)對不同對象的應變情況進行實時監(jiān)測,模擬實驗表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,采集精度高,具有很高的實用價值。
關(guān)鍵詞:FPGA;數(shù)據(jù)采集;應力應變;NiosⅡ
應力應變是一個物體受力后機構(gòu)的變化情況,應變就是受力后產(chǎn)生的形變率,通過對應變進行檢測,就可以知道物體的受力情況和形變情況。
1 設(shè)計思路
本文設(shè)計的應力應變檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲功能。整個系統(tǒng)主要由Altera公司的FPGA芯片CycloneII 2C35F672C6,MAX公司的ADC芯片MAX197,DAC 0832以及信號調(diào)理電路等外圍電路組成。系統(tǒng)硬件簡圖如圖1所示。NiosⅡ軟核輸出控制信號,控制FPGA。當NiosⅡ軟核啟動FPGA開始數(shù)據(jù)采集后,F(xiàn)PGA通過MAX197控制模塊輸出通道地址給ADC芯片MAX197,F(xiàn)PCA控制DAC芯片輸出模擬量對這一通道的輸入量進行粗調(diào)零。然后由FPGA控制ADC芯片MAX197進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換得到的12位數(shù)字量輸送給FPGA。在FPGA內(nèi)部將12位數(shù)據(jù)進行細調(diào)零等相應的數(shù)據(jù)處理,然后加上4位標明通道的數(shù)據(jù)送入FIFO中。當FIFO達到半滿時,NiosⅡ軟核將數(shù)據(jù)讀出進行相應的處理,這時候整個數(shù)據(jù)采集的過程完成,如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,將異常數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)發(fā)送單元(DTU)發(fā)送至監(jiān)測中心,系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路連接
A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件,它的技術(shù)指標有采樣通道數(shù)目、輸入范同、輸入方式、采樣率、分辨率、精度、編碼寬度等,其中采樣率、分辨率、精度是A/D轉(zhuǎn)換器的3個重要指標,直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度。
3.1 采樣率的選擇
采樣率是指在單位時間內(nèi)采集系統(tǒng)對模擬信號的采集次數(shù)。一個高采樣率可以再給定時間下采集更多數(shù)據(jù),因此能更好的反映原始信號,但也并不是采樣率越高越好,如果采樣率太高,當然會得到完美的信號,但同時也會得到大量無用的數(shù)據(jù),這將浪費寶貴的存儲空間,但如果采樣率太低,雖然節(jié)省存儲空間,將會得到一個無用的采集結(jié)果:波形看似正確,實際上是完全錯誤的。
3.2 分辨率的選擇
分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨模擬輸入信號的最小變化量,它代表了數(shù)字值上的最低有效位1(LSB),也稱為編碼寬度。分辨率是由A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定的,位數(shù)越大,分辨率就越高,信號范圍被分割成的區(qū)間數(shù)目就越多,輸入信號的細分程度就越高,因此能探測到的電壓變量就越小,這對于提高像FFT這樣的數(shù)學分析計算非常重要,但同時也意味著更高的成本。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)常用的有8位、12位、14位、16位,甚至還有24位的。
過高的分辨率除了成本高,也會帶來其他的問題:比如為獲得一個穩(wěn)定的信號,A/D轉(zhuǎn)換需要更多的時間也就是說,分辨率越高,A/D采樣越慢。
3.3 精度的選擇
精度反映了測量與實際信號值的接近程度,用%來表示,例如,一個具有0.1%系統(tǒng)精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),測量一個理想的10V的電壓源。測量結(jié)果帶有0.1%的誤差,它可能顯示高至10.01V或低至9.99V的測量值。顯然精度越高,數(shù)據(jù)質(zhì)量也就越高,測量結(jié)果也就越加可信。
綜合上面幾個因素考慮,本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器選用MAX197,MAX197芯片是美國MAXIM公司近年的新產(chǎn)品,是多量程(±10V,±5V,0~10V,0~5V)、8通道、12位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器。它采用逐次逼近工作方式,有標準的微機接口。三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口用做8位數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù)總線的時序與絕大多數(shù)通用的微處理器兼容。全部邏輯輸入和輸出與TTL/CMOS電平兼容。新型A/D轉(zhuǎn)換器芯片MAX197與一般A/D轉(zhuǎn)換器芯片相比,具有極好的性價比,僅需單一+5V供電,且外圍電路簡單,可簡化電路設(shè)計。
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