基于FPGA的振动信号采集系统设计及实现
摘要：针对机械设备运行中的振动监控，设计振动信号采集系统，提出了一种基于fpga的振动信号采集系统的设计方案。重点阐述了系统硬件结构组成、信号调理电路和数据采集模块的设计，同时对a/d采样的控制逻辑进行了讨论。经试验验证表明，该系统可达到采样率10 k每秒、采集精度16位，能够满足实时性和精度要求。
随着生产机械、运输机械或工程结构向着高速、高效、高精度和大型化发展，机械设备的任何部件出现故障都可能降低加工精度，带来较大的经济损失，甚至危及人身安全。机械部件的振动状态监测已成为生产中的一个必不可少的环节，并对相应机械部件进行早期的故障预测。文中采用fpga为核心开发振动信号采集系统，对数据采集模块及通讯模块进行了同步设计。
1 总体设计 振动信号采集系统以fpga芯片为核心，通过a/d转换芯片采集振动信号，然后通过rs-422串行总线接口将采集的数据传输给上位机，在故障诊断软件以作出相应的诊断处理。振动信号采集系统的硬件按照功能模块可以划分为信号调理电路、a/d转换电路、fpga控制逻辑和rs-422接口转换电路，系统硬件结构如图1所示。
系统硬件各个功能模块的作用如下：
1)信号调理电路：信号调理电路主要对由集成电路压
电式(integrated circuit piezoelectricity，icp)加速度传感器采集到的振动信号进行调理驱动、放大和抗混叠滤波处理，使模数转换器(analog to digital converter adc)芯片能够获取该振动信号，并作出进一步处理工作。
2)a/d转换电路：a/d转换电路将经过信号调理的信号进行模/数转换，并将转换结果传送至fpga进行数据采集，此功能电路决定了整个系统的分辨率和采集精度。
3)fpga控制逻辑：fpga芯片是该主控模块的核心部分，控制振动信号的采集和数据传输，此功能电路控制着系统的采样周期。
4)rs422接口转换电路：将a/d转换后的数字信号，通过rs422总线传输到上位机。
2 硬件电路设计 2.1 恒流源电路
系统采用icp集成电路压电式加速度传感器检测被测设备的振动信号，它将传统压电加速度传感器和放大器集于一体，供电和信号输出共用同一根电缆，通过恒流源为其供电，输出信号经过信号调理电路后连接单片机进行测试，使采集系统得到了简化，减少电缆的数量，同时省去了电荷放大器，降低了成本。
icp传感器所需的供电电源必须能够提供18～30 v的直流电压以及2～20 ma的恒定电流。由于传感器共用电源线与信号输出线，所以它的输出信号会包含一个8～14 v的直流偏置电压，通过去耦电容滤除信号中的直流分量。
本系统采用ti公司的三端可调恒流源器件lm334芯片。lm334为单片三端可调恒流源，实际应用中，改变连接电阻就可构成不用独立电源的两端理想电流浮置源，改变r可以改变恒流源的电流值，其公式为：
系统中设置为lm334的工作电压28 v，电阻r标称值33 ω，输出电流为2 ma。
2.2 信号调理模块的设计
2.2.1 隔离、放大电路设计
icp加速度传感器输出信号包含有直流偏置电压，电路设计隔直电容c1和c2滤除此直流分量，然后采用精密仪表运算放大器芯片实现对模拟信号的放大处理，通过调节外部比例电阻可完成增益从1至10 000之间的任意选择。 隔离、放大电路的原理图如图2所示。
n1为精密仪表运算放大器，其增益值依据下式可计算得出：
式中：g为电压放大增益;rref为比例参考电阻，单位ω。
现阶段取rref开路，即rref=∞，计算可知g=1。
r1、r2为输入端匹配电阻，标称值4.7 kω。
r3、r4为开路接地电阻，标称值1 mω。
c1、c2为输入端隔直电容，标称值0.1μf，额定电压值50 v。通过c1，c2和r3，r4构成的高通电路，-3 db截至频点是15.92 hz，对信号进行隔直处理，同时不影响采集信号。
c3、c4、c5为精密仪表运算放大器输入端的滤波电容，标称值为0.001μf、0.01μf、0.001μf，与r1、r2构成低通电路，对共模信号的-3 db截至频点是33.87 khz，对于差模信号的-3 db截至频点是1 610 hz，有效的滤除进入采集电路的干扰信号。
2.2.2 抗混滤波电路设计
经过放大处理后的振动信号会混杂有高频干扰信号，这些高频信号就会产生频率混叠现象，造成采集系统的精度下降。
抗混滤波电路采用二阶压控电压源低通滤波电路，滤波器的截止频率则由电阻r1、r2和电容c1、c2控制。二阶低通滤波电路的原理图如图3所示。
