（检测技术与自动化装置专业论文）基于niosⅡ的纵向振动测试仪的开发与设计.pdf

基于n i o si i 的纵向振动测试仪的开发与设计 摘要 振动监测和分析是当前机械设备故障诊断中常用方法之一。随 着嵌入式计算机技术及可编程技术的高速发展，小型化和智能化测试 仪将成为设备故障诊断系统的发展方向。 a l t e r a 公司近年来推出的3 2 位r s i c 处理器软核n i o si i 是专用 于s o p c ( s y s t e m o np r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 的c p u ， 它的可配置特性给嵌入式设计带来了更大的灵活性，为嵌入式设计提 供了一种全新的思路。用户利用a l t e r a 公司提供的q u a r t u si i 、s o p c b u i l d e r 和n i o si ii d e 等开发软件，可方便快捷地完成s o p c 的开发， 使电路的设计趋向软件化，系统的升级换代变得更加便利。 本文以设备运行中产生的“连续不断的纵向振动为监测目标 源，设计了基于n i o si i 的小型智能振动测试仪。在设计中，根据对 象“连续无间断 的振动特点，采用了非接触式的基于传感器相对位 移的振动测试方法。该方法利用传感器自身相对位置的变化来获得传 感器的传输特性曲线，并根据获得的特性曲线实时监测振动目标的振 动参数。该测试方法的测试精度高，抗干扰能力强，对传感器线性特 性的要求低，具有一定的工业应用价值。 本文所研究的振动测试系统的整体设计主要分硬件和软件两部 分。在硬件设计中主要完成n i o si ic p u 及其外围电路的设计；高精 度a d 数据转换电路的设计；振动信号采集模块的设计；f i r 数字滤 t 波器的设计；以及由步进电机带动的传感器位置控制电路的设计与脉 冲发生器模块的设计。其中f i r 数字滤波器在a l t e m 公司的d s p 开 发工具咖s pb u i l d e r 中完成，这是一种新型的d s p 设计方法，设 计过程简单，快捷，易于升级。振动测试系统的软件开发则主要是在 n i o si ii d e 集成开发环境中实现，它主要包括振动参数的计算、特 性曲线的校正、显示与报警控制等模块的设计。整个测振系统在d e 2 开发板上调试，达到预期的基本设计要求。 基于n i o si i 的智能振动测试仪设计方案，不仅可以实现功能的 高度集成，提高系统的运算速度，稳定性和抗干扰性，同时还能够应 用软硬件协调的设计方法和n i o si i 软核c p u 的可配置性，实现系 统硬件结构的实时更新，极大地提高了系统设计的灵活性和功能的可 扩展性。 关键词：s o p c ，f p g a ，n i o si i ，d s pb u i l d e r , 传感器特性白校正 t h ed e v e l o p m e n ta n dd es i g no fv e r t i c a l b r a t i o nm e a s u r e m e n tb a s e do nn i o s i i a b s t r a c t v i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n da n a l y s i si sac o m m o nm e t h o di nt h ef a u l t d i a g n o s i so fm e c h a n i c a le q u i p m e n t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f e m b e d d e dc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h ep r o g r a m m a l b l et e c h n o l o g y , m i n i a t u r i z e da n di n t e l l i g e n t i z e dd e v i c e sw i l lb e c o m et h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ff a u l td i a g n o s i ss y s t e m t h e3 2r s i cc o n f i g u r a b l es o f t - c o r ep r o c e s s o rn i o s1 1w h i c h s u p p o r t e db y a l t e r a c o m p a n y i sac p uu s e df o rs o p c i t s c o n f i g u r a b i l i t yo f f e r st r e m e n d o u sf l e x i b i l i t yf o re m b e d d e dd e s i g n s oa s o p cs y s t e mc a nb ea c c o m p l i s h e dc o n v e