基于FPGA的振动监测系统设计与实现

学术交流・质量管理与检验　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　基于ＦＰＧＡ的振动监测系统设计与实现　韩旗　，蔡萍２　（１．海军驻上海七。四所军事代表室，Ｉ－；￣－２０００３　１；２．上海交通大学，上海２００２４０）　摘要：针对长时间持续监控设备或结构振动的需求，基￣ＦＰＧＡ技术构建了一个多通道振动　监测系统，论文详细介绍了监测系统的硬件构成，ＦＰＧＡ￣固件设计及基于ＵＳＢ接口的数据传输的　实现。系统已在实际工况下运行，可靠性良好，并具有良好的可扩展性。　关键词：振动监Ｓ０；ＦＰＧＡ；ｆｌａｓｈ￣储；ＵＳＢ传输　中图分类号：Ｕ６６５．１３　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ　ｘ　１０．１４１４１／ｊ．３１—１９８１．２０１５．０６．０ｌｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰ６　ＨａｎＱｉ　，ＣａｉＰｉｎｇ２　ｆ１．ＮａｖｙＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎＯｆｉｃｅａｔＮｏ．ｆ７０４ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｇｈａｉ　ＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：／ｎ　ｏｒｄｅｒｔｏｍｏｎｉｔｏｒｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎ　ａｌｏｎｇｐｅｒｉｏｄｏｆｔｉｍｅ，ａ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｈ　ｍｕｌｔｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ　ｂａｓｅｄｏｎ　ＦＰＧＡ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｆｉｒｍｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｈｅ　ｔｄａｔａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｖｉａ　ＵＳＢ　ａｒｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　Ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ａｌｒｅａｄｙｂｅｅｎｉｎｕｓｅｉｎｔｈｅｒｅａｌｉｆｅｌｄａｎｄｈａｓｓａｔｉｓｉｆｅｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｓｗｅｌｌａｓｇｏｏｄｅｘｐａｎｓｉｂｉｉｆｙｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，＂ＦＰＧＡ；ｆｌｓｈ　ａｓｔｏｒｉｎｇ，＂ＵＳＢ　ｒｔａｎｓｍｉｔｉｔｎｇ　０引言　振动和噪声对仪器设备和人体生理功　理产生　的影响愈来愈受到重视。船舶航行时产生的噪声和　振动会给船匕设备仪器的正常运行和乘员的舒适性　带来影响；大型工　设备的振动噪声不仅影响操作　基于程Ｊ莉　行机制工作的控制器抗电磁干扰较差、　长期稳定Ｉ生不能保证。为此，本文提出了—种基于　ＦＰＧＡ的三轴振动监测系统方案，并ｉ　亍了实现。　１系统构成　环境振动测量通常需要觌多点或多轴的振动　工人的听力，严重时甚至导　血管系统和消化系　统的疾病；铁／轻轨／高架公路等设施的振动则会严　重影响周围居民的日常生活。　