基于FPGA的振动分析仪设计

发布时间：2017-09-01 00:24

  本文关键词：基于FPGA的振动分析仪设计

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【摘要】：日常生活中任何旋转设备在运行中都会产生振动,通常情况下振动是有害的,会对设备造成损坏甚至引起严重事故。振动信号作为故障特征的载体,其中包含了丰富的机械运行状态信息,因此,振动信号的准确分析与处理对于旋转机械的状态监测、质量评估和故障诊断具有非常重要的意义。设备的振动信号通常都是非线性、非平稳类信号,传统分析方法对它的分析能力具有非常大的局限。黄锷等人于1998年提出的Hilbert-Huang变换以其在处理非平稳随机信号方面的强大优势脱颖而出,十几年来,已被应用到海洋数据、地震信号和设备状态检测与诊断领域。FPGA技术在数字信号方面具有强大的处理和计算能力,凭借其内部高速的并行机制以及丰富的逻辑资源,能够完成诸如FFT、HHT这样的高级算法的硬件实现,完成对振动信号进行高速、高效和实时的分析与处理。鉴于此,本文以FPGA技术为信号处理平台,重点研究了以Hilbert-Huang变换为核心算法的振动分析仪的设计与实现,主要的研究内容如下:(1)研究了目前流行的各种振动分析方法的利弊,深入研究了Hilbert-Huang变换的基本原理;深刻理解经验模态分解的流程,为每一步的实现选取合适的算法;领悟Hilbert变换的本质,研究其结构的优化方法。(2)研究了系统的设计需求,综合考虑了设计过程中算法实现的运算量、采集过程中数据的存储量以及传到过程中的数据传输量,合理的进行芯片选型、引脚与资源的分配、组件选取和任务分配。(3)设计并实现了以三次样条插值法为核心的包络线拟合方法、以多项式拟合为核心的端点效应抑制方法,很好的实现了信号的经验模态分解;深刻理解Hilbert变换的工程本质,以分布式算法为基础实现Hilbert滤波器,同时利用FIR滤波器的线性相位特性和分割查找表的方法对其结构进行优化。(4)利用不同的仿真信号对设计进行了验证,与MATLAB仿真结果进行类比,表明了设计的正确性和有效性。最后,将设计应用于实际的工业电机的振动监测,通过分析相应的图谱,对电机工作状态进行诊断。
【关键词】：旋转机械 振动分析 FPGA Hilbert-Huang变换
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH825
【目录】：

• 中文摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 1.绪论10-14
• 1.1 选题背景及意义10
• 1.2 研究综述10-13
• 1.2.1 Hilbert-Huang变换的提出及其应用10-11
• 1.2.2 FPGA的发展与优势11-13
• 1.3 论文的主要工作13-14
• 2.振动分析方法14-25
• 2.1 传统分析方法14-16
• 2.1.1 时域分析法14-15
• 2.1.2 傅立叶变换法15-16
• 2.2 现代分析方法16-18
• 2.2.1 小波变换法16-17
• 2.2.2 盲源分离法17-18
• 2.3 Hilbert-Huang变换法18-23
• 2.3.1 瞬时频率18-19
• 2.3.2 固有模态函数19-20
• 2.3.3 边界问题20-21
• 2.3.4 停止准则21-22
• 2.3.5 Hilbert谱和Hilbert边际谱22-23
• 2.4 FPGA技术在振动分析领域的应用23-25
• 3.系统硬件设计25-36
• 3.1 FPGA核心电路设计25-26
• 3.2 电源电路设计26-27
• 3.3 USB接口电路设计27
• 3.4 网络接口电路设计27-29
• 3.5 串口电路设计29
• 3.6 AD扩展板电路设计29-31
• 3.7 存储电路设计31-33
• 3.7.1 SDRAM存储电路的设计31
• 3.7.2 SD卡存储电路的设计31-32
• 3.7.3 串行FLASH电路的设计32-33
• 3.8 硬件PCB设计33-34
• 3.9 设计总结34-36
• 4.系统软件设计36-47
• 4.1 基于Nios II软核处理器的SOPC设计36-38
• 4.2 用户外设逻辑的设计38-39
• 4.3 AD7765控制模块的设计39-41
• 4.4 DM9000A网口控制模块的设计41-42
• 4.5 SD卡控制模块的设计42-43
• 4.6 程控滤波器与程控放大器控制模块设计43-44
• 4.7 菊花链控制程序设计44
• 4.8 NiosⅡ控制系统设计44-47
• 5.Hilbert-Huang变换的实现47-70
• 5.1 EMD方法的原理与实现47-54
• 5.1.1 EMD方法的原理47-49
• 5.1.2 三次样条插值法的实现49-51
• 5.1.3 最小二乘法拟合多项式的实现51-53
• 5.1.4 系统函数分析53-54
• 5.2 Hilbert变换基础54-57
• 5.2.1 Hilbert变换的原理54-55
• 5.2.2 FIR滤波器设计基础55-56
• 5.2.3 分布式算法原理56-57
• 5.3 Hilbert滤波器的实现57-70
• 5.3.1 滤波器的相关参数设计57-60
• 5.3.2 Hilbert滤波器设计的优化60-64
• 5.3.3 输入处理模块的设计实现64-65
• 5.3.4 预相减模块的设计实现65-66
• 5.3.5 乘累加模块的设计实现66-67
• 5.3.6 控制模块的设计实现67-68
• 5.3.7 系统顶层模块的验证68-70
• 6.系统的仿真与测试70-80
• 6.1 简单叠加信号的Hilbert-Huang变换70-72
• 6.2 复合信号的Hilbert-Huang变换72-75
• 6.3 电机振动信号的Hilbert-Huang变换75-80
• 7. 总结与展望80-82
• 参考文献82-85
• 致谢85-86
• 附录A 系统的工程图86-87
• 作者简介87-88

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本文编号：768820