基于SOPC的扭振信号测量系统实现研究

2014-12-23 10:27:25来源: eccn

扭振(即扭转振动)广泛存在于各种回转轴系中,如内燃机曲轴、发电机、齿轮传动链等。就内燃机轴系而言,严重的扭振会导致动力装置的部件断裂,造成不可估计的财产损失和人员伤亡。因此对扭振的动态测量和监控一直为人们所重视。

目前按照对扭振信号的提取方式,扭振测量可以分为模拟式、数字式和软件式。数字式扭振监测应用较为广泛。这一类仪器测量精度较高,信号采集主要用单片机或单片机及CPLD。单片机采集信号速度低且系统实时性较差;用单片机结合CPLD实现,系统可扩展性不好,一旦硬件做成很难改动,另外可编程器件与单片机接口的速率匹配也是一个瓶颈问题。

SOPC(System On Programmble Chip)是Altera公司提出的片上可编程系统解决方案。它将CPU、存储器、I/0接口、DSP模块、低电压差分信号(LVDS)技术、时钟数据恢复技术(CDR)以及锁相环(PLL)等系统设计所必需的模块集成到一片FPGA上,构成一个可编程的片上系统,使所设计的电路在其规模、可靠性、体积、功耗、上市周期、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现最优化。用SOPC技术实现扭振信号监测,在测量精度、数据传输及计算、系统扩展等方面都有很大优势。

1 扭振监测原理及方法

轴系在旋转时若没有扭振,则轴的各瞬时速度都等于其平均速度,轴上的齿轮盘也是匀速转动,且传感器输出的每齿一个脉冲信号的重复周期是相同的。当轴系发生扭振时,相当于在轴系平均速度上叠加了一个扭振的波动,于是传感器输出的脉冲序列就不再是均匀间隔了,而是一个载波频率被扭振信号调制的调频信号。这个调频信号可以用脉冲记数法进行解调。设轴系旋转一周的时间为tc,则平均速度为 ,齿轮的齿数为N,再测出转n个齿的时间为tn,tn在时间内轴系的扭角为



因此只要测出tn和tc就可算出相应各£。的扭角θn。

信号的拾取可采用光电编码器。光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成,光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。将光电编码器的光栅码盘安装在转轴上,且与转轴同心,当轴系转动时光栅盘与轴同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置输出若干脉冲信号,对脉冲信号计数,并通过计算就可得出θn。

2 扭振信号监测系统的设计及实现

2.1 系统结构及板级硬件设计

扭振信号测监系统的总体结构,如图1所示。



系统设计采用Altera公司的新一代低成本FPGA—CycloneⅡ系列的EP2C35实现SOPC系统设计。系统硬件主要包括FPGA上的NiosⅡ处理器系统、FPGA外的接口和外设两部分。NiosⅡ处理器系统由基于Avalon Bus的NiosⅡCPU、串行接口、PIO、PIO控制器、存储器控制器、定时器以及片上RAM等IP组成。

外设包括:信号拾取整形模块、USB—Blaster-模块、Flash、SDRAM、LCD模块、电源模块、键盘等。信号由光电编码器拾取后经整形模块进入NiosⅡ处理器,Clock(系统时钟)模块提供50 MHz有源时钟和用户自定义的外部时钟。上位PC用软件接收RS232发送的连续采样数据,根据规定好的协议,解码出需求的数据进行分析。4个按键开关和PS/2,用于控制信号采样和数据发送,满足用户多种控制要求。系统通过PIO可实现对整形模块、键盘、LCD等外设的控制。存储器控制器分别与片外Flash和SDRAM连接,实现对存储器的访问。

2.2 系统硬件定制

2.2.1 FPGA硬件模块设计

硬件电路板测试完成后,需要设计FPGA硬件模块实现数据采集。模块各端口列表,如表1所示,信号采集仿真波形,如图2所示。输出信号中所有光电编码器时间是系统时钟个数的计数值。最后通过软件模块计算得到平均扭角、瞬时扭角以及误差。





如图2所示,当in_en高有效时,在WrestFlap_one上升沿,寄存器gride_cnt加l,同时gride_time,circl_time开始计算。当下一个WrestFlap_one上升沿时,寄存器gride_cnt加1,直加到一圈格数,然后又重新开始重复的计算。同时当下一个WrestFlap_one上升沿时gride_time输出计算了上一圈的光电编码器一格时间。当gride_cnt一圈数完时,circl_time输出上一圈的总时间。在WrestFlap_one下降沿,gride_en输出使能采样信号,高有效,此信号做为后端FIFO写使能信号。(图中椭圆区域为一圈光电编码信号的输出,仿真中规定一圈有10格,第1格对应的gride_time是207,第2格对应的gride_time是219…。)

[1] [2]

关键字:SOPC  扭振  信号测量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/1223/article_10432.html
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