n i e n t l ya n dq u i c k l yb yu s i n g a l t e r aq u a r t u si i ，s o p cb u i l d e ra n dn i o si ii d es o f t w a r e a sar e s u l t ， h a r d w a r ed e s i g ni sm o r es o f t w a r i n gt h a nb e f o r e ，a n ds y s t e mu p g r a d e si s m o r ea n dm o r ec o n v e n i e n t i nt h i sp a p e r , ah a n d l ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n tb a s e do nn i o s1 1 w h i c hw a su s e df o rm o n i t o r i n g “c o n t i n u o u sv e r t i c a lv i b r a t i o n w a s d e s i g n e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r so fv i b r a t i o n ，an o n 。c o n t a c t a m p l i t u d em e a s u r e m e n tm e t h o db a s e du p o n t h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n to f t h es e n s o rw a sa d o p t e d ，w h i c ho b t a i n st h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s e n s o rb yt h er e l a t i v ep o s i t i o nc h a n g eo fc o n t r o l l a b l es e n s o r t h e nt h e p a r a m e t e r so fv i b r a t i o no b j e c t w e r er e a l t i m em o n i t o r e dt h r o u g ht h e t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h i sm e t h o dh a sh i g hp r e c i s i o n ，s t r o n g a n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c e ，a n ds o m e v a l u ei nt h ei n d u s t r ya p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ev i b r a t i o nt e s ts y s t e mm a i n l yc o n t a i n e dh a r d w a v e d e s i g na n ds o f e w a v ed e s i g n i nh a r d w a v ed e s i g n ，t h e r ew e r e n i o si ic p u a n di t sp e r i p h e r a l s ，h i g n - p r e c i s i o na dc o n v e r s i o nc i r c u i t ，v i b r a t i o n s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，f i rf i l t e rm o d u l e ，s e n s o rp o s i t i o nc o n t r o l c i r c u i ta n dp u l s eg e n e r a t o rm o d u l eu s e df o rs t e p p e rm o t o r d i g i t a lf i l t e r w a si m p l e m e n t e db yan e wd s pd e s i g nm e t h o dw h i c hi su s e da l t e r ad s p d e v e l o p m e n tt o o l s d s pb u i l d e r t h ed e s i g nm e t h o dw a ss i m p l e ，f a s t a n de a s yt ou p g r a d e t h ev i b e r a t i o nt e s ts y s t e ms o t h v a v ed e v e l o p m e n t w a sc o m p l e t e di nt h en i o si ii