硕士学位论文-对击锤打击能量测量与分析系统研究.doc

密 级 公 开 分类号 tp334.7 xian technological university硕士学位论文对击锤打击能量测量与分析系统研究题 目: 作者：指导教师： 副 教 授 通信与信息系统申请学位学科： 2015年4月10日对击锤打击能量测量与分析系统研究学 科：通信与信息系统研究生签字：指导教师签字： 摘 要锻锤是历史最悠久、最常见的机械锻造设备，依靠在高压气体释放的能量驱动作用下，与下锤头悬空对击，高速碰撞，是各类金属塑性成形最实用的锻造方法，其中630kj对击模锻锤作为国内大吨位的主要锻压设备，为我国航天航空设备建筑提供大量的补给，其中对击锤的关键部件锤杆、锤头和模具由于长期高强度的锻造金属，核心器件频繁被破坏，从铸造到对击锤零部件的加工成成品费用高、周期长，加工周期在一年以上，630kj锻锤的锤头锤杆近60吨，高昂的代价、繁琐的加工周期已经成为困扰锻锤生产部门的一大核心难题，对于不同的锻件，需要不同的打击能量，仅仅依靠锻工的经验来判断打击力的大小（提锤高度和打击声音），打击力过大或过小都会影响锻件的加工质量，而且会减少设备的使用寿命，这样非常不利于设备的长期运行1。对击锤锻造过程中，打击力与打击能量是锻造成形时必要的控制参数，该能量的准确性控制是锻造过程质量控制和设备正常运行的必要条件。针对传统的测量测试方法中需要在现场布置大量的仪器设备、无法满足连续生产过程的测试要求。本课题以实际工程为背景，以对击锤打击过程中力能参数物理量为研究对象，通过研究630kj对击模锻锤的工作原理、结构形式，对锻锤的两个重要参数（加速度和位移），建立打击阶段数学模型，同时设计了以fpga为核心，高速ad采集打击阶段上锤头加速度，位移，下锤头加速度随时间的变化的规律，将打击过程中的物理量存入对应的sram中，并实时通过usb2.0接口上传到上位机，对一些功能和结构参数进行了物理量分析，并建立加速度，位移和打击能量之间的数学模型，从而改造传统为设计和开发数控锤的锻锤系统，提高全对击模锻锤的工作性能及为参数优化提供了理论依据2，使控制系统能够达到良好的控制精度和工作指标。本课题以fpga为控制核心，主要负责数据采集、存储、与上位机的数据通信与管理、实时多任务控制，对击锤力能参数测量系统主要由fpga以及外围a/d、sram、usb芯片组成。本设计集成一块完整的硬件pcb版图，以fpga为逻辑控制芯片，以高速ad9226为参数采集电路、高速异步存储器is61lv51216作为数据的存储系统，采用usb控制芯片cy7c68013a作为数据传输系统，结合verilog进行内部数字电路的设计，形成一套完整的硬件采集测量系统。关键字：fpga；对击锤；打击能量；状态机；cy7c68013aresearch on hammer blow energy measurement and analysis system discipline: communication and information systemstudent signature:supervisor signature:abstractforging hammer is the oldest, the most common mechanical forging equipment, rely on under the effect of high pressure gas release of energy to drive, and under the hammer hung up on strike, high-speed collision, all kinds of metal plastic forming is the most practical method of forging, of which 630 kj to die forging hammer as the main forging equipment of domestic large tonnage, for our country aerospace equipment construction provides a large number of supply, the key components of the hammer hammer rod, hammer head and die as a result of the long-term strength of large forging metal core component damaged frequently, from casting to hammer parts processing into finished products of the high cost, long period, the processing cycle in more than one year, 630 kj nearly 60 tons of