一種基于FPGA的振動信號采集處理系統(tǒng)

　　4.2 數(shù)據(jù)流開關(guān)

　　采樣數(shù)據(jù)處理的實時性是FPGA設計中首先要考慮的問題，振動信號采集過程中常會由于輸入數(shù)據(jù)量過大，導致后續(xù)處理電路處于飽和狀態(tài)以致數(shù)據(jù)丟失。為解決上述問題，FPGA通過開關(guān)切換的方式將數(shù)據(jù)分別送入不同的線程進行處理。振動傳感器輸出數(shù)據(jù)格式如下：(A1B1C 1D1E1F1)，(A2B2C2D2E2F2)，……(AN BN CN DN EN FN)，A、B、C、D、E、F分別代表不同方向的振動量值。采用單通道的數(shù)據(jù)處理方式時，程序首先需完成數(shù)據(jù)的區(qū)分工作，然后完成6次數(shù)據(jù)處理過程，當一次需要處理數(shù)據(jù)量較大的情況下，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的延遲并導致后續(xù)數(shù)據(jù)的丟失。為降低數(shù)據(jù)處理電路的負擔，采用數(shù)據(jù)流開關(guān)將振動傳感器輸出數(shù)據(jù)分別存儲在不同的通道中通過數(shù)據(jù)流控制開關(guān)后數(shù)據(jù)格式如下：

　　通道1：A1、A2……AN;

　　通道2：B1、B2……BN;

　　通道3：C1、C2……CN;

　　通道4：D1、D2……DN;

　　通道5：E1、E2……EN;

　　通道6：F1、F2……FN。

　　僅需處理N個數(shù)據(jù)就能滿足系統(tǒng)要求，系統(tǒng)對于處理能力的要求相應降低。數(shù)據(jù)流控制仿真結(jié)果如圖3所示。圖中AD采樣數(shù)據(jù)為連續(xù)的單通道輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過AD控制命令和通道開關(guān)的控制后被分別發(fā)送到6個數(shù)據(jù)處理通道進行后續(xù)處理。

　　4.3 FIFO的控制

　　振動數(shù)據(jù)存儲在由XILINX提供的FIFO軟核中。FIFO核的存儲深度、數(shù)據(jù)寬度、標志位設置、存儲類型和讀寫端口速率可以在FIFO生成時進行設置，F(xiàn)IFO模塊生成時占用FPGA內(nèi)部的BLOCK RAM，即使存儲容量很小的FIFO也會占用整塊BLOCK RAM。FIFO端口包括輸入輸出端口、讀寫使能、讀寫時鐘及空滿標志幾部分。其中，輸入輸出端口與數(shù)據(jù)總線連接用于數(shù)據(jù)傳輸;讀寫使能由控制邏輯驅(qū)動完成一次讀寫操作;讀寫時鐘信號完成讀域或者寫域所有信號的同步;滿標志表明由于該FIFO處于滿狀態(tài)，寫操作將被忽略，空標志表明FIFO處于空狀態(tài)，讀操作將不能獲得正確的數(shù)據(jù)。

　　FIFO控制邏輯進行數(shù)據(jù)寫入操作時首先判斷FIFO是否處于滿狀態(tài)，如果FIFO處于滿狀態(tài)，先從FIFO中讀出一條數(shù)據(jù)，然后將新數(shù)據(jù)寫入FIFO中。如果FIFO不處于滿狀態(tài)則直接進行寫操作。FIFO讀操作的時機由DSP控制，DSP內(nèi)的程序首先讀取空狀態(tài)寄存器判斷FIFO中是否存有數(shù)據(jù)，如果寄存器顯示FIFO為空則取消讀操作，否則就從FIFO中讀出需要的數(shù)據(jù)。IP核對使能信號的訪問時序有著嚴格地要求，使能信號必須于讀寫時鐘完全同步，而且控制邏輯將使能信號的長度控制在一個讀寫時鐘周期內(nèi)。

　　4.4 數(shù)據(jù)的存儲

　　振動采樣數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常龐大，一旦出現(xiàn)錯位將無法完整復現(xiàn)信號的原始狀態(tài)，因此在對數(shù)據(jù)進行存儲的同時，對數(shù)據(jù)進行時間標記也是十分重要的。時間標記在一個完整的記錄周期結(jié)束時進行，調(diào)度模塊控制時標開關(guān)在所有的FIFO中存入時標信息，F(xiàn)IFO中存儲在時標以前的數(shù)據(jù)均為本周期的數(shù)據(jù)，存儲在時標信息以后的數(shù)據(jù)均為下一周期的數(shù)據(jù)，時標及數(shù)據(jù)記錄格式如表1所示。表中D15，D14位是保留位用于功能擴展，D13，D12是表明存儲數(shù)據(jù)是時標信號(01、02)，或者采樣數(shù)據(jù)(00)。

　　4.5 數(shù)據(jù)的訪問

　　DSP進行數(shù)據(jù)還原時，訪問程序依據(jù)采集順序先從本周期起始通道開始依次讀出采樣數(shù)據(jù)，當訪問程序讀取到第一個時標數(shù)據(jù)后本周期數(shù)據(jù)讀取完畢，訪問程序繼續(xù)讀取后續(xù)通道的時標信息，直至獲得所有通道的時標數(shù)據(jù)后表明本次數(shù)據(jù)訪問過程結(jié)束，如果訪問程序連續(xù)獲得了所有通道的時標信息表明采樣數(shù)據(jù)為完整有效的數(shù)據(jù)，否則說明在采樣過程中存在數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)不可信不能進行后續(xù)處理，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象則訪問程序?qū)⑺型ǖ罆r標數(shù)據(jù)讀出后本次訪問結(jié)束。

　　5 結(jié)束語

　　文中設計了一種基于FPGA的振動信號采集處理系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)流管理等手段實現(xiàn)振動信號的實時采集處理，本設計在真實環(huán)境中進行了驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，各項性能指標滿足技術(shù)要求。