n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，w h i c h m a i n l y i n c l u d e dv i b r a t i o np a r a m e t e rc a l c u l a t i o n ，t h e t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i ca c q u i r e m e n t ，t h ed i s p l a ya n da l a r mc o n t r o lm o d u ld e s i g n a n da sw e l l t h ew h o l es y s t e mw a sd e b u g g e ds u c c e s s f u l l yo nd e 2 d e v e l o p m e n tb o a r d ，a n ds a t i s f i e dt h ee x p e c t e de x p e r i m e n tr e q u i r e m e n t t h ei m p l e m e n to fi n t e l l i g e n tv i b r a t i o ni n s r u m e n tb a s e do nn i o si i h i g n l yi n t e g r a t e s v a r i o u sf u n c t i o n a lm o d e sa n dg r e a t l yi n c r e a s e st h e c o m p u t e ds p e e d 、s t a b i l t ya n da n t i - j a m m i n ga b i l i t yo f t h es y s t e m a n dt h e 一 h a r d w a r es t m c t u r eo ft h es y s t e mc a nb er e a l t i m eu p g r a t e dc o n v e n i e n t l y b y t h ei n o s c u l a t e dd e s i g nw i t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n dt h e c o n f i g u r a b i l i t yo fn i o si ic p u ，w h i c hg r e a t l yr e i n f o r c e st h ed e s i g n f l e x i b i l i t ya n df u n c t i o n se x t e n s i b i l i t y c h e nh o n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cd e v i c e ) s u p e r v i s e db y k e yw o r d s ：s o p c ，f p g a ，n i o si i ，d s pb u i l d e r , t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs e n s o rs e l f - t u n i n g v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 各年 膨晚 i 月舌日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：r 碍乙 日期：湛年乃月易1 日 指导教师签名：霍馨蹉 e la n ：口3 年弓月占e l 基于n i o si i 的纵向振动测试仪的开发与设计 1 1 嵌入式系统的概况 第一章概述 随着社会的日益信息化、网络化，嵌入式系统已经渗透到日常生产生活的 方方面面，不论是m p 3 ，p d a 、手机等微型数字化产品，还是智能家电、工厂 智能控制系统等大型设备，都可看到嵌入式系统的身影。目前，各种各样的嵌入 式系统设备在应用数量上已经远远超过各种通用计算机【1 1 。 1 1 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用 应用系统的对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 它是面向用户、面向应用、面向产品的；它是先进的计算机技术、通信技术、半 导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术以及与各个行业具体应用相结合 的产物。 个完整的嵌入式系统主要由硬件体系、软件程序和系统工程三部分组成 【2 】 嵌入式硬件体系是整个嵌入式系统的建构基础，是系统工程方案和软件程序赖以 存在的根基。嵌入式硬件体系设计的优劣直接影响到整个嵌入式系统的稳定可靠 程度、工作性能的实现和成本价格等方面。它涉及到模拟电路、数字电路、微电 子技术、微计算机技术、传感器测量变换技术、机电传动控制技术等等各类的电 子电路与技术。