forging hammer hammer hammer rod, high cost, complicated processing cycle has become troubled forging hammer a core problem of the production department, for different forgings, need different blow e1nergy, only rely on the experience of the blacksmith to determine the size of the force (hammer height and hit the sound), force is too large or too small will affect the quality of forging processing, but also reduce the service life of equipment, this is very detrimental to long running of the equipment.for hammer forging process, the energy is forging forming force and combat when necessary control parameter, the accuracy of the energy control is forging process quality control and equipment necessary for normal operation. in view of the traditional measuring test methods need to be decorated at the scene of a lot of instruments and equipment, can meet the test requirements of continuous production process. this topic in real project as the background, to the hammer blow can force parameters in the process of physical quantities as the research object, through the study of 630 kj to die forging hammer, the working principle, structure form, two important parameters for forging hammer (acceleration and displacement), the mathematical model of the combat phase was designed with fpga as the core at the same time, the high-speed ad sampling hit the stage hammer head acceleration, displacement, the change regularity of hammer head acceleration over time, will be hit in the process of physical quantities in the corresponding sram, and real time through the usb2.0 interface to pc, for some functional and structural parameters are analyzed in quantity, and establish the acceleration, displacement and blow energy, a mathematical model to transform traditional for design and development of numerical control hammer forging hammer system, improve the whole performance to the die forging hammer and provides a theoretical basis for the parameter optimization, make the control system can achieve good control precision and performance measures.this topic with the fpga as the core, is mainly responsible for data