基于FPGA的桥梁支座多路数据采集系统的设计与研究

发布时间：2020-05-07 10:19

【摘要】：桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要结构部件,它可以将桥梁上部结构的受力和变形传递给墩台,而支座内部的应力分布能有效反映桥梁支座的工作状态和整体桥梁的健康情况,支座的受力监测对桥梁健康维护具有重要意义。因此本课题采用数据采集与信号处理相关技术设计并实现一种智能桥梁支座受力监测的数据采集系统,具有模拟前端调理电路,内置数字滤波模块,输入通道为36通道,采用低功耗器件,测试误差最大为1.2mV。本课题使用FPGA来实现多通道数据采集方案,可以克服传统数据采集系统技术繁琐复杂,采样效率低以及DSP对于复杂的硬件逻辑控制技术局限等问题,达到减小内部延时、简化电路、提高抗干扰能力以及保证ADC所有通道实时同步采样的效果。首先,本课题提出智能桥梁支座受力监测系统的总体设计方案,将设计分为硬软两部分研究,介绍数据采集技术,并根据支座受力监测具体工况分析选用主要的器件,包括智能桥梁支座模型、模数转换器AD7795以及XILINX SPART AN-6 系列 FPGA。其次,根据所选器件进行硬件设计,系统主要由模拟前端调理电路、数据采集电路、FPGA外围及配置电路、数据传输电路和电源电路构成,并利用Cadence软件进行PCB的设计。然后,介绍FPGA的开发流程以及设计思想,通过ISE集成开发环境利用VHDL硬件描述语言完成支座受力监测系统的软件设计,主要包括AD采样模块、数字滤波、FIFO模块和数据发送模块,并对系统各部分进行仿真测试。最后,对系统进行调试,验证系统的可行性,完成以FPGA为中心的基于智能桥梁支座的受力数据采集系统。
【图文】：

抽样定理,奈奎斯特,模拟信号

成为时间上离散的抽样信号，但其取值仍然是连续的，量化使抽样信逡逑号成为取值离散的量化信号。最后进行编码，最基本和最常用的编码方法是脉冲逡逑编码调制。它将量化信号变成二进制码元。模拟信号数字化过程如图２－１所示。逡逑ｎＨ＾＼ｊ邋Ｌｉ逡逑ｊＬｉ．Ｉ）逡逑Ｉ邋Ｉ邋Ｊ邋．１逡逑量化…—」Ｌ］逦」逡逑４逦４逦３逦４逦２逦３逦４逡逑编码邋１００邋１００邋Ｏｉｌ邋１００邋０１０邋Ｏｉｌ邋１００逡逑图２－１模拟信号数字化逡逑２．１．１奈奎斯特抽样定理逡逑抽样定理是模拟信号数字化的理论基础。抽样定理指出：设一个连续模拟信逡逑号中的最高频率小于厶，那么以间隔时间为■的周期性冲击脉冲对逡逑它抽样时，将被这些抽样值完全确定，即可以根据这些抽样信号的样本来逡逑还原原来的连续信号［３３］。根据此定理，可以实现信号的模数转换过程。逡逑５逡逑

频谱,低通信号,模拟信号,抽样过程

在低通模拟信号的抽样过程中，为无失真的恢复原信号，应满足最低抽样频逡逑率／ｓ＞２／ｆｌ或叫＞２％，这个２／／／称为奈奎斯特抽样速率，对应的最大抽样时间逡逑间隔称为奈奎斯特抽样间隔，如图２－２中的（ｂ）和（ｃ）所示，其中叫为低通信号上逡逑限截止频率。若／ｓ＜２／ｗ，相邻周期的频谱间将会发生频谱混叠，导致不能正确逡逑的分离出原始信号，如图２－２中的（ｄ）。抽样频率／ｓ不是越高越好，太高时会使逡逑数据传输速率变大，，使数字信号带宽变宽，从而使信道利用率降低，也不能等于逡逑２义，因为理想滤波器是不能实现的，实际滤波器的截止边缘不可能想理想滤波逡逑器陡峭，因此抽样频率／ｓ—定比２么大多一些。逡逑Ｆ（ｃｏ）逡逑Ａ逡逑逦０逦，逡逑０邋0）＊逡逑（ａ）低通信号频带逡逑ｃ（？）逡逑Ａ逡逑／ｉ＼邋Ａ邋Ａ邋ｍ邋Ａ．逡逑－２（0ｓ邋－（0ｓ邋－（0ｋ邋0邋ｃｏ＊邋ｃｏ５逦２ｇ）ｓ逡逑（ｂ）逦ｃｏｓ邋＞邋２ｃｏｈ逡逑６（０）逡逑Ａ逡逑－２（0ｓ逦－（0－（0ｋ邋0邋ｃｏ＾邋ｃｄ５邋２ｃｏ５逡逑（ｃ）逦Ｃ0ｓ邋＝邋２ｃ0ｈ逡逑ｆ）逦’逡逑（ｄ）逦ｃｏｓ邋＜邋２ｃｏ？逡逑图２－２低通模拟信号抽样逡逑对于带通模拟信号的抽样过程，由于带通信号的焱较高，若按照低通信号逡逑定理抽样
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP274.2;U446

【参考文献】