嵌入式硬件体系的核心是嵌入式处理器，此外还有存储器、各类 接口、测量控制电路等其他组成部分。 嵌入式系统的软件程序是实现嵌入式系统功能的关键，它包括操作系统和 应用程序两大部分。其中操作系统通常指的是多任务嵌入式操作系统l h o s ( r e a l t i m eo p e r a t es y s t e m ) ，它是知识集成的平台，是嵌入式系统走向工业标准化道 路的基础，是嵌入式系统研究的重要方向。 系统工程是嵌入式系统进行测量、控制、监视时所遵循的数学模型，常用 第一章概述 的有经典的数学模型、模糊控制模型以及经典数学测控和模糊控制交织在一起的 混合控制模型。系统工程表现为各式各样的测量、控制或监视方案，常常涉及一 个或几个复杂的数学算法及其简化处理。 目前，嵌入式系统己逐步发展成为一门学科，朝着系统化和规范化的方面 发展。嵌入式系统学科和产业的发展使得设计人员能够从容地面对越来越复杂的 应用需求，通过软、硬件的模块化设计大大地简化和加快了应用系统的开发过程。 1 1 2 嵌入式系统的分类 各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统设计的核心部分，也是各个生产商 竞争的热点，因而，嵌入式系统通常根据处理器的不同进行分类。 嵌入式处理器根据不同的功能可以分成以下几类： ( 1 ) 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。它是将整个计算机系统集成到一块 芯片中，同时它的片上外设资源一般比较丰富，适合控制。它的特点是单片化， 体积大大减少，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的品种和数量繁 多，是目前嵌入式系统工业的主流。 ( 2 ) 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，通过对系统结构和指令算 法方面的特殊设计，使其适合执行d s p 算法，具有很高的编译效率和指令执行 速度。因而在数字滤波、f f t 、频谱分析、等方面，d s p 获得了大规模的应用。 ( 3 ) 嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 由通用计算机中的c p u 演变而来的嵌入式微处理器，在应用中保留和嵌入 式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余部分，以最低的功耗和资源满足嵌 入式应用的特殊要求。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ， s o c ) 片上系统是追求产品系统最大包容的集成器件，是当前嵌入式应用领域的 技术热点。s o c 是信息系统的芯片集成，它将系统集成在一块芯片上。它的出 现使集成电路发展成为集成系统，整个电子整机的功能可以集成到一块芯片中。 s o c 具有系统集成度高、体积小、功耗低、结构简洁、可靠性高、开发迅速等 基于n i o si i 的纵向振动测试仪的开发与设计 特点，很好的满足了未来的嵌入式系统在硬件上的需求。因而，基于s o c 的嵌 入式系统将是未来嵌入式系统的主流实现方式【3 1 。 此外，嵌入式处理器还有硬核和软核之分，常用的嵌入式处理器硬核有 a r m 、p o w c r p c 、i n t e l x 8 6 和m o t o r o l a 6 8 0 0 等；嵌入式处理器软核以a l t e r a 公 司开发的第一代n i o s 和第二代n i o si i 为代表。和硬核相比，软核的使用更为 灵活方便。 i 1 3 嵌入式系统的现状与发展趋势 从1 9 7 1 年i n t e l 公司率先推出的第一片微处理器i n t e l4 0 0 4 到至今，嵌入式 系统已经有三十多年的历史。随着计算机技术的发展，嵌入式系统在全球范围内 经历了迅速蓬勃的发展，它的应用领域已涉及到生产生活的各个方面。 嵌入式系统是典型的软、硬件混合系统，它的产品一般都包括嵌入式处理 器和相应的控制软件。在7 0 年代，嵌入式处理器以8 位、1 6 位的微处理器为主， 如i n t e l 的8 0 8 0 、8 0 8 6 等。这些微处理器为核心构成的嵌入式系统，广泛应用于 工业仪器仪表、医疗设备、机器人和家用电器等领域。8 0 年代，随着微电子工 艺水平的提高，集成电路制造厂商开始把微处理器与外围i o 、a i d 、d a 、串口、 r a m 和r o m 相结合起来，集成到一块芯片上，构成了面向i o 设计的微控制 器，即单片机。单片机的出现使得嵌入式系统应用更方便、更小型化，推动了嵌 入式系统在仪器仪表、电脑配件、智能设备上的应用。到了9 0 年代，单片机、 微处理器的性能又得到了很大的提高，以d s p 、a r m 等3 2 位处理器为代表的 面向特定应用、高性能微处理器纷纷推出，在分布控制、柔性制造、数字化通信、 数字化家电和个人数字助理等领域得到了广泛应用【4 】。目前，嵌入式系统进入全面 应用的阶段，已经成为通信和消费类产品的共同发展方向。近年来，嵌入式微处 理器正朝着高速、高集成度和低功耗方向发展。