acquisition, data storage, and the upper machine communication and management, real-time multitasking control, the hammer force can parameters measurement system is mainly composed of fpga and periphery of a/d, an sram, usb chip. the pcb layout design integrated a complete piece of hardware, control chip based on fpga data, the parameters for high-speed ad9226 acquisition circuit, high speed asynchronous memory is61lv51216 as a data storage system, using usb control chip cy7c68013a as data transmission system, combining with the verilog internally compilation of digital circuit, form a complete set of hardware acquisition measurement system.key words: fpga；the hammer；blow energy；the state machine；cy7c68013ai目 录1 绪 论11.1研究的目的和意义21.2国内外研究现状21.2.1国内研究现状21.2.2国外研究现状31.3本文章节安排32设计原理及方案52.1数据采集的基本概念52.1.1量化和编码52.1.2采样定理52.2 fpga技术的应用概述52.2.1fpga逻辑级结构62.2.2可编程逻辑单元62.3高速数据存储系统的原理62.4 usb2.0数据传输通信原理72.5 位移采集原理82.6对击锤现场结构设计方案92.7 本章小结103硬件系统设计113.1 fpga外围硬件系统简介113.2设备电源模块设计133.3数据采集接口设计133.4数据存储接口设计143.5 rs232与rs485通信接口设计153.6 继电器控制接口设计163.7 usb通信接口设计163.7.1 usb接口的外围电路163.7.2 usb接口的固件烧写173.8 fpga外围电路设计193.8.1 fpga配置电路193.8.2 fpga复位电路203.8.3 fpga时钟电路203.9硬件pcb布板203.10本章小结234 对击锤力能分析244.1 对击锤打击结构力能分析244.2 最大打击力分析254.3 打击能量分析264.4 加速度波形分析264.5小结285 逻辑数字电路设计295.1 fpga系统概述295.1.1 quartusii9.1简介295.2 modelsim仿真介绍305.2.1 quartusii9.1调用modelsim仿真305.3 fpga芯片简介315.3.1 芯片选型及功能315.4 fpga中各模块设计325.4.1 触发模块设计325.4.2 ad9226采集模块设计345.4.3串口控制模块设计355.4.4 sram存储模块设计365.4.5位移编码器模块设计395.4.6 usb2.0通信模块设计415. 5本章总结436 系统调试及结论446.1硬件系统调试446.1.1硬件电路静态检测和动态检测446.1.2 fpga系统调试446.2 硬件实物图456.3 fpga硬件逻辑调试456.4上位机数据检测466.5小结507 总结与展望517.1总结517.2展望51参考文献53攻读硕士学位期间发表的论文57致 谢58学位论文知识产权声明59学位论文独创性声明60iii1绪论1 绪 论随着航天、航空的飞速发展，航空设备大型零部件的需求量的增加，我国锻造行业的产量也随之增加，锻造设备的抗耐力承受着巨大的考验，作为生产大型装备的蒸汽对击模锻锤，承担着大量的生产任务，由于对击锤的结构特点与液压模锻锤不同，需要很大的底座，但重量相对较轻，是由上下锤头，模具，锤杆共同组成，按照行程比与上下锤头质量比可以分为上、下锤头行程等同的对击锤和单一锤头小行程的对击锤1。由于打击效率高，工作时无剧烈震动，对地基影响较小，超负荷能力强，构造简单而成为重型锻造设备的主要形式之一，近几年，随着航空工业中高强度耐热合金大锻造的大量开发生产，对击锤需求使用次数增加的趋势已经十分明显。目前的锻锤大部分还是以蒸空锤和液气锤为主，但对于大吨位的对击模锻锤的研究还比较少，随着我国科学技术的的不断提高以及社会的不断发展2，航天航空、工业制造、国防建设和与之相关的锻造产品对降低生产成本、产品重量、提高产品的质量和性能的要求愈来愈高2。