基于FPGA的振動信號采集處理系統(tǒng)設(shè)計并實際驗證 - 全文

摘要：在振動信號采集和處理系統(tǒng)設(shè)計中，信號的處理時間與可靠性決定著系統(tǒng)應(yīng)用的可行性。本文設(shè)計了一種基于FPGA的振動信號采集處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過振動信號采集電路、抗混疊濾波電路、AD采樣電路將電荷信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入FPGA，在FPGA處理設(shè)計中利用數(shù)據(jù)流控制方法并行實現(xiàn)了信號的采樣和處理，并在數(shù)據(jù)存儲和訪問過程中采用時鐘時標(biāo)方法判斷信號采樣過程中的數(shù)據(jù)丟失情況，有效提高了振動信號處理的實時性及可靠性。本設(shè)計在真實環(huán)境中進(jìn)行了驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足各項技術(shù)應(yīng)用要求。

振動現(xiàn)象是機械設(shè)備運行的伴隨過程，結(jié)構(gòu)部件處于工作狀態(tài)就有振動信號產(chǎn)生，常見故障通過振動和由振動輻射出來的噪聲反映。在飛行器的健康監(jiān)控和診斷過程中，作為提取故障信息的主要手段，振動信號的采集和處理具有特殊重要的意義。

飛行器振動過程的捕捉由于采樣點數(shù)密集，傳感器數(shù)量多，傳感器之間同步要求高，對于振動采集系統(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，獲得了越來越廣泛應(yīng)用。本文提出了一種基于FPGA的振動信號采集處理系統(tǒng);該系統(tǒng)具有實時性高，糾錯能力強等特點，采用數(shù)據(jù)流控制的方法實現(xiàn)了信息的并行處理，可以更加有效的實現(xiàn)多通道振動信號采集;同時為了提高數(shù)據(jù)的可靠性采用時間標(biāo)定的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和校驗。本文第一節(jié)介紹了該系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，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現(xiàn)方法，第四節(jié)著重介紹了FPGA的實現(xiàn)方法，最后介紹了方案的實際應(yīng)用情況。

1 整體方案

振動信號采集處理系統(tǒng)用于采集軸承的圓周運動所導(dǎo)致的振動過程，振動傳感器安裝在機械部件上，可以同時采集機械部件各方向的振動量值，為達(dá)到振動信號校驗和標(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)動一周產(chǎn)生一個脈沖信號，該信號與振動信號同時送入振動采集系統(tǒng)用于后續(xù)處理。

本文所采用的振動傳感器為成熟的商用傳感器，該傳感器輸出信號為電荷信號，其量值與結(jié)構(gòu)部件的振動加速度成正比。振動傳感器發(fā)出的信號經(jīng)過電荷放大器電路將該信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，該電壓信號?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，經(jīng)光電隔離處理后送入FPGA作為時標(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)換芯片實現(xiàn)，時標(biāo)采樣電路采用光電隔離器件實現(xiàn)。振動信號采集處理系統(tǒng)原理圖如圖1所示。