片上系统( s y s t e mo n ac h i p ，s o o 设计使得嵌入式系统体积做得更小，功耗大幅度降低，成为未来嵌入式系统的主 流方向。 早期由于系统功能单一，嵌入的软件部分都是由厂家自己单独设计的代码 组成，不区分操作系统和应用程序，软件整体就是一个模块，非常简单。但随着 应用的扩大，系统越来越复杂，尤其是高档的嵌入式微处理系统。对于这种复杂 第一章概述 的、多任务并行的系统，单一的软件开发难度比较大，且扩展性差，并不易修改。 在2 0 世纪7 0 年代的后期开始出现嵌入式操作系统，它主要采用汇编语言方式编 写，可移植性差。在c 语言出现后，操作系统开始采用一种高效的、稳定的和 可移植的方式来编写。目前，随着嵌入式系统在通讯、数字化仪表、手机和p d a 等方面的应用，嵌入式操作系统得到了广泛应用，并出现了许多复杂程度不同的 嵌入式操作系统。同时，围绕几种主流嵌入式操作系统的应用和发展，对于嵌入 式系统应用软件的研究也逐步展开，在操作系统的支持、多任务且具有实时性、 强大的联网功能以及窗口交互功能等方面得到了很大的发展。 此外，嵌入式系统除了在硬件体系和软件方面得到的长足发展外，在系统 工程方面也获得了巨大的发展。嵌入式系统中用于测量、控制、监视的各类算法、 控制模型基本上是通过软件编写的方式实现的，故而一般被视为嵌入式系统软件 的一部分。随着近年来各种新兴技术迅速蓬勃的发展，各类算法、模型在嵌入式 系统中发挥着越来越重的作用。一个有效、合理的算法或模型可以使整个系统从 性能、效率、稳定型等各方面得到很好的提升。目前，较为常用的有数学模型和 和模糊控制模型，其中由于模糊控制技术具有处理不确定性、不精确性和模糊信 息的能力，对无法建构数学模型的被控过程能进行有效的控制，能解决一些用常 规控制模型无法解决的问题，因而模糊控制在工程领域更是得到了广泛的应用 【5 】。此外，如人工神经网络、专家系统、遗传基因、仿人控制等一些较为先进的 模型与算法也被越来越多的应用到各类系统当中。 1 2 振动测试技术 振动是指在平衡位置( 或平均位置) 附近往复的运动，是一种带有普遍意 义的物质运动形式。振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象，从自然界到 工业领域，振动现象随处可见，如桥梁、机床的振动，钟锤的摆动，飞机机翼的 颤动等等。 1 2 1 振动对工程应用的影响 在日常生活和工业生产中，振动会给人类带来严重的危害。比如，振动会 影响到机器的正常运转，使机床的加工精度、精密仪器的灵敏度下降，严重的还 基于n i o si i 的纵向振动测试仪的开发与设计 会引发机械或建筑结构的毁坏。此外，振动还会引发噪音，污染环境。美国空军 对沿海基地使用的产品故障调查表明，振动引起的故障占2 7 ；我国某部曾对 机载产品失效情况进行分析统计，总故障中5 2 7 是因环境因素引起的，其中 振动引起的故障占环境因素引起的故障的2 1 6 6 1 。由此可见，振动故障在机 械故障中所占的比例十分高，在工业生产中振动带来的危害不容忽视。因此， 掌握机械振动的理论，正确的运用或是有效地抑制、防止振动带来地危害都是十 分必要的。 1 2 2 振动测试技术 振动测试技术是讨论如何用实地测量或模拟试验的方法来观察、研究机械 系统的振动特性，并分析产生振动的原因以及承受振动的能力等。因此振动测量 和分析在机械工程和工程结构部门中有着广泛的应用。它综合了传感器、电子学、 信号分析以及现代结构振动理论等多方面的学术成果，形成了自身的理论、方法、 实践技术和学科体系。从某种意义上说，振动测试和分析不仅是一门应用性学科， 而且也应属于与当代新技术紧密相连的高科技学科范畴。 一、振动测试技术的发展史与现状 振动测试技术作为解决工程振动问题的一种有效的手段，早已被人们利用， 它经历了如下发展过程。 二十世纪2 0 - 3 0 年代，机器的振动问题主要依靠技术人员的经验和技巧解 决，人们利用原始检测手段来判断机器工作是否正常。由于缺少检测振动的仪器， 不能测得与振动性能有关的参数；由于计算手段不完善，不能进行可靠的动力学 分析，所以常常根据实际经验取得数据列出表格，作为机器振动分析的参考。 二十世纪4 0 年代即第二次世界大战期间，由于大量军事装备的可靠性要求 高，需要对这类设备或产品进行检查和诊断，因此振动检测仪器的重要性逐渐被 人们所认识。各类电传感器和记录仪的出现，能够测量振动和疲劳应力等参数。 随后出现的能够分析复杂振动信号的分析仪，进一步推动了振动理论的研究【s 】。 二十世纪6 0 7 0 年代，数字电路、电子计算机发展很快，随着计算机进入信 号处理与分析领域，测试技术出现了一个新的分支“数字信号处理与分析技 术”。这种技术建立在快速傅里叶变换基础上，采用非时域特征的函数分析，深 第一章概述 入描述物体的运动性质和动态过程，大大提高了计算速度，提供了对各种物质运 动的分析和识别信息。在这一时期，各种基于数字信号处理原理的频率分析仪， 及其它以微处理器为核心的多功能信号分析仪大量涌现，大大加强了振动信号时 域及频域的分析功能。 二十世纪7 0 8 0 年代，数字信号特征提取的方法取得了长足进步，同时，国 内外专家针对传统傅里叶变换的频率分辨率不高、谱图有畸变、随机起伏明显、 不光滑、不适于短数据的缺点，陆续研究出许多分辨率较高、可完成频率局域性 分析的现代频谱分析方法。