滤波电路设计参数如下：
r1=r2=15 kω，r3=r4=10 kω，c1=c2=10nf;
二阶低通滤波电路的传递函数为：
式中：a(s)为开环增益;q为等效品质因数;ωn为电路的特征角频率s。
其中avf=1+r3/r4=2，q=1/(3-avf)=1>0，故a(s)的极点全部位于左半s平面，电路不会产生自激震荡。
另一方面，由滤波电路传递函数可得幅频响应表达式为：
可以计算出，其在ω/ωn=10时，幅频特性曲线有-40 db的衰减，电路的幅频响应具有较好的低通特性，滤波器截止频率f=1/2πrc≈1 062 hz。
2.3 数据采集模块的设计
数据采集模块主要围绕a/d转换芯片展开设计，系统选用单通道的16位a/d转换芯片进行采样，采样频率最高分别可达100 ksps。目标采样的振动信号的频率一般为低频信号，设计采集系统的检测5 khz频率范围内的振动信号，按照香农采样定理，a/d转换芯片的采集速率应不小于10 k每秒，100 ksps的a/d转换芯片完全可以满足本系统需求。
由于a/d转换芯片输出电平为5 v的ttl电平，需要配置电平转换芯片，将5 v电平转换为3.3 v电平，再送入现场可编程门阵列(field programmable gate arrays，fpga)，完成对采集电路中a/d转换芯片的时序控制。
a/d转换公式：a/d芯片采集到的数值为0～0xffff的16位二进制数，对应-10 v～+10 v的电压，电压转换计算公式如下：
2.4 通讯模块的设计
rs-422驱动电路由uart协议、电平转换和接口电路组成，其中协议转换由可编程逻辑实现。串行接口数据格式为：1个起始位，8个数据位，奇校验位，1个停止位，工作频率设计在115 200 bps。fpga芯片将采集到的ad转换后数据转发到rs-422总线。由于ad采集芯片为16 bit，所以在设置先发数据的高8 bit，再发送数据的低8 bit。
3 可编程逻辑设计 3.1 可编程逻辑功能设计
系统选用xilinx公司的spartan系列芯片，此系列具有性能优良、性价比高、非易失性等特点，扩展了片上flash存储器，用于fpga的配置和非易失性数据的存储，具有充足的资源满足采集系统的逻辑功能需求。可编程逻辑采用模块化的设计思想，设计ad采集模块和uart协议模块。
3.1.1 ad采集模块
fpga芯片控制a/d转换芯片rc信号为低电平，ad芯片启动转换工作，同时busy信号输出低电平，转换完成后ad芯片busy信号重置高电平，ad芯片数据输出端口输出有效数据。fpga检测到busy信号，将ad芯片转换后的数据存入uart发送寄存器中。
3.1.2 uart协议模块
uart协议模块采用的是串口通讯协议软核，其设计特点是：
1)波特率为9 600 bps～115.2 kbps可通过软件编程;
2)内建128字节接收fifo和128字节发送fifo;
3)数据长度、停止位长度、奇偶校验可通过软件进行编程;
4)计算公式：波特率=外部时钟(14.745 6 mhz)/(16×分频因子)。
3.2 系统功能逻辑设计
采集系统的控制设计为周期自动采集，一次采样过程如下：首先启动a/d转换器，然后判断busy信号转换是否结束，a/d转换结束后fpga读取a/d转换结果，并直接存入uart发送寄存器，然后等待延时到下一周期，并开始第二次采集，自动完成振动信号的采集。fpga的自动控制流程如图4所示。
系统设计采样周期为200 us，远大于a/d转换芯片的转换时间，决定了系统的采样速率5 khz，可满足大多数机械部件振动信号的采集要求。采样周期控制由fpga使用的时钟计数决定，此系统使用的时钟为10 mhz，系统的周期误差来源于晶振本身的误差，系统使用的晶振初始频率一温度误差为50 ppm，具有极小的时钟误差。
4 系统功能验证 为了验证振动信号采集系统的各项功能，本研究采用由振动台输出的正弦信号作为系统的输入激励，由本文设计的采集系统对该振动信号进行采集，从而检验系统采集功能的准确性。试验中用到的设备情况如下：使用随机振动台，施加21.5 hz正弦振动激励信号，幅值分别为1 g和2 g两种激励，使用振动传感器精度为104 mv/g，测量结果为图5和图6所示。
由图可以看出，信号的幅值接近激励值，与输入的正弦激励信号基本一致，进行频率分析，进行fft转换后频率为21.5 hz，与输入激励信号的频率一致。实验结果表明，该振动信号采集功能正确。
