SOPC技术在扭振信号测量中的应用研究

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1、http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛SOPC技术在扭振信号测量中的应用研究ResearchOfVibrationMeasurementBaesdOnSopc(西安邮电学院陕西西安710121)杨怿菲唐小华王花朋（XI’ANInstituteofPosts&TelecomsXI’AN,ShaanXi,China）YangYifeiTangXiaohuaWangHuapeng摘要：提出一种用SOPC技术实现轴系扭振测量的方案。在分析轴

2、系扭振测量原理的基础上，采用软硬件协同设计思想，选用ALTERA公司的NIOSⅡ嵌入式CPU制作硬件电路开发板；设计了FPGA硬件模块和用户自定义Avalon流模式采集输入控制器模块；最后简要介绍了系统软件模块及其工作流程。关键词：SOPC扭振测量FPGA数据采集中图分类号：TP274+.2文献标示码：AAbstract:ThepaperintroducesanewmethodbasedonSOPCtechnologytodesignthevibrationmeasurementsystem。Thehard

3、warecircuitboardincludeapieceofFPGAchipwhichisNiosⅡembeddedprocessorofAlteracorporation。ThehardwaremoduleincludeFPGAmoduleandcustomAvalonstreamslaveperipheraldatacollectioncontrollermodule。Thesoftwaremoduleanditsworkflowarealsomentioned。Keywords:SOPCVibrat

4、ionMeasurementFPGADataCollection1引言扭振（即扭转振动）广泛存在于各种回转轴系中，如内燃机曲轴、发电机、齿轮传动链等。就内燃机轴系而言，严重的扭振会导致动力装置的部件断裂，造成不可估计的财产损失和人员伤亡。因此对扭振的动态测量和监控一直为人们所重视。目前按照对扭振信号的提取方式，扭振测量可以分为模拟式、数字式和软件式。数字式扭振监测应用较为广泛。这一类仪器测量精度较高，信号采集主要用单片机或单片机及CPLD。单片机采集信号速度低且系统实时性较差；用单片机结合CPLD实现，系统

5、可扩展性不好，一旦硬件做成很难改动，另外可编程器件与单片机接口的速率匹配是一个瓶颈问题。SOPC（SystemOnProgrammableChip）是Altera公司提出的片上可编程系统解决方案，它将CPU、存储器、I/O接口、DSP模块、低电压差分信号（LVDS）技术、时钟数据恢复技术（CDR）以及锁相环（PLL）等系统设计所必需的模块集成到一片FPGA上，构成一个可编程的片上系统，使所设计的电路在其规模、可靠性、体积、功耗、上市周期、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现最优化。用SOPC技术实现扭振

6、信号测量，在测量精度、数据传输及计算、系统扩展等方面都有很大优势。2扭振监测原理及方法轴系在旋转时若没有扭振，则轴的各瞬时速度都等于其平均速度，轴上的齿轮盘也是匀速转动，且传感器输出的每齿一个脉冲信号的重复周期是相同的。当轴系发生扭振时，相当于在轴系平均速度上叠加了一个扭振的波动，于是传感器输出的脉冲序列就不再是均匀间隔了，而是一个载波频率被扭振信号调制的调频信号了。这个调频信号可以用脉冲记数法进行解调。设轴系旋转一周的时间为tc,则平均速度为ωc=360°/tc，齿轮的齿数为N，再测出转n个齿的时间为t,

7、在t时间内轴系的扭角为：nnn360°tcθ=(ω−ω)dt=(t−n)∫cn0tNchttp://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛因此只要测出t和t就可算出相应各t的扭角θ。ncnn3扭振信号测量系统的设计及实现3．1系统结构及板级硬件设计扭振信号测量系统的总体结构如图1所示。图1监测系统框图系统设计采用Altera公司的新一代低成本FPGA－CycloneⅡ系列的EP2C35实现SOPC系统设计。系统硬件主要包括FPGA上的NiosⅡ处

8、理器系统、FPGA外的接口和外设两部分。NiosⅡ处理器系统由基于AvalonBus的NiosⅡCPU、串行接口、PIO、PIO控制器、存储器控制器、定时器以及片上RAM等IP组成。外设包括：信号拾取整形模块、USB-Blaster模块、Flash、SDRAM、LCD模块、电源模块、键盘等。信号由光电编码器拾取后经整形模块进入NiosⅡ处理器，CLOCK（系统时钟）模块提供50MHZ有源时钟和用户自定义的外部时钟