这些数字信号处理的方法为准确分析振动信号，实现 故障诊断提供了充分的理论依据。 二十世纪9 0 年代到至今，随着科技发展及诊断理论和方法的深入研究，计 算机软件的大量开发，振动测试技术无论在理论上还是技术上都发生了重大的变 化，它已成为解决结构设计、设备运行、故障检测等不可缺少的手段。 近几年来，振动测试技术在国内外都得到了飞速发展，在市场上也出现了 各式各样的振动测试仪表，为故障检测技术的发展提供了有力的工具。比如，可 采用测振法来检测机器噪声的大小。德国的b b c 公司曾花费了巨资研究振动法， 并成功地将此项技术用于接触器的现场噪声检测上；美国经过多年的研究，已经 在海军m i l 标准中规定用振动法来测定微电机的噪声；v i b - 4 型电脑振动噪声 测量仪就是我国生产的一款通过测振法来测量机器噪声量大小的新型仪器仪表。 二、振动信号的测量 振动信号量一般是指振动位移、振动速度和振动加速度这三种量，是振动 测试中最基础的参数，三者存在着确定的微积分关系。因此，从理论上看，测知 其中一种运动量，便可通过计算或通过微分或积分电路来加以处理求得另外两种 运动量【9 】。一旦测得了振动的基本参数后，就可通过计算机或其他电路对振动信 号进行分析和计算。如在时域范围，可计算振动信号的有效值、峰值和相位值， 求取其概率密度、概率分布，自相关和互相关函数；在频域范围，可求取信号的 自谱密度、互谱密度、倒谱以及传递函数或频响函数等，从而为振动分析提供了 更加广泛的依据。 然而在实际测量工作中，由于位移、速度的或加速度传感器及其后续仪表、 微分或积分电路特性等方面的差别，引起误差是不同的。因而，具体选择什么振 基于n i o si i 的纵向振动测试仪的开发与设计 动参数要根据需求来确定，如位移研究的是强度和变形，它直接与机件的变形有 关；加速度与作用力或载荷有关，研究的是机械的疲劳、冲击等问题；噪声的大 小、人对机械振动的敏感程度在很宽的频率范围内与振动速度成正比。此外，振 动信号量的选择与频率的大小也有一定的关系。一般说来，在频率较低时，加速 度数值不大，宜测量位移；而频率较高时，加速度数值很大，宜测量加速度；在 中等频率时，则宜测量速度 9 1 ，如表1 一l 所示： 表l l 不同频段下振动参数的选择 频率范围( h z ) l 一5 05 0 1 0 0 0l 0 0 0 以上 振动参数位移速度加速度 振动信号量的测量方法，按测量过程的物理性质又可分为三类：机械测试 法，光测法和电测法【6 ，1 0 】。机械测试法利用杠杆结构进行信号放大，把振动波形 通过笔尖直接记录到运动的纸带上。这种方法抗干扰性能比较强，结构简单，频 率范围和动态线性范围窄，但是灵敏度低，测量的振幅不能太小。光测法利用光 杠杆原理、光波干涉原理、激光多普勒效应和光纤等进行测量。这些方法不受电 磁场干扰，测量精确度高，适用于对质量和体积小、不易安装传感器的试件作非 接触测量，主要是在实验室内用于精密测量或传感器、测振仪的校准和标定【l 。 电测法的原理是将被测振动信号转换成电信号，电信号经过系统放大或衰减后进 行测量、记录与分析。这种方法灵敏度高，测量范围广，频率范围和动态范围宽， 便于分析和控制，但是这种方法易受电磁场的干扰【1 2 】。目前应用的最为广泛的 便是电测法，本论文中所设计的基于n i o si i 纵向振动测振仪就是基于电测法的 原理对振动信号进行测量的。 上述三种测量方法的物理性质虽然各不相同，但是组成的测量系统基本相 同，它们都包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节【6 】。 ( 1 ) 拾振环节。把被测的振动信号量转换为机械的、光学的或电信号的过 程，完成这项工作的器件叫传感器或拾振器。 ( 2 ) 测量线路。针对各种传感器的变换原理所设计的各种用于信号测量的 电路，以及相应的辅助电路，如积分线路，微分电路、滤波电路、归一化装置等 盘& 宇o ( 3 ) 显示及记录环节。从测量线路输出的信号，可按测量的需要送给显示 第一章概述 仪器、记录设备以及信号分析仪等。 1 3 本文研究的主要内容 本文针对特定的工业振动目标“连续不断振动物体的纵向振动 ，采用一种 对振动环境和拾振传感器特性要求不高的，非接触式振动测试方法，并以目前较 为流行的嵌入式系统以n i o s 系列处理器为核心的可裁减s o p c 系统为基础， 设计了一款非接触式的智能振动测试仪。 振动测试系统一般包括拾振、测量线路( 包括放大、a d c 、滤波等处理) 以及分析和记录三个环节，故而本课题的振动测试系统可由以下几个模块组成： ( 1 ) 测振传感器模块 测振传感器是整个测振系统中振动信号量的检测元件，该元件的选取对后 续电路有着重要的影响。 ( 2 ) 信号前置处理和a d 转换模块： 将传感器输出的模拟信号前置放大后，送入到a i d 电路转换成数字信号， 以备后续电路使用。 ( 3 ) 数据采集与信号滤波模块： 系统通过采集模块获得输入信号后，就可送到微处理器中进行信号的分析 与处理。由于测量环境中一般存在着各种干扰，故在信号分析与处理之前，加入 一滤波电路以抑制环境中可能存在的各种干扰信号。 ( 4 ) 振动的测试、分析与显示、报警模块： 这一模块是整个系统的核心部分，它主要用于实现振动信号的测量，处理、 分析以及相应的显示和报警控制。该模块的电路主要通过f p g a 和n i o si i 嵌入 式处理器控制实现，同时在设计过程中配以丰富的i pc o r e 。 基于n i o si i 的纵向振动测试仪的开发与设计 第二章基于s o p c 的n i o si i 处理器系统与d s p 技术 2 1s o p c 技术 近年来，深亚微米制造技术、设计技术发展迅速，集成电路已进入片上系 统s o c 时代。s o c 从广义上讲就是将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电 路、存储器以及微处理器m p u 、m c u 、d s p 等集成到一块硅片上，形成一个完 整的电子系统。s o c 的核心技术是i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 复用，这种可重用 的口核的大量运用，使设计效率和可靠性大大提高【1 3 】。 s o c 通常是以专用集成电路a s i c 为物理载体的。由于可编程逻辑电路 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的迅速发展，为s o c 提供了另一种物理载体， 即f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) 类芯片。这种基于f p g a c p l d 的s o c 称为s o p c ( s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ) ，它将包括存储器、信号采集和转换电路、d s p 、c p u 核等 模拟、数字和混合电路构成的一个完整的电子系统集成到一片超大规模可编程芯 片中。s o p c 为s o c 的实现提供了一种简单、易行而又成本低廉的手段，极大 地促进了s o c 的发展。s o p c 与基于a s i c 的s o c 相比，系统及开发技术都具 有更多特色。s o p c 的设计周期短、产品上市速度快、设计风险和设计成本低、 集成度高、灵活性大、可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件的在系统可编程 功能【1 4 15 1 。 s o p c 是一种新的系统设计技术，也是一种新的软硬件综合设计技术【1 6 】。 它通常以各种模块的复用设计，借助图形或硬件描述语言为主要设计手段，在 e d a 工具上进行。s o p c 使得电子系统的设计者并不需要过多的关注半导体集成 工艺，只需在e d a 工具的帮助下完成整个系统的从行为算法级( 系统级) 到物 理结构的全部设计，并最终在f p g a 上实现即可【1 。7 1 。 s o p c 技术是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的 开发工具。目前，构成s o p c 的方案有多种途径，主要有以下类型【l 8 】： ( 1 ) 基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 系统 嵌入口硬核的s o p c 系统就是在f p g a 中预先植入嵌入式系统处理器。目 第二章基于s o p c 的n i o si i 处理器系统与d s p 技术 前最为常用的嵌入式系统大多采用含有a r m 的3 2 位硬核处理器器件，同时为 了使系统更为灵活完备，功能更为强大，对更多任务的完成具有更好的适应性， 通常还为此处理器配置许多接口器件。这种将a r m 或其口核，以硬核方式植 入f p g a 中，利用f p g a 中的可编程逻辑资源和口软核的方式，就可很好解决 由于系统的庞大造成的体积、功耗增加以及系统可靠性降低的问题。 ( 2 ) 基于f p g a 嵌入i p 软核的s o p c 系统 将口硬核直接植入f p g a 中的解决方案存在几点不足：因知识产权费用导 致器件价格的偏高；硬核的预先植入致使处理器结构的不可更改；无法通过裁减 处理器硬件资源来降低成本；只有在特定的f p g a 中使用硬核嵌入式系统等等。 如果利用软核嵌入式系统处理器就可有效地克服上述不利因素。 目前最有代表性的软核嵌入式系统处理器分别是a l t e r a 公司的n i o s 和 n i o s l i 核、x i l i n x 公司的m i c r o b l a z e 核等。特别是n i o s l ic p u 系统，很好地弥补 了上述几方面的不足。在植入( 配置进) f p g a 前，用户可根据设计要求，利用 q u a r t u si i 和s o p cb u i l d e r ，对n i o s 或n i o si i 及其外围系统进行构建，使该嵌 入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。 只要f p g a 的资源允许，n i o s 核或n i o si i 核在同一f p g a 中被植入的数量没有 限制；此外，可植入n i o s 核或n i o si i 核的a l t e r af p g a 的系列几乎没有限制。 