基于FPGA 的振动信号采集系统设计及实现*

王凌伟，樊 瑞，秦 冲，赵 君

(中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)

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［1，2］。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［3］，系统硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构框图

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［4］，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。

图2 振动信号采集电路

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0.1 μF，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0.001 μF、0.01 μF、0.001 μF，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［5］，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。

图3 二阶滤波电路

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:

当AD 值小于0x8000:

当AD 值大于等于0x8000:

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。

图4 FPGA 自动控制流程

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-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。

图5 1 g 正弦信号的测量结果

图6 2 g 正弦信号的测量结果

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。

［1］李德葆.工程振动试验分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［2］李允公.机械故障诊断与状态监测特征提取中的若干典型问题的研究［D］.沈阳:东北大学，2005:15.

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