基于FPGA的振動信號采集系統設計及實現 - 全文

摘要：針對機械設備運行中的振動監控，設計振動信號采集系統，提出了一種基于FPGA的振動信號采集系統的設計方案。重點闡述了系統硬件結構組成、信號調理電路和數據采集模塊的設計，同時對A/D采樣的控制邏輯進行了討論。經試驗驗證表明，該系統可達到采樣率10 K每秒、采集精度16位，能夠滿足實時性和精度要求。

隨著生產機械、運輸機械或工程結構向著高速、高效、高精度和大型化發展，機械設備的任何部件出現故障都可能降低加工精度，帶來較大的經濟損失，甚至危及人身安全。機械部件的振動狀態監測已成為生產中的一個必不可少的環節，并對相應機械部件進行早期的故障預測。文中采用FPGA為核心開發振動信號采集系統，對數據采集模塊及通訊模塊進行了同步設計。

1 總體設計

振動信號采集系統以FPGA芯片為核心，通過A/D轉換芯片采集振動信號，然后通過RS-422串行總線接口將采集的數據傳輸給上位機，在故障診斷軟件以作出相應的診斷處理。振動信號采集系統的硬件按照功能模塊可以劃分為信號調理電路、A/D轉換電路、FPGA控制邏輯和RS-422接口轉換電路，系統硬件結構如圖1所示。

系統硬件各個功能模塊的作用如下：

1)信號調理電路：信號調理電路主要對由集成電路壓

電式(Integrated Circuit Piezoelectricity，ICP)加速度傳感器采集到的振動信號進行調理驅動、放大和抗混疊濾波處理，使模數轉換器(Analog to Digital Converter ADC)芯片能夠獲取該振動信號，并作出進一步處理工作。

2)A/D轉換電路：A/D轉換電路將經過信號調理的信號進行模/數轉換，并將轉換結果傳送至FPGA進行數據采集，此功能電路決定了整個系統的分辨率和采集精度。

3)FPGA控制邏輯：FPGA芯片是該主控模塊的核心部分，控制振動信號的采集和數據傳輸，此功能電路控制著系統的采樣周期。

4)RS422接口轉換電路：將A/D轉換后的數字信號，通過RS422總線傳輸到上位機。

2 硬件電路設計

2.1 恒流源電路

系統采用ICP集成電路壓電式加速度傳感器檢測被測設備的振動信號，它將傳統壓電加速度傳感器和放大器集于一體，供電和信號輸出共用同一根電纜，通過恒流源為其供電，輸出信號經過信號調理電路后連接單片機進行測試，使采集系統得到了簡化，減少電纜的數量，同時省去了電荷放大器，降低了成本。

ICP傳感器所需的供電電源必須能夠提供18～30 V的直流電壓以及2～20 mA的恒定電流。由于傳感器共用電源線與信號輸出線，所以它的輸出信號會包含一個8～14 V的直流偏置電壓，通過去耦電容濾除信號中的直流分量。

本系統采用TI 公司的三端可調恒流源器件LM334芯片。LM334為單片三端可調恒流源，實際應用中，改變連接電阻就可構成不用獨立電源的兩端理想電流浮置源，改變R可以改變恒流源的電流值，其公式為：

系統中設置為LM334的工作電壓28 V，電阻R標稱值33 Ω，輸出電流為2 mA。

2.2 信號調理模塊的設計

2.2.1 隔離、放大電路設計

ICP加速度傳感器輸出信號包含有直流偏置電壓，電路設計隔直電容C1和C2濾除此直流分量，然后采用精密儀表運算放大器芯片實現對模擬信號的放大處理，通過調節外部比例電阻可完成增益從1至10 000之間的任意選擇。隔離、放大電路的原理圖如圖2所示。

N1為精密儀表運算放大器，其增益值依據下式可計算得出：

式中：G為電壓放大增益;Rref為比例參考電阻，單位Ω。

現階段取Rref開路，即Rref=∞，計算可知G=1。

R1、R2為輸入端匹配電阻，標稱值4.7 kΩ。

R3、R4為開路接地電阻，標稱值1 MΩ。

C1、C2為輸入端隔直電容，標稱值0.1μF，額定電壓值50 V。通過C1，C2和R3，R4構成的高通電路，-3 dB截至頻點是15.92 Hz，對信號進行隔直處理，同時不影響采集信號。

C3、C4、C5為精密儀表運算放大器輸入端的濾波電容，標稱值為0.001μF、0.01μF、0.001μF，與R1、R2構成低通電路，對共模信號的-3 dB截至頻點是33.87 kHz，對于差模信號的-3 dB截至頻點是1 610 Hz，有效的濾除進入采集電路的干擾信號。

2.2.2 抗混濾波電路設計

經過放大處理后的振動信號會混雜有高頻干擾信號，這些高頻信號就會產生頻率混疊現象，造成采集系統的精度下降。

抗混濾波電路采用二階壓控電壓源低通濾波電路，濾波器的截止頻率則由電阻R1、R2和電容C1、C2控制。二階低通濾波電路的原理圖如圖3所示。

濾波電路設計參數如下：
R1=R2=15 kΩ，R3=R4=10 kΩ，C1=C2=10nF;