随之而来，锻造设备的生产压力也进一步加大，因此，如何开发出智能性可控性大吨位锻压设备，对于提高锻锤的工作性能，自动化水平、产品质量有着十分重要的意义。图1.1 630kj对击锤实物图锻锤是最常见、历史最悠久的锻压机械，锻锤靠高压气体突然释放的能量驱动上，下锤头高速运动，悬空对击，是金属塑性成形的锻造方法。其中630kj对击模锻锤作为国内大吨位的主要锻压设备，其工作现场如图1.1所示，锤头，锤杆和模具是对击锤的关键部件，从铸港到加工成成品周期长，费用高，630kj的锤头锤杆重近60t，加工周期1年，按目前市场价格，费用为80100万元。核心部件频繁被破坏，高昂的代价，漫长的加工周期已经已经成为困扰生产部门的一大难题3。对于不同的锻件，需要不同的打击能量，仅仅依靠锻工的经验来判断打击力的大小（提锤高度和打击声音），打击力过大或过小都会影响锻件的加工质量，而且会减少设备的使用寿命，这样非常不利于设备的长期运行1。对击锤锻造过程中，打击能量是锻造成形时需要控制的关键参数，该参数的准确性测量是锻造过程中质量控制和设备正常运行的必要条件。针对传统的测量测试方法中需要在现场布置大量的仪器设备、无法满足连续生产过程的测试要求4。 1.1研究的目的和意义为了掌握该设备的性能和分析打击过程中的功能变化，以确保生产顺利进行和后期打击功能参数的实时数字化显示提供伦理依据5，前期的功能模型的建立就显得格外重要。因此，该课题以630kj对击模锻锤为研究背景，设计了一套先进的打击能量参数的自动采集与处理系统，可以满足在高温、高振动、高粉尘的恶劣环境下工作，同时采集打击过程中的相对位移与加速度，从而分析关键物理参数与打击力与打击能量之间的功能关系，为现场工人对锻造质量控制和设备安全运行提供了可靠的科学依据。因此决定自行串装该设备，并对其加速度进行参数采集，并建立加速度和打击能量之间的数学模型，并分析二者之间的关系。通过对630kj对击模锻锤打击过程中在打击速度，模具重量，打击行程几个关键物理量的分析，分析其与最大打击力、最大打击能量之间的关系，验证在同等的蒸汽压力和不同打击行程下最大打击能量与行程之间的关系，结合物理能量学原理建立打击能量与加速度、位移之间的数学模型，利用采集设备得到上下锤头以及打击行程关键参数的方法对整体系统进行评估，对不同工件进行最大打击能量归类。 1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状对击锤是多种锻造设备的先驱，随着工业的飞速发展和新型锻造工艺的改善6，由于锻锤类设备结构单一，适应性强，投资小等特点，对击模锻锤成为装备制造业必不可少的生产工具。尤其是大吨位对击锤占相当能量锻造设备的总量的比例达到四分之三，对击模锻锤的优势在于打击速度快、打击频率强，大吨位锻锤受到加工条件和运输条件的限制以及制造业技术水平的限制，其拥有量维持在七十年代末的水平，不同的打击能量，仅仅依靠锻工的经验来判断打击力的大小（提锤高度和打击声音），打击力过大或过小都会影响锻件的加工质量，而且会减少设备的使用寿命，这样非常不利于设备的长期运行。我国锻锤的数控技术仅仅还停留在液压模锻锤阶段7，大吨位对击模锻锤的打击强度大，震动大，打击速度难以检测，因此，对于对击模锻锤的数控技术还处于起步阶段。图1.2 我国自行生产的锻锤我国目前的锻锤大部分还是以蒸空锤和液气锤为主，如图1.2所示，对于大吨位的对击模锻锤的研究还比较少，随着我国社会的发展和科学技术的长足进步，工业、国防建设、航空航天以及其它装备制造业等对减少生产成本，减低产品重量、提高产品性能和质量的要求越来越高，这也意味着锻压生产的担子会空前的加大，所以设计开发新型数控自动化大吨位锻锤，对于提高锻锤工作性能、锻压件质量、生产能力和自动化程度，具有十分重要的意义2。1.2.2国外研究现状国外锻锤发展于本世纪的30年代，从驱动方式分，可以分为液压锻锤和气动锻锤，经历了从自由打击放油落锤到液压气体驱动锻锤，最后到全液压驱动锻锤的发展历程，与我国放油液压气锤相类似。目前可提供大吨位锻锤主要有德国的拉斯科、万家顿公司。可以实现大吨位全液压驱动，不等速对击结构原理，并通过程序控制实现自动化。自然对击锤同样配备自动化控制系统，具备多种不同的操作方式，例如手动自动，压机接通，可以预选不同工件的打击方式和打击类型8，在每次打击完成后，可以根据模具批次的不同将打击能量和打击次数进行存储和存放9。1.3本文章节安排本论文的内容和章节安排如下：第一章为绪论部分，详细介绍了对击模锻锤的发展以及国内外液压锻锤以及对击锤发展的水平以及其自动化水平9，通过对比国内大吨位锻锤的发展以及国外各锻造行业的生产水平，分析世界各国锻造工业所遇到的瓶颈10，提出本课题的研究规划方案以及实验研究的基础，对630kj对击锤进行系统结构评估，最后列举本研究课题开展的核心意义以及实验研究的方向，并加以实施，通过以微处理器为控制核心， 采用ad采集、编码器计数原理和sram存储及usb通信技术，利用eda软件quartusii为编译环境进行逻辑电路设计、综合编译，对整体对击锤力能参数测量系统进行准确控制，使得整体系统达到理想的测量效果，最终实现高速、准确的实验效果。