基于FPGA的多通道同步数据采集系统设计

发布时间：2017-04-17 01:13

  本文关键词：基于FPGA的多通道同步数据采集系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：数据采集(Data Acquisition)作为信息科学的重要分支,在传感器、信号测量与处理、计算机等技术的基础上形成的一门综合应用技术。如何实现信号降噪、无失真的采集、记录存储、分析处理小信号,以满足应用的需要,一直都是数据采集研究的重要方向。本设计以旋转机械振动分析、故障诊断为研究背景,提出了一款基于FPGA平台的多通道同步数据采集系统。通过对旋转机械产生的振动信号进行采集,时域、频域等分析,提取信号特征,用于故障诊断。系统主要研究工作包括以下几个方面:(1)在振动信号前端处理方面,设计了衰减电路,高通、低通滤波电路,积分电路,可编程增益放大电路,抗混叠滤波电路,包络解调电路等。系统选用了Analog Devices公司的24位精度ADC-AD7765,采用菊花链连接方式实现信号同步采集、数据串行输出。(2)在数据存储方面,采用LabVIEW文本IO操作VI模块进行TXT格式文件读写,可以实现波形记录,数据回放等功能。同时,采用大容量SD卡存储离线采集数据,并可将数据导出以进行更为复杂的分析。(3)在系统控制方面,利用FPGA硬件实现采样并行处理,结合Verilog HDL硬件描述语言并嵌入Nios II软核实现前端采样控制、数据存储控制、数据传输控制等复杂的逻辑控制,提高了系统的稳定性和集成度,降低了功耗。(4)在数据传输方面,利用了以太网接口传输技术,可以实现大吞吐量数据传输。具有抗干扰性强,传输距离远等优点,还可以实现局域网内在线监测现场设备的运作状况。(5)在上位机处理与分析方面,采用了NI公司的LabVIEW虚拟仪器平台,内部集成专业的信号处理模块,功能强大。利用其进行了时域、频域信号分析,并将信号特征等结果直观显示出来。本系统具有采样精度高、速率快、数据存储量大的特点,可以实现多路同步数据采集,可以通过上位机分析数据并直观显示等优点,既可作为独立的采集模块运行,也可配合上位机完成采集、分析任务。课题完成了系统的软、硬件设计和安装调试,并经过了初步测试。本设计不仅能够对多通道振动信号同步采集、存储和处理,也适用于其它数据采集和处理应该场合,具有良好的应用价值。
【关键词】：可编程门阵列 数据采集 以太网接口 振动分析
【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】：TP274.2
【目录】：

• 中文摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 研究的背景与意义10
• 1.2 数据采集研究动态10-11
• 1.3 课题研究的主要内容11-12
• 1.4 论文结构安排12-13
• 1.5 本章小结13-14
• 第2章 系统方案论证与设计14-20
• 2.1 系统设计目标14
• 2.2 系统总体结构设计14-18
• 2.2.1 数据采集模块方案设计16-17
• 2.2.2 数据处理模块方案设计17-18
• 2.2.3 数据分析模块方案设计18
• 2.3 系统设计实现步骤18-19
• 2.4 本章小结19-20
• 第3章 系统硬件设计20-47
• 3.1 数据采集模块硬件设计20-38
• 3.1.1 电源设计20-21
• 3.1.2 衰减电路设计21-23
• 3.1.3 滤波电路设计23-29
• 3.1.4 积分电路设计29-31
• 3.1.5 放大电路设计31-32
• 3.1.6 包络解调设计32-33
• 3.1.7 采样定理及A/D转换模块设计33-37
• 3.1.8 信号整形电路设计37-38
• 3.1.9 接口电平匹配设计38
• 3.2 数据处理模块硬件设计38-44
• 3.2.1 FPGA最小系统38-40
• 3.2.2 采集数据存储设计40-42
• 3.2.3 数据传输接口设计42-44
• 3.3 数据采集系统PCB设计44-46
• 3.3.1 PCB的布局44
• 3.3.2 模拟地与数字地的分割44-45
• 3.3.3 PCB的绘制45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 系统软件设计47-62
• 4.1 基于FPGA的SOPC系统实现47-48
• 4.2 FPGA控制逻辑设计48-54
• 4.2.1 AD7765控制逻辑设计49-50
• 4.2.2 前端处理模块控制逻辑设计50-51
• 4.2.3 以太网口控制逻辑设计51-53
• 4.2.4 SD卡控制逻辑设计53-54
• 4.3 系统上位机程序设计54-61
• 4.3.1 虚拟仪器工作原理54-55
• 4.3.2 基于LabVIEW的UDP通信55-56
• 4.3.3 数据存储与回放56-57
• 4.3.4 信号时频域分析VI设计57-60
• 4.3.5 上位机LabVIEW界面60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第5章 系统调试与实现62-68
• 5.1 传感器的安装62
• 5.2 数据采集模块测试62-64
• 5.3 FPGA控制逻辑测试64-65
• 5.4 系统整体测试65-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第6章 总结与展望68-70
• 6.1 总结68
• 6.2 展望68-70
• 参考文献70-72
• 致谢72-73
• 作者简介73-74

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本文编号：312092