二階低通濾波電路的傳遞函數為：

式中：A(s)為開環增益;Q為等效品質因數;ωn為電路的特征角頻率s。

其中Avf=1+R3/R4=2，Q=1/(3-Avf)=1>0，故A(s)的極點全部位于左半s平面，電路不會產生自激震蕩。

另一方面，由濾波電路傳遞函數可得幅頻響應表達式為：

可以計算出，其在ω/ωn=10時，幅頻特性曲線有-40 dB的衰減，電路的幅頻響應具有較好的低通特性，濾波器截止頻率f=1/2πRC≈1 062 Hz。

2.3 數據采集模塊的設計

數據采集模塊主要圍繞A/D轉換芯片展開設計，系統選用單通道的16位A/D轉換芯片進行采樣，采樣頻率最高分別可達100 ksps。目標采樣的振動信號的頻率一般為低頻信號，設計采集系統的檢測5 kHz頻率范圍內的振動信號，按照香農采樣定理，A/D轉換芯片的采集速率應不小于10 k每秒，100 ksps的A/D轉換芯片完全可以滿足本系統需求。

由于A/D轉換芯片輸出電平為5 V的TTL電平，需要配置電平轉換芯片，將5 V電平轉換為3.3 V電平，再送入現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Arrays，FPGA)，完成對采集電路中A/D轉換芯片的時序控制。

A/D轉換公式：A/D芯片采集到的數值為0～0xFFFF的16位二進制數，對應-10 V～+10 V的電壓，電壓轉換計算公式如下：

2.4 通訊模塊的設計

RS-422驅動電路由UART協議、電平轉換和接口電路組成，其中協議轉換由可編程邏輯實現。串行接口數據格式為：1個起始位，8個數據位，奇校驗位，1個停止位，工作頻率設計在115 200 bps。FPGA芯片將采集到的AD轉換后數據轉發到RS-422總線。由于AD采集芯片為16 bit，所以在設置先發數據的高8 bit，再發送數據的低8 bit。

3 可編程邏輯設計

3.1 可編程邏輯功能設計

系統選用Xilinx公司的Spartan系列芯片，此系列具有性能優良、性價比高、非易失性等特點，擴展了片上flash存儲器，用于FPGA的配置和非易失性數據的存儲，具有充足的資源滿足采集系統的邏輯功能需求。可編程邏輯采用模塊化的設計思想，設計AD采集模塊和UART協議模塊。

3.1.1 AD采集模塊

FPGA芯片控制A/D轉換芯片RC信號為低電平，AD芯片啟動轉換工作，同時BUSY信號輸出低電平，轉換完成后AD芯片BUSY信號重置高電平，AD芯片數據輸出端口輸出有效數據。FPGA檢測到BUSY信號，將AD芯片轉換后的數據存入UART發送寄存器中。

3.1.2 UART協議模塊

UART協議模塊采用的是串口通訊協議軟核，其設計特點是：

1)波特率為9 600 bps～115.2 kbps可通過軟件編程;

2)內建128字節接收FIFO和128字節發送FIFO;

3)數據長度、停止位長度、奇偶校驗可通過軟件進行編程;

4)計算公式：波特率=外部時鐘(14.745 6 MHz)/(16×分頻因子)。

3.2 系統功能邏輯設計

采集系統的控制設計為周期自動采集，一次采樣過程如下：首先啟動A/D轉換器，然后判斷BUSY信號轉換是否結束，A/D轉換結束后FPGA讀取A/D轉換結果，并直接存入UART發送寄存器，然后等待延時到下一周期，并開始第二次采集，自動完成振動信號的采集。FPGA的自動控制流程如圖4所示。

系統設計采樣周期為200 us，遠大于A/D轉換芯片的轉換時間，決定了系統的采樣速率5 kHz，可滿足大多數機械部件振動信號的采集要求。采樣周期控制由FPGA使用的時鐘計數決定，此系統使用的時鐘為10 MHz，系統的周期誤差來源于晶振本身的誤差，系統使用的晶振初始頻率一溫度誤差為50 PPM，具有極小的時鐘誤差。

4 系統功能驗證

為了驗證振動信號采集系統的各項功能，本研究采用由振動臺輸出的正弦信號作為系統的輸入激勵，由本文設計的采集系統對該振動信號進行采集，從而檢驗系統采集功能的準確性。試驗中用到的設備情況如下：使用隨機振動臺，施加21.5 Hz正弦振動激勵信號，幅值分別為1 g和2 g兩種激勵，使用振動傳感器精度為104 mV/g，測量結果為圖5和圖6所示。

由圖可以看出，信號的幅值接近激勵值，與輸入的正弦激勵信號基本一致，進行頻率分析，進行FFT轉換后頻率為21.5 Hz，與輸入激勵信號的頻率一致。實驗結果表明，該振動信號采集功能正確。