第二章为对击锤打击参数采集存储系统设计原理及组成方案11。本章重点介绍了对击锤力能采集设备的硬件电路系统设计原理和方案，包括参数采集，存储，通信，人机握手通信以及系统总体规划框图等内容，对本课题的系统方案进行分析及规划。第三章主要介绍了基于fpga的对击锤打击力能测量仪的硬件外围设计，并对硬件设备各个部分作了详细介绍，根据设计要求，对各部分硬件进行选型，应用电路设计，完成工作有采集模块接口、数据存储接口、数据通信接口、命令通信接口等，最终搭建实现完整的采集存储系统外围硬件电路。第四章为对击锤力能数学模型分析设计，本章重点分析了对击锤打击过程中各个物理量之间的关系，总结出打击力能与加速度、打击行程时间的数学模型，为后续工作做前期准备。第五章为内部fpga内部逻辑数字电路设计。本章节重点介绍了fpga内部各个功能模块的设计与实现，利用verilog语言进行逻辑时序设计，对系统进行层次化设计，采用自顶向下的设计流程，建立多个数字电路模块之间的连接，组成一个完整的电路系统，并编写激励信号文件，在modelsim10.1仿真环境中，对设计好的模块以及系统进行调试验证。第六章为实验结果及结论分析。本章对对击锤力能采集分析系统进行硬件调试，结合课题研究背景12，对基于fpga的对击力能参数采集存储系统进行系统掉电检查，上电测试，对现场进行布线测试，通过比对现场测试的物理量参数，结合对击锤力能数学模型，分析不同条件下对击锤最大打击力，最大打击能量与测量参数之间的关系，对打击过程中最大打击力和最大打击能量进行后期分析，本课题所研究打击能量系统定性分析对于提高锻锤工作性能、锻压件质量、生产能力和自动化程度，具有十分重要的意义。第七章为总结与展望。本章内容主要是对本课题做一个系统的概述和总结，并对所研究内容进行总体评价13，并且详述课题的研究意义以及研究成果，分析课题可以继续研究的方向，从而对课题内容进行系统的展望，提出对630kj对击模锻锤系统的进一步研究方向，论述本课题中所没有涉及的内容，系统需要继续改进和优化的方向，同时对课题中存在的缺陷和不足进行分析,同时结合对击锤的发展前景作出展望14。592设计原理及方案2设计原理及方案为了采集对击锤打击过程中的物理量参数，需要设计一套高速数据采集存储系统，在上下锤头安装一对压电式加速度传感器，在上锤头350mm处安装一个光电编码器作为位移数据的采集，由于打击过程大致为500ms，因此，通过对这一阶段的加速度和位移关键物理量的采集，并将数据存入高速异步存储器中，并通过usb2.0接口将数据实时上传到pc机进行数据分析，本章主要完成对模数转换，存储器存储原理以及usb数据传输的原理分析，结合对击锤的运动过程，完成硬件系统设计方案。2.1数据采集的基本概念ad转换指的是指通过采样量化编码的方式将模拟信号转化为数字信号，其中两个重要指标为采样频率和分辨率，采样频率必须符合奈奎斯特第一准则，才可以保证信号的真实性，分辨率指的是ad采样的量化位数，一般为8位，12位16位以及24位，选取合适的ad转化器是进行本课题的一个基础15。2.1.1量化和编码采样信号x(nts)经过截尾或者舍入变为只有有效个数的数，这一过程叫做量化过程，在通常意义下，把量化误差看做为模拟信号数字信号处理的加性噪声，量化增量的大小，与ad分辨率有关，即量化单位为所测信号最大电压赋值的1/2n 。离散信号经过量化成为2进制数字信号的过程，在经过以上变换后，信号就变成了幅值上量化、时间上离散的数字信号。2.1.2采样定理采样定理15即奈奎斯特第一准则，定义为对一个连续时间信号进行抽样的过程中，当ad采样频率大于原始信号的频率的2倍及以上，原始信号的信息才可以在采样好被完整的保留下来，从时域上来说就是采样间隔必须小于抽样频率的两倍的倒数，才可以得到完整的采样信息。 模拟信号进行模数转化，成为数字信号，数字信号仅有0和1的区分，与模拟信号相比其高电平对应为0，低电平对应为1，因此容易辨别，所以，在对信号进行分析之前，首先将其转化为数字信号。2.2 fpga技术的应用概述20世纪80年代中期推出了另一种类型的可编程逻辑器件。fpga（现场可编程门阵列），相比较cpld的构架，fpga的门阵列结构具有更高的复杂集成度，并且具备更复杂的布线结构和逻辑实现，含有更多的i/o端口资源和触发器资源，设计者可以通过编程将内部逻辑单元组成各种复杂的数字电路，相比较搭建外围电路，具有更高更快的灵活性。2.2.1fpga逻辑级结构逻辑级fpga器件是一个用于存放编程数据的静态存储器sram组成，其中包括三种可编程单元16，这三种可编程逻辑单元是可编程逻辑单元le(logic element)、可编程输入/输出单元ioe(i/o element)和可编程互联资源。