基于FPGA CycloneⅡ系列EP2C35实现轴系扭振监测系统的设计方案.docx

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1、基于FPGACyc1oneII系列EP2C35实现轴系扭振监测系统的设计方案杨，译菲，唐小华，王花朋扭振（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。目前按照对扭振值号的提取方式，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CP1D。单片机采集信号速度低且系统实时性较差；用单片机结合CP1D实现，系统可扩展性不好，一旦硬性做成很难改动，另外可编程器件与单片机

2、接口的速率匹配也是一个瓶颈问题。SOPC（SystemOnPrograinmb1eChip）是A1Iera公司提出的片上可编程系统解决方案。它将里、存储器、统0接口、DSP模块、低电压差分信号（1VDS）技术、晅变数据恢复技术（CDR）以及锁相环（P11）等系统设计所必需的模块集成到一片EE01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

3、齿轮盘也是匀速转动，且饯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360c=,的时间为tc,则平均速度为“c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On。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遮装置组成，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

4、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no2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。图1监测系统框图系统设计采用A1tera公司的新一代低成本FPGA一Cyc1one1I系列的EP2C35实现SOPC系统设计。系统硬件主要包括FPGA上的件OSH处理器系统、FPGA外的接口和外设两部分。NioSI1处理器系统由基于AVaIonBUS的NioSI1CPU、串行接口、PIO.P1o控制器、存储器控制器、定蝇以及片上RAM等IP组成。外设包括：信号拾取整形模块、USB

5、-BIaSte1模块、F1ashSDRAM1CD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NioSH处理器，C1ock（系统时钟）模块提供50MHZ有源时钟和用户自定义的外部时钟。上位PC用软件接收避配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P1O可实现对整形模块、键盘、1CD等外设的控制。存储器控制器分别与片外FIaSh和SDRAM连接，实现对存储器的访问。2.2系统硬件定制2.2.1FPGA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

6、量口列表，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。1端口信号列表端口名称I/O方向描述CIkInput输入时钟ret_nInput输入复位信号（底有效）in_enInput输入采样使能信号（高有效）WreStFIaP_PneInput输入光电编码器信号circ1jimeOutput输出光电编码器一圈时间grideJimeOutput输出光电编码器一格时间gride_en_pnOutput输出光电编码器一格时间采样信号如图2所示，当in_en高有效时，在WrestF1ap_one上升沿，寄存

7、器gride_cnt加1,同时Wridetime,CirC1time开始计算。当下一个TyreStF1ap_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WrestF1ap_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gridjcnt一圈数完时，CirC1tinIe输出上一圈的总时间。在WreStFIap_one下降沿，gridjen输出使能采样信号，高有效，此信号做为后端FIFO写在能信号。（图中椭Ia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/ime是207,第2格对应的g

8、ride-time是219。）2.2.2SOPC硬件模块加载及系统构成在SOPCBui1der中进行扭振测量系统配制。添加Ahera自有的丰富IP核，选择SOPCBUi1der生成HD1代码的类型为Veri1og,选择芯片EP2C35,确定系统工作频率，配制处理器选项，定义处理器地址，配制外围设备，安排存储器地址和范围，为外围设备和接口设置所需的中断优先级。同时为优化硬件设计，系统设计了用户自定义外设模块。SOPCBUiId所用模块如下：（1） NIOSIIProcessorCPU；（2） tri_state_bridge(AVaIOn连接总线)；（3） 1cd_16207_0（1CD显示）；

9、（4） sdram,cfi_fIash（存储器）；（5） button_pio,switch_pio（输入控制端口）；（6） Dma（传输控制）。2.2.3用户自定义外设设计系统设计自定义模块是Ava1on流模式采集输入控制器。该控制器设计符合Ava1on总线规范，功能是将采集的数据完整送入SDRAM以便存储以及方便数据处理。系统CPU速率为50MHz,而采样速率不定，因此需要FIFO实现前后传输的连贯性。然后经过DMA传输通道将数据存入SDRAM。AVa1On流模式采集输入控制器硬件结构，控制器模块分为采集模块和HFO传输模块两部分。采集模块实现数据的采集，其输入接口有：Wri拄_c1k（写

10、时钟）、write_en（写使能）与SamPIe_data（16位数据总线）。挂在AVa1On总线上的接口有F1FOQ15：0（数据输出总线）、ChiPSeIeCt（片选信号）、read_req（读请求信号）、address（AVa1on总线地址）read_empty（读空信号）、read_c1k（读时钟）。o11cetionWritCc1kSamP1e_data=iwriteenQ15:0addressreadreqread_emptychipse1ectread-c1k图3Ava1on流模式采集输入控制器硬件结构设计使用光电编码每格有效信号作为写使能控制向FIFO写数据，读请求信号read

11、_req由总线发出，经read_empty控制DMA取FIFO中数据的时间，在read_empty低电平期间（即FIFO不空）取FIFo中数据。其时序见图4,其中DataaV或IabIe信号接FIFo输出的空信号（read_empty）。仿真波形，如图5所示。MvTmr1iMNitwWtMM3rvU+9zXSZ图5F1FO仿真波用设计完成后启动SOPCBui1der的Generate生成用于综合和仿真的文件，最后在QUarUSH中锁定端口引脚，对生成的处理器系统进行仿真、综合、适配并下载到FPGA中。2.3系统软件设计系统软件共有数据采集模块、数据存储计算模块、UART数据发送控制模块和1CD

12、显示控制模块。系统软件流程图，如图6所示，数据采集模块有开关使能。当开关键有效且处于有效采样信号下时，系统开始接收由光电编码器经整形电路采集到的脉冲信号，每次采样信号有效时，采样次数加一，系统共可采集8Ooo格数据。图6系统软件流程图数据存储计算模块根据采集到的数据计算出瞬时扭角，平均扭角和误差。同时数据发送模块通过按键组控制向上位PC机发送这3种数据，并由1CD控制模块以二行形式显示，通过按键控制进行刷新显示。3结束语利用SOPC技术实现的轴系扭振监测系统，与以往的数字式扭振监测技术相比，由于采用了软硬件协同设计，从而大大节省了软硬件成本，缩短了开发周期；N1OS软核的利用使监测系统拥有了强大的运算能力，数据的传输速度也有较大提升。基于SoPC技术的扭振监测信号动态分析范围较大，可以在高低转速的轴系之间快速切换，若与数据库技术结合，则可以实现检测、分析和监控告警一体化。同时这种监测系统也适用于各种回转轴系系统，如内燃机曲轴、发电机、齿轮传动链等，具有广阔的应用前景。责任gt