基于FPGA的振动信号采集系统设计及实现

基于FPGA的振动信号采集系统设计及实现摘要：针对机械设备运行中的振动监控，设计振动信号采集系统，提出了一种基于FPGA的振动信号采集系统的设计方案。重点阐述了系统硬件结构组成、信号调理电路和数据采集模块的设计，同时对A/D采样的控制逻辑进行了讨论。经试验验证表明，该系统可达到采样率10K每秒、采集精度16位，能够满足实时性和精度要求。随着生产机械、运输机械或工程结构向着高速、高效、高精度和大型化发展，机械设备的任何部件出现故障都可能降低加工精度，带来较大的经济损失，甚至危及人身安全。机械部件的振动状态监测已成为生产中的一个必不可少的环节，并对相应机械部件进行早期的故障预测。文中采用FPGA为核心开发振动信号采集系统，对数据采集模块及通讯模块进行了同步设计。1总体设计振动信号采集系统以FPGA芯片为核心，通过A/D转换芯片采集振动信号，然后通过RS-422串行总线接口将采集的数据传输给上位机，在故障诊断软件以作出相应的诊断处理。振动信号采集系统的硬件按照功能模块可以划分为信号调理电路、A/D转换电路、FPGA控制逻辑和RS-422接口转换电路，系统硬件结构如图1所示。系统硬件各个功能模块的作用如下：1)信号调理电路：信号调理电路主要对由集成电路压电式(IntegratedCircuitPiezoelectricity，ICP)加速度传感器采集到的振动信号进行调理驱动、放大和抗混叠滤波处理，使模数转换器(AnalogtoDigitalConverterADC)芯片能够获取该振动信号，并作出进一步处理工作。2)A/D转换电路：A/D转换电路将经过信号调理的信号进行模/数转换，并将转换结果传送至FPGA进行数据采集，此功能电路决定了整个系统的分辨率和采集精度。3)FPGA控制逻辑：FPGA芯片是该主控模块的核心部分，控制振动信号的采集和数据传输，此功能电路控制着系统的采样周期。4)RS422接口转换电路：将A/D转换后的数字信号，通过RS422总线传输到上位机。2硬件电路设计2.1恒流源电路系统采用ICP集成电路压电式加速度传感器检测被测设备的振动信号，它将传统压电加速度传感器和放大器集于一体，供电和信号输出共用同一根电缆，通过恒流源为其供电，输出信号经过信号调理电路后连接单片机进行测试，使采集系统得到了简化，减少电缆的数量，同时省去了电荷放大器，降低了成本。ICP传感器所需的供电电源必须能够提供18～30V的直流电压以及2～20mA的恒定电流。由于传感器共用电源线与信号输出线，所以它的输出信号会包含一个8～14V的直流偏置电压，通过去耦电容滤除信号中的直流分量。本系统采用TI公司的三端可调恒流源器件LM334芯片。LM334为单片三端可调恒流源，实际应用中，改变连接电阻就可构成不用独立电源的两端理想电流浮置源，改变R可以改变恒流源的电流值，其公式为：系统中设置为LM334的工作电压28V，电阻R标称值33Ω，输出电流为2mA。2.2信号调理模块的设计2.2.1隔离、放大电路设计ICP加速度传感器输出信号包含有直流偏置电压，电路设计隔直电容C1和C2滤除此直流分量，然后采用精密仪表运算放大器芯片实现对模拟信号的放大处理，通过调节外部比例电阻可完成增益从1至10000之间的任意选择。隔离、放大电路的原理图如图2所示。N1为精密仪表运算放大器，其增益值依据下式可计算得出：式中：G为电压放大增益;Rref为比例参考电阻，单位Ω。现阶段取Rref开路，即Rref=∞，计算可知G=1。R1、R2为输入端匹配电阻，标称值4.7kΩ。R3、R4为开路接地电阻，标称值1MΩ。C1、C2为输入端隔直电容，标称值0.1μF，额定电压值50V。通过C1，C2和R3，R4构成的高通电路，-3dB截至频点是15.92Hz，对信号进行隔直处理，同时不影响采集信号。C3、C4、C5为精密仪表运算放大器输入端的滤波电容，标称值为0.001μF、0.01μF、0.001μF，与R1、R2构成低通电路，对共模信号的-3dB截至频点是33.87kHz，对于差模信号的-3dB截至频点是1610Hz，有效的滤除进入采集电路的干扰信号。2.2.2抗混滤波电路设计经过放大处理后的振动信号会混杂有高频干扰信号，这些高频信号就会产生频率混叠现象，造成采集系统的精度下降。抗混滤波电路采用二阶压控电压源低通滤波电路，滤波器的截止频率则由电阻R1、R2和电容C1、C2控制。二阶低通滤波电路的原理图如图3所示。滤波电路设计参数如下：

R1=R2=15kΩ，R3=R4=10kΩ，C1=C2=10nF;二阶低通滤波电路的传递函数为：式中：A(s)为开环增益;Q为等效品质因数;ωn为电路的特征角频率s。其中Avf=1+R3/R4=2，Q=1/(3-Avf)=1>0，故A(s)的极点全部位于左半s平面，电路不会产生自激震荡。另一方面，由滤波电路传递函数可得幅频响应表达式为：可以计算出，其在ω/ωn=10时，幅频特性曲线有-40dB的衰减，电路的幅频响应具有较好的低通特性，滤波器截止频率f=1/2πRC≈1062Hz。2.3数据采集模块的设计数据采集模块主要围绕A/D转换芯片展开设计，系统选用单通道的16位A/D转换芯片进行采样，采样频率最高分别可达100ksps。目标采样的振动信号的频率一般为低频信号，设计采集系统的检测5kHz频率范围内的振动信号，按照香农采样定理，A/D转换芯片的采集速率应不小于10k每秒，100ksps的A/D转换芯片完全可以满足本系统需求。由于A/D转换芯片输出电平为5V的TTL电平，需要配置电平转换芯片，将5V电平转换为3.3V电平，再送入现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArrays，FPGA)，完成对采集电路中A/D转换芯片的时序控制。A/D转换公式：A/D芯片采集到的数值为0～0xFFFF的16位二进制数，对应-10V～+10V的电压，电压转换计算公式如下：2.4通讯模块的设计RS-422驱动电路由UART协议、电平转换和接口电路组成，其中协议转换