（1）可编程互联资源irir由许多金属连接线构成，可以经过自动走线实现多种数字电路，在这些金属线段中有可编程开关，可以将iob和clb通过ir相互连接起来，按照线内长度可以分为三种：第一种，长线；第二种，双长度线，第三种，单长度线（2）输入/输出模块(iob)iob17可被定义为输入输出和三态功能，当被定义为输入时，从外部进入的信号首先送入到输入缓冲器，再由缓冲器分为两路，一路经过延时送到输入d触发器，送到数据选择器，同时另一路信号送入到mux中，在不同的控制信息下确定其信号送入输入缓冲器、clb阵列或者触发器，iob主要由输入缓冲器、输出缓存器、输入发生器、输出锁存/触发器共同构成，提供了内部逻辑阵列与器件引脚之间的连接。（3）可编程逻辑模块clbclb一般由触发器、逻辑函数发生器与数据选择器共同构成实现逻辑功能的基本单元，其中函数发生器18用来实现一个任意逻辑组合实现n输入变量。其结构规则分散在整个芯片，并且规则旳排列成一个阵列。2.2.2可编程逻辑单元逻辑单元le作为fpga片内最小的逻辑单元，可以有效实现多种多样的逻辑功能，在每一个可编程逻辑单元中包括有一个可编程触发器和一个进位链路以及一个级联链路，最核心的是一个4输入的查找表lut。2.3高速数据存储系统的原理sram主要用于二级高速缓存(level2 cache)。它利用晶体管来存储数据。sram的优势在于速度快，但其容量相对于同等大小的存储器内存小。sram在实际应用中，高速微处理器与速度较低的dram之间通常应用小存储量的sram芯片作为缓存，这个存储器的类型多种多样，激励流水式存储芯片，还有英特尔公司没有展示细节的csram等等。由于本系统对于存储时间和存储容量的要求，因此设计选用高速异步静态随机存取存储器sram作为数据存储器，而fpga的片上ram最大只有64k字节， 在片内资源紧缺的情况下，本设计需要存放大量的原始数据，仅仅依靠片内ram的存储空间远远不能达到设计要求，因此需要外部扩展存储空间来实现对击锤参数物理量的采集，因此，选用一个容量合适，高速的数据存储器成为本设计的关键部分，外扩存储器的选择主要考虑的因素如下：存储容量、存储速度、价格和功耗等存储容量的大小决定了本系统所能容纳的数据信息量的多少19；存储器的写入速度需要与fpga内部逻辑的时钟同步进行；其写入时间指的是数据从接受到稳定的地址信号线到整个时序完成的时间段19，存储器的价格取决于本身和其内嵌入的单独电路，这两个方面影响存储器的价格，sram选用is61lv51216，它是issi公司的sram芯片，该芯片是512k16bit的高速cmos静态存储器，其写速度为8ns12ns之间，支持8位或者16位的数据读写，方便切换，内部电压3.3v与fpgaio电压一致， 该高速异步存储器的内部结构图如图2.1所示。图2.1 is61lv51216内部结构框图打击参数据来源于两路加速度数据和一路位移数据，因此需要设计三片sram用来数据存储，启动采集后，采集打击时间段内的数据，并将其存入对应的sram中，等待上位机下发命令，采集存储在sram中的数据参数，并将数据妥善保存，拷贝，打包，等待后期数据分析21。2.4 usb2.0数据传输通信原理usb数据通讯选用cpress公司制造的ez-usb芯片，该芯片内部资源丰富，配置形式多种多样，非常合适该课题的数据传输模块选型，同时兼容usb1.1传输协议和usb2.0传输协议的强大功能接口，可以通过多种配置方式将firewere下载到片内ram中，即通过usb总线下载，从片外eeprom中读取，其架构如图2.2所示。图2.2 cy7c68013a内部结构框图cy7c68013a内部结构特点有以下几个：1.集成一个串行接口引擎sie和支持usb2.0协议的usb接口，在usb2.o传输设备的驱动下，由串行接口引擎完成usb协议的封装与接包功能，该结构可以完全省去分析其数据链路层的的步骤，简单而实用22。2.主芯片配置有eeprom,可以根据芯片手册进行软配置，在配置完毕后，将hex文件转换为iic文件通过usb接口将固件烧入到片内ram中，在每次重新载入后，将按照配置的程序进行运行。3.提供多个缓存端口，支持可编程深度为2、3、4倍大小，其中ep2与ep6其编程缓冲区为512和1024b,ep4，ep8的缓冲区固定为512字节，深度为2倍，将其配置为不同的配置方式，可实现不同位数，速度的缓存需求。4.在cy7c68013a当中集成一块增强型的8051芯片，与市面上常见的8051芯片有多重优势，其中，一个指令周期需要四个时钟周期，时钟频率可以软配置为12m/24m/48m。2.5 位移采集原理位移采集实际上利用编码器进行计数23，首先需要了解光电编码器的工作原理，光电编码器的工作原理是将机械性圆周位移转换为相应的电脉冲，利用电脉冲的计数原理来实现计数功能。编码器可以分为增量式与绝对式的两类20，绝对式光电编码器一个固定的位置对应一个相应的数字码，它的计算方法仅仅与测量的起始位置与终止位置有关，其间的过程是不予标注的，增量式光电编码器是将一圈的角位移转换为一个电信号，电信号转化为电脉冲，每一个不同的编码器，一圈对应不同的总脉冲，在运动过程中，其计数值是不断变化的，因此，本系统选用增量式光电编码器作为位移测量的工具。