一種基于FPGA的振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)

　　摘要：在振動(dòng)信號(hào)采集和處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，信號(hào)的處理時(shí)間與可靠性決定著系統(tǒng)應(yīng)用的可行性。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)振動(dòng)信號(hào)采集電路、抗混疊濾波電路、AD采樣電路將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入FPGA，在FPGA處理設(shè)計(jì)中利用數(shù)據(jù)流控制方法并行實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采樣和處理，并在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)過(guò)程中采用時(shí)鐘時(shí)標(biāo)方法判斷信號(hào)采樣過(guò)程中的數(shù)據(jù)丟失情況，有效提高了振動(dòng)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性及可靠性。本設(shè)計(jì)在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行了驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足各項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用要求。

　　振動(dòng)現(xiàn)象是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的伴隨過(guò)程，結(jié)構(gòu)部件處于工作狀態(tài)就有振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生，常見(jiàn)故障通過(guò)振動(dòng)和由振動(dòng)輻射出來(lái)的噪聲反映。在飛行器的健康監(jiān)控和診斷過(guò)程中，作為提取故障信息的主要手段，振動(dòng)信號(hào)的采集和處理具有特殊重要的意義。

　　飛行器振動(dòng)過(guò)程的捕捉由于采樣點(diǎn)數(shù)密集，傳感器數(shù)量多，傳感器之間同步要求高，對(duì)于振動(dòng)采集系統(tǒng)采樣速率、采樣精度和數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求，單純依靠CPU完成數(shù)據(jù)采樣和處理越來(lái)越力不從心。

　　以FPGA為代表的可編程邏輯器件以其工作穩(wěn)定、速度快、靈活的可編程能力等特點(diǎn)，獲得了越來(lái)越廣泛應(yīng)用。本文提出了一種基于FPGA的振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng);該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性高，糾錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)流控制的方法實(shí)現(xiàn)了信息的并行處理，可以更加有效的實(shí)現(xiàn)多通道振動(dòng)信號(hào)采集;同時(shí)為了提高數(shù)據(jù)的可靠性采用時(shí)間標(biāo)定的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和校驗(yàn)。本文第一節(jié)介紹了該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，第二節(jié)、第三節(jié)介紹了電荷放大器及和混疊濾波電路的實(shí)現(xiàn)方法，第四節(jié)著重介紹了FPGA的實(shí)現(xiàn)方法，最后介紹了方案的實(shí)際應(yīng)用情況。

　　1 整體方案

　　振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)用于采集軸承的圓周運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的振動(dòng)過(guò)程，振動(dòng)傳感器安裝在機(jī)械部件上，可以同時(shí)采集機(jī)械部件各方向的振動(dòng)量值，為達(dá)到振動(dòng)信號(hào)校驗(yàn)和標(biāo)定的目的，結(jié)構(gòu)部件上安裝有光柵傳感器，結(jié)構(gòu)部件每轉(zhuǎn)動(dòng)一周產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，該信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)同時(shí)送入振動(dòng)采集系統(tǒng)用于后續(xù)處理。

　　本文所采用的振動(dòng)傳感器為成熟的商用傳感器，該傳感器輸出信號(hào)為電荷信號(hào)，其量值與結(jié)構(gòu)部件的振動(dòng)加速度成正比。振動(dòng)傳感器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器電路將該信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)抗混疊濾波處理、AD采樣后轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，送入FPGA進(jìn)行后續(xù)處理;光柵傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離處理后送入FPGA作為時(shí)標(biāo)用于后續(xù)處理;DSP從FIFO中讀取采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和處理并根據(jù)處理的結(jié)果進(jìn)行顯示和告警。方案中AD轉(zhuǎn)換電路采用16位的高精度高速AD轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，時(shí)標(biāo)采樣電路采用光電隔離器件實(shí)現(xiàn)。振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

　　2 電荷放大器電路設(shè)計(jì)