另外，就成本而言，由于n i o s 和n i o si i 是由a l t e r a 公司直接推出而非第三方产 品，故用户通常无需支付知识产权费用，n i o s 和n i o si i 的使用费仅仅是其占用 的逻辑资源费。因此，选用的f p g a 越便宜，n i o s 和n i o si i 的使用费就越低。 同时，通过直接使用v h d l 等硬件描述语言，用户可为n i o s 或n i o si i 嵌入式处 理器设计各类加速器，并以指令的形式加入n i o s 或n i o si i 的指令系统，从而成 为n i o s 或n i o si i 系统的一个接口设备，与整个片内嵌入式系统融为一体。 ( 3 ) 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统 h a r d c o p y 技术是一种全新的s o c 级a s i c 设计解决方案，将专用的硅片设 计和f p g a 向专用集成电路自动迁移过程结合在一起的技术。h a r d c o p y 器件把 大容量的f p g a 的灵活性和a s i c 的市场优势结合起来，实现在对于有较大批量 要求并对成本敏感的电子系统产品上，从而避开了直接设计的困难。本质上， h a r d c o p y 器件是f p g a 的精确复制，剔除了可编程性、专用配置和未用资源， 基于n i o si i 的纵向振动测试仪的开发与设计 并采用金属互连使用的走线。这样，器件的硅片面积就更小，成本就更低，而且 还改善了时序特性。 2 2n i o si i 处理器系统简介 2 2 1n i o sh 嵌入式软核处理器 n i o si i 处理器是a l t e r a 公司推出的一种面向用户的、可以灵活定制的通用 3 2 位r i s c 软核嵌入式处理器。具有提供全3 2 位的指令集和地址空间、3 2 个 通用寄存器、丰富的中断资源、5 级流水线处理结构、可配置的缓存、哈佛结构、 可配置的乘法器、自定义指令等特性【1 9 】。 n i o si i 处理器有三种类型的内核，用于满足不同的设计要求，分别是快速 型、经济型和标准型。快速型n i o sh 内核具有最高的性能，经济型n i o s l i 内核 具有最低的资源占用，而标准型在性能和面积之间做了一个平衡【2 0 1 。一个典型 的处理器内部结构如图2 1 所示。 图2 1n i o si i 处理器结构图 n i o si i 处理器是用h d l 语言编写的，在f p g a 内部利用通用的逻辑资源实 现，所以在f p g a 内部实现嵌入式系统具有极大的灵活性。n i o si i 系统常常应 用在一些集成度高，对成本敏感，以及功耗要求低的场合。n i o si i 是一个可灵 活配置的软核处理器，它不是一成不变的，用户可以根据自己设计的性能或成本 第二章基于s o p c 的n i o si i 处理器系统与d s p 技术 要求，灵活地增加或裁减一些系统特性和外设，甚至还可在系统中放置多个n i o s i i 处理器内核，以满足应用需求。 2 2 2n i o si i 嵌入式软核处理器系统的构成 “n i o si i 处理器系统是指，在一个芯片上包含一个或多个可配置n i o s c p u 软核、与c p u 相连接的片内外设和存储器，以及与片外存储器和外设相连 的接口等。所有组件在一个f p g a 芯片上实现，所有的n i o si i 处理器系统使用 统一的指令集和编程模型【2 1 2 2 1 。 一个典型的n i o si i 嵌入式软核处理器系统如图2 2 所示。在图中，整个 n i o si i 嵌入式软核系统包括n i o si i 处理器内核( 包括调试模块) 、a v a l o n 交换总 线、系统外设和片内用户逻辑。在系统外设中，如s d r a m 控制器、片内r o m 、 三态桥、u a r t 、定时器、l c d 显示驱动电路、通用y o 、以太网接口和c o m p a c t f l a s h 等都是由f p g a 内部逻辑和r a m 资源实现的。 j t a g 连到 软件调试器 时钟复位 山a l t 啪f p g a 硬件辅助 调试模块 通用异步串行收l 辑用 鞠 。 擞据。发器( u a r t ) 卜r x d 指户 器 令逻 = r督令 o 定时器 l s d r a mk -1 s d r a m 控制i 。 h | m 嘘蟊驱动电卜 。ll c d 显 叫器i 舌 7 l示屏 孑 巴 内 一通g u o 卜一蕊 部 “ n l ， 。 交 厅网k u m 换 1 7 i c 伽p 口f 1 础厂卜卜一c f 卡 总 线 s r a m h i 以太网接口 卜叫以太网 f l 鹊h h l 三态桥 卜 - _ ( 片内用户逻辑) 图2 2n i o s 处理器系统的典型构架 a v a l o n 总线是s o p c 设计中连接片上处理器和其他d 模块的一种简单总线 协议，规定了主、从构件之间的端口连接以及通信时序关系【2 3 ，2 4 1 。使用a v a l