增量式光电编码器的特点，它具有三个对应的输出信号，a相，b相和z相，在编码器旋转的过程中，ab相都会有相应的脉冲输出，其脉冲数量的加减和方向的判定是借助输出脉冲进行判相和计数来实现，可以任意设定一个机械零点，实现多全测量，也可以利用z脉冲信号作为一个参照点，编码器绕轴旋转一圈输出一个固定的脉冲，提高分辨率一般利用九十度的相位差对原始输出脉冲进行倍频。也可以选用更高分辨率的设备24。结合对击锤的结构特点，本设计选用欧姆龙编码器e6b2-cwz6c,分辨率为500（脉冲/旋转），最高相应频率为100khz，电源电压为5v供电。欧姆龙编码器与一个机械滑轮相连，用游标卡尺测量，机械滑轮的半径为17.49mm，由于编码器计数一周为500个脉冲，在4倍频电路下可以转换为2000的分辨率，如图2.3所示，以原始参数为计算方法，每旋转一周，锤头将位移23.14r的距离，即109.9mm，由于上下锤头相等，总行程为800mm，存储系统的数据分辨率为16位宽（可计数65535），足够存下14558个脉冲。图2.3 位移传感器的工作原理2.6对击锤现场结构设计方案通过对对击锤工作原理的学习与对击锤测量环境的研究，决定将系统分成三部分来研究实现测量目的。系统组成图如图2.4所示。用开关型霍尔传感器作为数据采集的触发信号，采集终端设备主要完成的功能是采集位移、加速度参数，并将所有测量数据存入到sram中；并通过usb接口将数据上传到pc中，进行后期的数据分析，上下加速度传感器放置在上锤头上；因为上下锤头之间的行程和为2400mm，打击过程中由联动杆控制，综合现场工作条件，只需将位移传感器放置于上锤头的侧面25。图2.4 630kj对击锤现场结构图上图所示详细地介绍了对击锤现场环境和打击力能采集设备的基本原理26，本课题所研究的对击锤打击力能采集存储设备的主要组成部分、需求信息采集分析、外围硬件的选型及系统内部结构框图等内容。在宏观上对力能参数采集系统作了概要性的描述27。2.7 本章小结本章节详细地介绍了对击锤现场环境和打击力能采集设备的基本原理，分析硬件系统所需的物件以及系统的研究方案，对整体进行系统评估，结合对击锤的基本原理，对课题所要研究的内容进行了系统的概括。3硬件系统设计3硬件系统设计采用fpga作为控制芯片，为了保证采集系统的准确度和数据量，我们将采用sram作为数据存储器，通信方式采用usb通信来实现数据的传输，使得数据采集测量仪中数据的高速存储得到了保障。加速度和位移作为打击能量的关键参数，因此分别选用压电式加速度传感器和位移传感器进行信号调理转化为ad的模拟输入量，a/d转换完成的数据由fpga芯片进行控制存储到片外存储器sram中，并对多路数据进行排序写入usb芯片fifo缓存， fifo处于满状态后，接收到封帧信号，数据自动挂载到usb总线上，usb传输控制接口芯片选取cypress公司的cy7c68013a，图3.1为系统硬件总框图。鉴于对击锤力能测量系统的分析和评估，本系统主要需具备的技术指标和参数如下：(1) 加速度传感器电压模拟信号范围：0到3v交流信号；(2) ad转换频率：1msps；(3) 被抽样信号的分辨率：12位；(4) 晶振频率：原始有源晶振频率：fn=48mhz；(5) usb2.0芯片外接时钟：fu=24mhz；(6) 系统核心器件选型：1) 模数转换器：ad9226;2) 核心控制芯片：ep1c12q240i8；3) 存储芯片：is61lv51216；4) usb通信芯片：cy7c68013a128；(7)在本硬件系统中，原始输入电源为12v直流电，通过外部接入方式，其他各级电源电压分别为5v、3.3v与1.5v，为整个硬件系统供电29。3.1 fpga外围硬件系统简介为了掌握打击性能和关键部位受力性能，设计了基于fpga的多通道、高速数据采集测测量仪设计方案，系统设计了二组采样通道，对关键打击参数进行数据采集，加速度采集选取压电式加速度传感器实现对对击锤量锤头不同方向的参数采集，第三组利用编码器作为位移传感器获取到在一定时间内的位移的变化，霍尔传感器作为数据采集的触发信号37；经过信号调理，采集模块选用高速模数转换器ad9226实现对加速度的采集，同时选取高速异步存储器is61lv51216作为数据的存储模块，最后利用usb芯片对数据进行上传，传输控制芯片选用cy7c68013a，配置模式为从机模式，平均传输速率可以达到30mb/s；两路数据采集通道，三路数据存储和一个外触发信号并行实现同步数据采集38；参数采集频率为1mhz，系统存储容量为512kbyte。硬件电路的控总控制器选用fpga芯片ep1c12q240c8，它是altera公司生产的cyclone系列28，引脚资源丰富，非常适用于本课题中，在quartusii的编译环境下，编译ad数据采集逻辑，数据sram数据读写逻辑与usb控制fifo缓冲逻辑39，在内嵌逻辑分析仪signaltap下进行逻辑验证，最终在硬件电路板上实现全部功能40。图3.1 系统组成框图fpga外围电路主要功能包括负责传感器数据采集、数据存储与上位机的数据通信与管理、实时多任务控制41。