　　電荷放大器電路原理圖如圖2所示，放大器采用美國(guó)TI公司的TL082芯片。該芯片是采用二次離子注入Bi—FET兼容工藝制作的單片集成高輸入阻抗運(yùn)算放大器。電路中C1為積分電容用于實(shí)現(xiàn)電荷信號(hào)及電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化，C1電容的精度對(duì)整個(gè)電路精度有較大影響，應(yīng)選用高精度的瓷介電容，電阻R1為反饋電阻主要功能是避免電容C1出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，電阻R1阻值需大于等于500 kΩ。為了保護(hù)運(yùn)放TL082，在其反相端串接電阻R2，為避免R2與運(yùn)放TL082的輸入電容構(gòu)成另一個(gè)極點(diǎn)而使運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩。在R2兩端并聯(lián)電容C3實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。電容C2和R2、C3并聯(lián)電路相串聯(lián)，作用是隔離掉壓電傳感器的零漂。電容C4、C5、C6、C7用于濾除電源上的干擾信號(hào)。

　　3 抗混疊濾波電路設(shè)計(jì)

　　混疊現(xiàn)象由信號(hào)中高于采樣速率一半的成分引起的，該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)波形失真，產(chǎn)生錯(cuò)誤。解決辦法是將信號(hào)中高于采樣速率一半的頻率成分濾除。這要求在采樣率變化的情況下，濾波器的低通截止頻率也要相應(yīng)調(diào)整。濾波器MAX291配合A/D轉(zhuǎn)換器的低通濾波電路可以實(shí)現(xiàn)程控抗混疊濾波。該器件是一款巴特沃思低通濾波器。截止頻率范圍從0.1 Hz到50 kHz。截止頻率與輸入時(shí)鐘頻率之比為50：1。系統(tǒng)可以通過(guò)FPGA分頻產(chǎn)生5 Hz到25 MHz的方波信號(hào)，控制抗混疊濾波電路實(shí)現(xiàn)不同截止頻率的低通濾波功能。

　　4 FPGA設(shè)計(jì)

　　文中FPGA芯片選用XILINX公司的virtex-5系列XC5VFX70芯片，該芯片具有11，200個(gè)可配置邏輯塊和18KB大小的RAM塊296個(gè)，能夠滿足較復(fù)雜的邏輯控制和較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。FPGA控制邏輯包括數(shù)據(jù)流控制邏輯、FIFO控制邏輯、調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)等幾部分。調(diào)度模塊是FPGA的核心控制模塊向其他模塊發(fā)出控制指令，數(shù)據(jù)流控制邏輯完成了數(shù)據(jù)由串行數(shù)據(jù)向并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，F(xiàn)IFO控制邏輯完成了FIFO的寫(xiě)入寫(xiě)出控制，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)控制邏輯主要用于數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，F(xiàn)PGA邏輯組成框圖如圖3所示。

　　4.1 調(diào)度模塊

　　調(diào)度模塊是控制邏輯的核心負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其他模塊的工作，調(diào)度模塊由輸入時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部設(shè)置定時(shí)器周期運(yùn)行為調(diào)度模塊的調(diào)度提供時(shí)間基準(zhǔn)，定時(shí)器在每一個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的上升沿加1，達(dá)到最大值時(shí)自動(dòng)清零重新開(kāi)始運(yùn)行，當(dāng)定時(shí)器達(dá)到某一特定的值時(shí)，調(diào)度邏輯進(jìn)行邏輯判斷是否需要發(fā)出控制指令，如果邏輯判斷為真則發(fā)出調(diào)度指令發(fā)送給其他模塊驅(qū)動(dòng)其工作。

　　調(diào)度模塊有2種工作狀態(tài)忙狀態(tài)和空閑狀態(tài)，調(diào)度模塊發(fā)出啟動(dòng)AD裝換指令后處于忙狀態(tài)，此時(shí)調(diào)度模塊只控制數(shù)據(jù)流開(kāi)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入的操作，時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)不會(huì)被寫(xiě)入FIFO，此時(shí)如果系統(tǒng)收到時(shí)標(biāo)脈沖信號(hào)，調(diào)度模塊指示定時(shí)器鎖定當(dāng)時(shí)的定時(shí)器值，不進(jìn)行其他操作。當(dāng)調(diào)度模塊完成數(shù)據(jù)輸入后進(jìn)入空閑狀態(tài)，此時(shí)如果系統(tǒng)收到時(shí)標(biāo)脈沖信號(hào)或者在前一個(gè)忙狀態(tài)系統(tǒng)收到時(shí)標(biāo)脈沖信號(hào)，則調(diào)度模塊向數(shù)據(jù)流開(kāi)關(guān)發(fā)出指令，數(shù)據(jù)流開(kāi)關(guān)打開(kāi)完成定時(shí)器時(shí)鐘的記錄。