5 结论 本文提出的fpga的振动信号采集系统具有硬件组成少，可在不需要中央处理器即可完成数据的自动采集，且具备并行可扩展性，功能移植性好，同时具有较高的采样周期和精度，可以满足大多数工业与航空领域中振动采集的要求。
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1 总体设计 振动信号采集系统以fpga芯片为核心，通过a/d转换芯片采集振动信号，然后通过rs-422串行总线接口将采集的数据传输给上位机，在故障诊断软件以作出相应的诊断处理。振动信号采集系统的硬件按照功能模块可以划分为信号调理电路、a/d转换电路、fpga控制逻辑和rs-422接口转换电路，系统硬件结构如图1所示。
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1)信号调理电路：信号调理电路主要对由集成电路压
电式(integrated circuit piezoelectricity，icp)加速度传感器采集到的振动信号进行调理驱动、放大和抗混叠滤波处理，使模数转换器(analog to digital converter adc)芯片能够获取该振动信号，并作出进一步处理工作。
2)a/d转换电路：a/d转换电路将经过信号调理的信号进行模/数转换，并将转换结果传送至fpga进行数据采集，此功能电路决定了整个系统的分辨率和采集精度。
3)fpga控制逻辑：fpga芯片是该主控模块的核心部分，控制振动信号的采集和数据传输，此功能电路控制着系统的采样周期。
4)rs422接口转换电路：将a/d转换后的数字信号，通过rs422总线传输到上位机。
2 硬件电路设计 2.1 恒流源电路
系统采用icp集成电路压电式加速度传感器检测被测设备的振动信号，它将传统压电加速度传感器和放大器集于一体，供电和信号输出共用同一根电缆，通过恒流源为其供电，输出信号经过信号调理电路后连接单片机进行测试，使采集系统得到了简化，减少电缆的数量，同时省去了电荷放大器，降低了成本。
icp传感器所需的供电电源必须能够提供18～30 v的直流电压以及2～20 ma的恒定电流。由于传感器共用电源线与信号输出线，所以它的输出信号会包含一个8～14 v的直流偏置电压，通过去耦电容滤除信号中的直流分量。
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由于a/d转换芯片输出电平为5 v的ttl电平，需要配置电平转换芯片，将5 v电平转换为3.3 v电平，再送入现场可编程门阵列(field programmable gate arrays，fpga)，完成对采集电路中a/d转换芯片的时序控制。
a/d转换公式：a/d芯片采集到的数值为0～0xffff的16位二进制数，对应-10 v～+10 v的电压，电压转换计算公式如下：
2.4 通讯模块的设计
rs-422驱动电路由uart协议、电平转换和接口电路组成，其中协议转换由可编程逻辑实现。串行接口数据格式为：1个起始位，8个数据位，奇校验位，1个停止位，工作频率设计在115 200 bps。fpga芯片将采集到的ad转换后数据转发到rs-422总线。由于ad采集芯片为16 bit，所以在设置先发数据的高8 bit，再发送数据的低8 bit。
3 可编程逻辑设计 3.1 可编程逻辑功能设计
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3.1.1 ad采集模块
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1)波特率为9 600 bps～115.2 kbps可通过软件编程;
2)内建128字节接收fifo和128字节发送fifo;
3)数据长度、停止位长度、奇偶校验可通过软件进行编程;
4)计算公式：波特率=外部时钟(14.745 6 mhz)/(16×分频因子)。
3.2 系统功能逻辑设计
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5 结论 本文提出的fpga的振动信号采集系统具有硬件组成少，可在不需要中央处理器即可完成数据的自动采集，且具备并行可扩展性，功能移植性好，同时具有较高的采样周期和精度，可以满足大多数工业与航空领域中振动采集的要求。
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