功能模块主要由电源模块、数据采集、霍尔触发、sram数据存储电外围电路、rs232电路搭建、rs485总线，usb外围电路设计、调试模块等组成。fpga系统硬件总框图详见如图3.1所示。各个模块的主要作用如下：电源模块功能：本系统需要不同电压种类的电源，将来自电源板的12 伏电压向5伏、3.3伏、1.8伏等转换。数据采集模块功能：采集电路采集加速度传感器转换的电压信号。将两个锤头的信号模数转换，本模块完成参数采集功能。sram数据存储功能：采集完毕后，进入到系统的存储阶段，将ad转换的参数数据存入sram中，完成存储数据的作用。usb2.0数据总线通信模块设计：usb2.0数据通信接口，采用cy7c68013a是cypress公司ez-usb fx2lp系列芯片中比较经典的一款usb控制器完成与fpga的通信42。串口通信功能：预留rs232串口通信，作为设备的前期调试接口、由于现场环境高温，高压，强震，不易靠近，预留rs485接口设备的下发和握手命令。3.2设备电源模块设计由于测量系统供电采用12v直流供电，采用lm2596开关电压调节器，可以输出3a的驱动电流30，同时提供固定5v电压输出，封装选取to-263标贴式封装，可以输出5v直流电压，如图3.2所示，四脚feedback提供反馈，可以得到5v直流输出电压，为了减少输出纹波电压，降低到输出电压的1%以下，必须选用一个耐压值更高的电容，因此采用25v耐压值的输出电容可以将输出纹波降低一半。图3.2 12v转5v电路由于fpga选用芯片为ep1c12q240i8。芯片需要两种电压供给电源，i/o口电压3.3v和内核电压1.5v，因此选用两款稳压芯片得到对应的电压。由于fpga作为系统的核心，供电电源芯片的选择非常重要，如图3.3所示分别是lm1117-3.3v和lm1117-1.8v。图3.3 5v转3.3v转1.5v电路由于本测量仪系统处理器需要两种不同的电压信号，这两种信号又要被分为模拟和数字两类，由于fpga系统38对于电源的要求很高，因此，需要将模拟信号与数字信号进行有效的隔离，本系统用到多种信号源，数字地与模拟地，为了确保参数采集的可靠性和准确性，在系统中加入两个电容和两个电感实现对信号源的隔离，同时，在每一种类型的电源与地之间并联多个电容进行滤波。3.3数据采集接口设计ad采集是本课题数据分析的第一步，将加速度信号转化为数字信号，通过fpga进行数据流控制，对ad转换器的启动，停止，数据的流向进行控制，ad转化器选用高速ad9226作为前期采集芯片，其最高采样频率可以达到65msps ，ad9226由3.3v供电、12位分辨率（附加移位溢出指示位）、低功耗（475mv），同时具备高信噪比（69db），由于原始时钟为48mhz，本设计将其分频得到的1mhz，周期为1us作为模数转化的采样频率。图3.4 ad9226外围电路设计 如图3.4所示，为ad采集硬件电路设计，将12位数字信号直接与fpga引脚相连，根据该芯片使用手册同时结合课题需求，将ad9926的工作方式设置为单点输入模式，模拟电压输入信号范围在0v3.3v,将vina端接入模拟输入信号，vinb端接vref，参考电压vref配置为2v，可以使其存在+2v的偏置电压，设计搭建完整的ad采集外围电路。3.4数据存储接口设计在ad采集硬件电路设计完成后，需要对存储电路进行分析与设计，首先fpga内部具有存储器资源，但受到课题存储程度的要求，需要外扩大容量高速异步存储器才足以完成课题要求31，课题选用is61lv51216高速异步存储器sram作为对击锤力能参数采集的存储芯片，其存储容量为512kbyte，16位数据总线，18位地址总线，由于ad采样时间为1us，因此将存储器存储时间设计为524.288ms，鉴于fpga片内逻辑电路并行执行的特点，两路ad并行进行数据采集，将上下锤头的运动物理量加速度分别存储到相应的sram中，同时将数据写满，由于fpga引脚资源有限，将三片sram芯片的数据总线与地址总线进行服用，通过片选信号将其分开，通过这种硬件处理，大大节省了硬件资源，同时减少了pcb布线的难度，同时提高了系统的稳定性，实现多片级联，从而实现数据的存储功能，达到高速存储，同步的技术指标。如图3.5所示。图3.5 sram外围电路设计3.5 rs232与rs485通信接口设计打击现场振动大，高温、高压、危险性很高，因此期间不能靠近采集设备，因此需要人机握手命令便于调试分析，设备预留rs232接口和rs485接口45，串口下发命令，通知下位机上发存储数据和相应握手命令，如图所示，由于调试间距离打击锤设备距离较远，为了防止误码，因此485采用9600bps，由于fpga为lvttl电平，因此需要max202和max3483epa作为电平转换芯片，两组电路设计如图3.6(a)和图3.6（b）所示其中232电路中需要加入4个电容作为滤波使用。图3.5（a） max3485原理图图3.6（b）rs232原理图max202使用单一+5v供电，正常工作时仅需要外接4个0.1uf的