为了对结构进行减振设计或ｉ　亍安观定量的环　境振动噪声评估，需要对振动进行长期的数据采集。　对于长期监测、无人值守且电磁环境恶劣的使用环　境，需要设计—种具有高可靠Ｉ生的振动监测系统进　行数据采集和数据保存。普遍采用的单片们或其它　数　｝采梨”，要求系统台　生无人监守的　盯Ｆ七锎　稳定工作。长时间监贝崾球系统具有较大的数据存　储容量，并提供日搁指针。ＦＰＧＡ通过硬　惭需　功能，具有各模块独立运行、并行处理数据、方便　扩展、无中断等待，　及进程互相干扰等特Ｉ生，非　鸯　磁环境恶劣、需要　翱赫苗　亍白勺场合。　作者简介：韩旗（１９７０－）男，硕士，高级工程师，研究方向：船舶机电设备。　２０　１　５／６船舶标准化工程师　３７　一　—一．Ｌ－　　图１通用振动监测系统构成　ＩＣＰ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）传感器为　内置集成电路的压电式振动加速度传感器。内置的　集成电路将原来的高阳抗输出转换为低阻抗输出，　ｌ模块　Ｉ　从而大大提高了系统的抗刊治皂恒流源供电力。ＩＣＰ传感器由　其输出电Ｊ＿白勺交流分量与振动加速度　，　ｌ成正比，通过隔直电容Ｃ输出到　昆叠滤波器。抗　混叠滤波器用于滤除高于１／２采样频率的频谱成　分，以避免采样信号混叠圈。通过Ｆ动信号进行多通道高速采样ＰＧＡ控制对振　并读取时间信息，保　，　Ｉ／时间　黜　存于ＮＡＮＤ　ｆｌａｓｈ芯片中。定期将保存的数据通过　ＵＳＢ协议进行数据转存。　ＡＹＤＣ芯片ＡＤ７６５６具有高达２５０Ｋ／ｓ的采样率，　１６ｂＲ分辨力，能够同时对６路输入信号进行采样；　数据存储模块Ｈ２７ＵＢＧ８Ｔ２ＢＴＲ具有复用的８位数　据总线和地址总线，存储容量４ＧＢ，ＦＰＧＡ通过Ｉ２Ｃ　与日历芯片ＰＣＦ８５６３接口，获得时间指针。通过　ＵＳＢ接口芯片ＣＹ７Ｃ６８０　１　３Ａ将数据传输到上位机　ｉ　亍数据分析。据传输模式时自动休眠，等待时钟唤醒。ｆｌａｓｈ写入　牍取模块根据工作模式的设定［４］，分别启动对应模　ＦＰＧＡ固件　图２　ＦＰＧＡ固件瞵决　１　＿●－●●＿－＿＿＿＿＿●＿——　２　固件设计　ＦＰＧＡ内部的程序以ＶＨＤＬ语言进行编写，通　过模块化设计，使各项任务并行、独立运行。固件　设计各模块如图２所示。　系统使用５０Ｍ的外部时钟，通过ＦＰＧＡ内部锁相环电路保证时钟ｆ　目位一致，通过分频获得各个模块需要的时钟频率；日　卖取模块通过普通１０口｝莫｛以１００ＫＨｚ的Ｉ２Ｃ仂议，　寸日期的读取；Ａ／ＤＣ数据读取模块在振动数据采集时驱动　ＡＤ７６５６芯片采样于１０ＫＨｚ下工作，而在休眠及数　块，获　媚后　储入ｆｌａｓｈ　猪读取ｆｌａｓｈ数据后　传输到ＵＳＢ传输模块。以下按照模块分别进行介　绍。　１）日历读取模块　ＰＣＦ８５６３在Ｉ２Ｃ总线上的器件写入从地址为　０ｘＡ２　Ｈ，读取从地址为０ｘＡ３　Ｈ，其０２ｈ至０８ｈ子　寄存器分别存储从秒到年７段ＢＣＤ码时间信息，　在系统悼电　下通过电；也供电ｊ正常上电日寸贝岫　电源供电　保证时间信息的完整。　３８　船舶标准化工程师２０１　５／６　Ｉ学术交流・质量管理与检验　ｌ　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ＦＸ２处理器将数据传输至Ｅ位机。　参考文献：　［１］阎洁．基于ＤＳＰ和ＣＰＬＤ的船舶振动监测系统的研究　３　结束语　本研究实现的基于ＦＰＧＡ的三轴振动监测系统　能够对六　言号以１０Ｋｓａｍｐｌｅｓ／ｓｅｃｏｎｄ进行同步采样，在偶发的掉电情况下能够正常恢复工作，继续　记录振动信号。作为存　荣介的ＮＡＮＤ　ＦＬＡＳＨ能　够保证数据有效　，采集完成后通过ＵＳＢ　２．０接口　将数据传输到上位机，进行后续分析。使用结果表明本系统具有在电磁刊￡环境下长期稳定工作的能　力，适用于对雀　中结构和设备的振动ｉ　亍长期监测的场合。　［Ｄ］．天津大学，２００５．　［２］宗赤．