【电子信息工程】基于dsp的扭振检测模块硬件设计

基于DSP的扭振检测模块硬件设计,本课题总体目标,实现以DSP处理器为核心，首先通过FPGA控制A/D采集输入的调制信号，然后将其经过FIR带通滤波器处理后储存在FPGA芯片中的双口RAM中，再由DSP提取处理，用希尔伯特变换算法对信号进行频率解调，最后由DSP的USB接口输出解调后的数据，从而能准确分离出扭振信号，实现对扭振信号的检测。,扭振检测方案的设计,本模块采用FPGA与DSP的结构，其中FPGA主要负责控制A/D信号采集与数据缓冲，DSP主要是进行数据处理，进行希尔伯特变换和频率解调，由于希尔伯特变换只能处理窄带信号，所以在信号采集后存入双口RAM前要经过FIR带通滤波器处理，然后由DSP提取双口RAM中的信号进行数据的处理，最后通过DSP的USB接口将处理好的数据传至主控计算机。编码器输出的是低电平1V、高电平7V的脉冲信号，所以需要对信号调理整形使其与A/D相匹配，A/D转换芯片选用的是AD公司生产的AD7492。FPGA主要功能是控制信号采集，为A/D配置时钟控制时序，缓存数据及FIR滤波器的实现，在此模块设计中选用的是CycloneII系列的EP2C5Q208。微处理器DSP选择功耗低的TI 5000系列的芯片TMS320VC5509。,图：解调模块结构框图,希尔伯特变换及频率解调,希尔伯特变换的一个主要应用就是用于信号解调，包括幅值解调和相位或频率解调。对一个实因果信号，它的傅里叶变换的实部和虚部，幅频响应及相频响应之间存在着希尔伯特变换关系。利用希尔伯特变换，我们可以得到相应的解析信号，使其仅含正频率成分，从而可降低信号的抽样率。我们可以将希尔伯特变换作为一种软件方法应用到轴承扭振检测中。当信号为窄带信号时，利用希尔伯特变换，可求出信号的幅值解调，相位解调和频率解调，所以在信号进行希尔伯特变换前，需要进行带通滤波预处理 。,解调模块的硬件设计,在解调模块硬件设计中，主要采用FPGA与DSP相结合的思想，FPGA主要功能是控制信号的采集、数据缓冲和FIR带通滤波器，DSP功能是实现数据的处理。,图为解调模块的硬件结构,A/D转换接口电路设计,由于解调模块的输入信号是低电平1V、高电平7V的调频形式方波，而AD7492的模拟输入范围为02.5V，所以需要对输入信号进行调理。,图为：调理电路,FPGA的外围配置电路设计,图： AD9244的电路设计图（A/D转换接口电路 ）,本设计AD采样频率为200KHz，工作模式选择部分休眠，PS端口接高电平，采样转换时钟由FPGA提供，同时采样量化的12位数据在时钟上升沿被并行送入FPGA，进行带通虑波虑除直流分量和高次谐波。,图为： FPGA的电源电路图,本课题中使用的FPGA为CycloneII系列的EP2C5Q208C8，内含有两个PLL。 PLL模拟电路的电源管脚称为PLL_VCC，在其输入脚要并列地放置两个10uF和0.01uF的滤波电容。,加载也称为下载或配置，是对FPGA的内容进行编程的一个过程。FPGA器件有三类配置下载方式，一是主动配置方式（AS），二是被动配置方式（PS）和第三种也是最常用的(JTAG)配置方式。在本系统中主要是选用了AS和JTAG两种下载的方式 ，这2种配置方式可以共同使用，只需在板子上放置2套接线柱即可。,图为：FPGA下载配置电路图,DSP的配置及应用电路,DSP5509芯片提供了两种复位方式：外部复位引脚手动复位方式和看门狗定时器 。看门狗定时器通过对预定义的时钟周期数计数，提供一种从软件错误环境中自动恢复的机制。在本模块中设计了手动复位方式，它主要通过TMS320VC5509的复位引脚DSP_RST低电平进行复位。,图为： DSP的复位电路及晶振电路图,图为：DSP的电源电路图,在本设计中采用的是TPS767D301，这一系列芯片是TI公司为了配合DSP而设计的电源转换芯片。该芯片能提供2种不同的电压输出。输出电流范围为0毫安到1安。,双口RAM的硬件实现,5509的CE2与FPGA的/CS相连，FPGA上的INT是双口RAM的数据写完PING或者写满PONG部分时输出给DSP的一个中断，DSP接受到中断信号后就能读出对应的数据进行相应的处理。,图为：DSP与双口RAM的连接,小结,针对国内外轴系的扭振检测的发展及现状，结合希尔伯特变换解调原理，设计出一种基于DSP的扭振检测模块，结合本课题的课题背景，提出了扭振检测解调模块的设计方案，根据扭振解调模块所要完成的功能。对解调模块的硬件电路设计方法作了介绍，包括TMS320VC5509的外围接口电路、EP2C5Q208C8的配置电路、FIR带通滤波器和