基于FPGA的高速旋转机械振动数据采集系统开发

发布时间：2017-06-25 08:12

  本文关键词：基于FPGA的高速旋转机械振动数据采集系统开发，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：旋转机械的振动监测,对于机械的安全运行和提高设备利用率有重大意义。数据采集系统是旋转机械振动监测的一个重要手段,开发出一种满足多通道、高速度、高精度的振动监测系统是目前发展的一个重要方向。本文在了解了国内外研究现状的基础上,鉴于DSP单线程运行,无法提高采样速度的情况,提出了一种基于FPGA的数据采集系统方案。 本文首先根据数据采集系统要求利用Protel99SE软件进行了硬件电路的设计,主要由FPGA模块、SDRAM模块、A/D转换模块、键相信号模块、以太网模块、电源模块和晶振复位模块组成。并且通过了PCB板的制作焊接和相关模块的调试工作。在完成硬件制作的前提下,利用FPGA的并行处理能力以及NIOS II软核的自定义指令和自定义外设功能,采用高速硬实时的可编程FPGA模块和软实时的嵌入式处理器的结合方式,完成了键相信号处理程序、A/D采样程序和以太网通信程序的设计并且通过Modelsim软件进行了程序仿真。实际信号测量结果表明,基于FPGA的振动数据采集系统能够达到十六通道,高速采样的要求,可以对诸如工业汽轮机、储能飞轮等每分钟转速在万转以上的旋转机械实现实时监测。 同时对于一些信号处理方法如FIR滤波,快速傅里叶变换算法进行了介绍和探讨。利用窗函数法设计了一个低通滤波器,实现了滤波去噪的功能；利用FPGA自带的FFT IP核,将其例化入SOPC,实现了快速傅里叶变换算法。
【关键词】：FPGA 高速 旋转机械 自定义指令
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP274.2;TH113.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 课题背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.2.3 振动监测发展趋势12-13
• 1.3 本文主要工作介绍13-14
• 第二章 系统方案设计14-17
• 2.1 FPGA与DSP的比较14
• 2.2 FPGA的简介14-15
• 2.3 系统方案15-17
• 第三章 硬件电路的设计17-34
• 3.1 FPGA模块17-20
• 3.1.1 FPGA主芯片介绍17-18
• 3.1.2 FPGA的配置18-20
• 3.2 SDRAM存储器模块20-22
• 3.3 A/D转换模块22-25
• 3.4 键相信号处理模块25-26
• 3.5 以太网接口模块26-27
• 3.5.1 以太网简介26
• 3.5.2 以太网接口电路26-27
• 3.6 电源模块27-28
• 3.7 晶振电路和复位电路28-29
• 3.8 印刷电路板(PCB)的绘制29-31
• 3.9 硬件的调试31-33
• 3.10 本章小结33-34
• 第四章 NIOS Ⅱ系统开发34-64
• 4.1 NIOS Ⅱ系统设计开发软件简介34-35
• 4.1.1 Quartus Ⅱ34
• 4.1.2 SOPC Builder34
• 4.1.3 NIOS Ⅱ IDE34-35
• 4.1.4 Modelsim35
• 4.2 NOIS Ⅱ处理器开发流程35-38
• 4.2.1 硬件开发流程36-37
• 4.2.2 软件开发流程37-38
• 4.3 振动数据采集系统软件的设计38-44
• 4.3.1 键相信号处理程序设计39
• 4.3.2 采样程序设计39-42
• 4.3.3 以太网通信程序设计42-43
• 4.3.4 实验结果43-44
• 4.4 信号处理44-61
• 4.4.1 自定义指令44-48
• 4.4.2 FIR滤波的实现48-57
• 4.4.3 FFT算法的实现57-61
• 4.5 NIOS Ⅱ系统开发的问题探讨61-64
• 第五章 总结与展望64-66
• 5.1 总结64
• 5.2 展望64-66
• 参考文献66-69
• 作者简历69

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