基于加速度　躯　器自　几胄鲫　电　立品世界，２０１１（４）：４６－４７．　用［．Ｉ］．国外电ｌ子测量技术，２００２（５）：２９．３１．　［４］李庆、戚ｊ孙明达．基于ＮＡＮＤ型闪存的嵌入式文件系　统　十［．Ｉ］．计算机应用研究２００６（４）：２３１－２３３＋２３９．　［５］扈啸，张［己，张ｉ奎趄ＵＳＢ２．０控制器ＣＹ７Ｃ６８０１３特点　与畦佣［Ｊ］．单片机与嵌入式系统畦＿用，２００２（１０）：４８—５０＋５４．　０系统　十［Ｊ］．　［３］李海坞，朱元清，陶菩．实时时｝中芯片ＰＣＦ８５６３及其应　（上接第３１页）　符合，采取的噪声控制措施有效，为后续半潜式平　台前期噪声控制及布置优化提供了参考。　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ａ］．ＡＩＡＡ１３ｔｈ　Ａｅｒｏ　ａｃｏｕｓｔｉｃｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］，　１９９０．　［４］王佐民．统计能量分析的原理及应用［Ｊ］．声学技术，　参考文献：　［１］伍先俊，朱石坚．统计能虽麒在舰船降噪上的应用　１９８７，６ｆ４１：２４－２６．　［５姜聪聪５］基于ＳＥＡ法的自升式平台生；舌区舱室噪声研　综述［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００４，１６（６）：３７－４０．　［２］ｌｉｎｏ　Ｈｏｎｄａ　Ｉ．Ｔｏｔａｌ　ｎｏｉｓｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ａ　究［Ｄ］．大连理工大学，２０１２．　［６］邱斌．高速船全频段舱室噪声预报与控制方法的研究　ｐａｓｓｅｎｇｅｒ　ｃｒｕｉｓｅ　ｓｈｉｐ［Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　５ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ　ａｎｄ　Ｍｏｂｉｌｅ　ｕＩｌｉｔｓ，　ＰＲＡＤＳ’９２［Ｃ］．Ｌｏｎｄｏｎ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９２，　［Ｄ］．武汉理工大　２０１０．　［７］马大猷．噪声与振动控制工程手册［Ｍ］．北京：机械工　业出版社，２００２．　１：１６４８—１６６１．　［３］ＧｒｏｓｖｅｌｄＨＧＤ．Ｐｒｅ￣ｃｉｆｏｎｏｆｉｎｔｅｉｒｏｒｎｏｉｓｅｄｕｅｔｏ　ｒａｎｄｏｍａｃｏｕｓｔｉｃ　ｏｒｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｌａｙｅｒ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｓｉｕｎｇ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　［８］吴雄祥．高速船典型节点耦合损耗因子研究［Ｄ］．武汉　理工大学，２０１３．　庆祝世界标准日暨标技委秘书处工作座谈会顺利举行　本刊讯中船重工集团公司庆祝世界标准日暨专　标准化技术委员会秘书处工作座谈会于２０１５年１０月　２２日在上涮ｌｌ面禾Ｕ举行，由中船重工标准化研究中Ｉ　办。　中船重工集团公司军工部副主任张仁茹、副处长符道、中船重工第７０４所副所长焦依、中船重工标准化　研究中心副主任刘震出席了本次座谈会，并发表了讲话。座谈会首先宣读了２０１５年世界标准日的祝词《标准　是世界的通用语言》，然后刘震副主任作了关于《当前标准化改革形势任务及标准助力装备走出去思考建议》　的汇报演讲。最后，中船重工各研究单位负责标准化工作的同志们在座谈会上各抒己见，介绍了各单位的项　目情况，　及建议和意见，并进行了热烈的讨论，为下—步工作做了部署和计划。　２０　１　５／６船舶标准化工程师　４１