基于FPGA的振动信号采集系统设计及实现.doc
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1、基于FPGA的振动信号采集系统设计及实现摘要:针对机械设备运行中的振动监控,设计振动信号采集系统,提出了一种基于FPGA的振动信号采集系统的设计方案。重点阐述了系统硬件结构组成、信号调理电路和数据采集模块的设计,同时对A/D采样的控制逻辑进行了讨论。经试验验证表明,该系统可达到采样率10 K每秒、采集精度16位,能够满足实时性和精度要求。随着生产机械、运输机械或工程结构向着高速、高效、高精度和大型化发展,机械设备的任何部件出现故障都可能降低加工精度,带来较大的经济损失,甚至危及人身安全。机械部件的振动状态监测已成为生产中的一个必不可少的环节,并对相应机械部件进行早期的故障预测。文中采用FPGA
2、为核心开发振动信号采集系统,对数据采集模块及通讯模块进行了同步设计。1 总体设计振动信号采集系统以FPGA芯片为核心,通过A/D转换芯片采集振动信号,然后通过RS-422串行总线接口将采集的数据传输给上位机,在故障诊断软件以作出相应的诊断处理。振动信号采集系统的硬件按照功能模块可以划分为信号调理电路、A/D转换电路、FPGA控制逻辑和RS-422接口转换电路,系统硬件结构如图1所示。系统硬件各个功能模块的作用如下:1)信号调理电路:信号调理电路主要对由集成电路压电式(Integrated Circuit Piezoelectricity,ICP)加速度传感器采集到的振动信号进行调理驱动、放大和
3、抗混叠滤波处理,使模数转换器(Analog to Digital Converter ADC)芯片能够获取该振动信号,并作出进一步处理工作。2)A/D转换电路:A/D转换电路将经过信号调理的信号进行模/数转换,并将转换结果传送至FPGA进行数据采集,此功能电路决定了整个系统的分辨率和采集精度。3)FPGA控制逻辑:FPGA芯片是该主控模块的核心部分,控制振动信号的采集和数据传输,此功能电路控制着系统的采样周期。4)RS422接口转换电路:将A/D转换后的数字信号,通过RS422总线传输到上位机。2 硬件电路设计2.1 恒流源电路系统采用ICP集成电路压电式加速度传感器检测被测设备的振动信号,它
4、将传统压电加速度传感器和放大器集于一体,供电和信号输出共用同一根电缆,通过恒流源为其供电,输出信号经过信号调理电路后连接单片机进行测试,使采集系统得到了简化,减少电缆的数量,同时省去了电荷放大器,降低了成本。ICP传感器所需的供电电源必须能够提供1830 V的直流电压以及220 mA的恒定电流。由于传感器共用电源线与信号输出线,所以它的输出信号会包含一个814 V的直流偏置电压,通过去耦电容滤除信号中的直流分量。本系统采用TI公司的三端可调恒流源器件LM334芯片。LM334为单片三端可调恒流源,实际应用中,改变连接电阻就可构成不用独立电源的两端理想电流浮置源,改变R可以改变恒流源的电流值,其
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