便携式声学分析仪的研究与实现

发布时间：2017-05-26 00:03

  本文关键词：便携式声学分析仪的研究与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：便携式声学分析仪在工业实践中有广泛应用。随着工业化程度越来越高，工业设备朝大型化、复杂程度高的方向发展，对故障监测设备的需求越来越大。针对工业现场对便携式故障监测仪器的实际需要，利用嵌入式技术，研究和开发了一套通用性较高的便携式声学分析仪，对设备运行发出的声音信号进行分析和处理，以便检测各种不易直接接触测量振动信号的设备。便携式声学分析仪作为现场故障监测的一部分，可以与大型故障诊断系统配合使用。 论文以快速傅里叶变换算法（FFT）为理论基础对声音信号进行处理，利用嵌入式FPGA与ARM双核技术的运行速度快、体积和功耗小的特点，结合EDA工具硬件设计和仿真的优势，设计具有声级计和频谱分析功能的便携式声学分析仪。 论文在分析系统的设计原则和功能需求的基础上，设计系统的硬件架构。传感器选择性能优良，无需为电容极板额外供电的驻极体电容传声器。放大电路设计为两种增益，既适用于声压级计算，也适用于频谱分析。选择带有抗混叠滤波功能的A/D芯片设计16位精度的A/D转换电路，以避免信号采样过程中高频信号引起的混叠现象。设计多种电压供电电源，使系统中每个芯片处在稳定的额定电压工作状态。预设5种外围接口电路，包括JTAG下载接口电路、AS下载接口电路、USB接口电路、SD卡插槽和RS232接口电路，为系统调试、升级、维护、数据存储以及功能扩展等提供多种接口。 论文基于EDA技术和频谱分析理论方法的基础上，对硬件进行选型，用硬件描述语言设计电路。在FPGA中实现对A/D转换频率的控制，由于A/D转换频率较低而其它运算模块需要较高的频率对数据进行处理，针对所使用的时钟频率不同，用PLL为系统提供丰富的时钟频率信号，针对A/D转换与其它运算模块处理数据速度不一致，用FIFO实现输入输出数据的缓存。 论文利用FPGA提供的丰富的IP核资源，设计并实现声级计功能，用DSP Builder辅助设计查找表，对FFT进行加窗处理。调用FFT兆核函数，编写代码实现快速傅里叶变换的功能，结合Modelsim和Matlab软件进行仿真和验证。实现FPGA与ARM的数据通讯，，用ARM控制显示部分，将输出的频谱图在LCD上显示。 在设计每个模块时使用仿真软件和逻辑分析仪进行模拟，辅助功能的实现和调试，通过板级调试验证结果的正确性，最后完成整个系统的设计。通过试验证明便携式声学分析仪具有声压级计算、对声信号进行频谱分析并实时显示的功能，符合设计要求，并具有可扩展性。
【关键词】：声学信号分析 数字信号处理 傅里叶变换 FPGA ARM
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB516
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 引言11-12
• 1.2 课题提出的目的和意义12-13
• 1.3 国内外发展动态13-16
• 1.3.1 声学信号应用的发展13-14
• 1.3.2 故障诊断类仪器的发展现状14-15
• 1.3.3 嵌入式技术的发展动态15-16
• 1.4 课题主要研究内容16-19
• 1.4.1 便携式声学分析仪的功能建立16-17
• 1.4.2 便携式声学分析仪的研究方案17-19
• 第二章 便携式声学分析仪的原理分析与实现平台19-35
• 2.1 便携式声学分析仪的原理分析19-27
• 2.1.1 傅里叶变换的原理概述19-20
• 2.1.2 快速傅里叶变换20-25
• 2.1.3 截取信号的加窗处理25-27
• 2.2 系统控制与数据处理芯片的应用技术概述27-30
• 2.2.1 FPGA 参数对比与型号选定28-29
• 2.2.2 硬件描述语言的选用29
• 2.2.3 开发环境与设计流程29-30
• 2.3 用户界面平台的实现30-33
• 2.3.1 用户界面实现平台的确立30-31
• 2.3.2 用户界面实现平台的选型31-33
• 2.4 本章小结33-35
• 第三章 便携式声学分析仪系统设计方案35-51
• 3.1 系统的设计原则和需求分析35-37
• 3.1.1 系统的设计原则分析35
• 3.1.2 系统的需求分析35-37
• 3.2 系统硬件构架的设计37-48
• 3.2.1 传感器的选型38-39
• 3.2.2 两增益信号放大电路的设计39-41
• 3.2.3 抗混叠滤波器的实现41
• 3.2.4 模数信号转换电路的设计41-44
• 3.2.5 电源管理电路的实现44-45
• 3.2.6 外设接口电路的设计45-48
• 3.3 系统总体方案的确立48
• 3.4 本章小结48-51
• 第四章 模数转换与声级计算的硬件实现51-65
• 4.1 模数转换频率控制的硬件实现51-58
• 4.1.1 对采样偏移误差的校正51-52
• 4.1.2 采样频率的控制52-54
• 4.1.3 结合逻辑分析仪的板级调试54-56
• 4.1.4 采样结果验证56-58
• 4.2 输入数据的缓冲模块58-60
• 4.2.1 FIFO 宏功能模块的定制58-59
• 4.2.2 输入数据缓冲的实现59-60
• 4.3 声级计功能的实现60-63
• 4.3.1 声压级计算的原理分析60-61
• 4.3.2 声级计算功能在 FPGA 中的硬件实现61-63
• 4.4 本章小结63-65
• 第五章 频谱分析的硬件实现65-81
• 5.1 FFT 加窗函数设计65-67
• 5.1.1 DSP 系统设计方法65
• 5.1.2 FFT 加窗处理的实现65-67
• 5.2 快速傅里叶变换的硬件设计实现67-79
• 5.2.1 FFT 兆核函数介绍与引脚功能分析68-69
• 5.2.2 FFT 兆核函数的调用69-73
• 5.2.3 快速傅里叶变换的时序仿真73-75
• 5.2.4 快速傅里叶变换的板级功能实现75-79
• 5.3 乒乓操作法实现输出数据缓冲79-80
• 5.4 本章小结80-81
• 第六章 便携式声学分析仪的系统实现81-91
• 6.1 ARM 与 FPGA 的数据通信81-82
• 6.2 系统用户界面的实现82-84
• 6.2.1 触摸屏与控制器的硬件连接82-83
• 6.2.2 用户界面的实现83-84
• 6.3 系统的功能实现84-85
• 6.3.1 系统的用户界面展示与操作说明84
• 6.3.2 系统的波形显示84-85
• 6.4 便携式声学分析仪的实测85-90
• 6.4.1 应用便携式声学分析仪测量现场数据85-87
• 6.4.2 实测数据的分析87-90
• 6.5 本章小结90-91
• 第七章 结论与展望91-93
• 7.1 结论91-92
• 7.2 展望92-93
• 参考文献93-97
• 致谢97-99
• 攻读学位期间发表的学术论文99

【参考文献】

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本文编号：395303