高速旋转机械振动数据采集系统研究

【摘要】在新形势下，机械稳定运行、设备利用率的提高都和旋转振动监测有着密不可分的联系，高速旋转机械振动检测离不开数据采集系统，必须进行合理化设计，是确保高速旋转机械安全、稳定运行的重要保障。因此，本文从不同角度入手客观阐述了基于FPGA的高速旋转机械振动数据采集系统。

【关键词】FPGA；高速旋转机械；振动；数据采集系统

1基于FPGA的高速旋转机械振动数据采集系统整体设计架构

通常情况下，压缩机、燃气轮机等都属于旋转机械，已被广泛应用到不同领域中，比如，航空航天、石油化工、电力，发挥着关键性作用。就嵌入式系统来说，是电子技术、半导体技术等相互作用下的产物，在“智能工业”方面起到不可忽视的重要作用，FPGA、DPS两类嵌入式系统在工业中的应用非常广泛。就FPGA来说，以并行计算为中心，可以对多路信号进行科学地并行处理，有效满足用户多样化客观需求。针对高速旋转机械运行情况，急需要综合分析各方面影响因素，优化设计基于FPGA的高速旋转机械振动数据采集系统[1]。在设计过程中，设计人员要采用自顶向下的设计形式，科学设计系统各模块，比如，FPGA控制模块、电源模块、EPCS模块。其核心流程体现在多个方面，键相信号模块在接收外部键相信号、触发采样程序，在信号作用下，振动信号会科学调理对应的电路，咋进入到A/D芯片，科学转换模数，及时传输对应的数字信号，确保FPGA主芯片可以及时接收到，开发FPGA嵌入式NIOSII软核，并行运算并科学处理对应的信息数据，在以网模块作用下，处理之后的一系列数字信号可以和上位机数据实现通信，在线动态监测等。相应地，图1便是基于FPGA的高速旋转机械振动数据采集系统整体框架结构示意图。

2基于FPGA的高速旋转机械振动数据采集系统硬软件设计

2.1硬件电路

在设计过程中，硬件电路设计的重要性不言而喻，也是FPGA下高速旋转机械振动数据采集系统高效运行的重要保障[2]。设计人员先要准确把握该数据采集系统各类模块，客观分析彼此间的关系，综合分析各方面影响因素，严格按照相关规定，科学选择各模块、电子元器件，科学绘制电路原理图，准确把控PCB布局布线，科学开展一系列设计工作。2.1.1FPGA模块、A/D模块在设计FPGA模块中，设计人员要根据各方面实际情况，选择适宜的芯片，要能够支持嵌入式软核NIOSII开发，可以支持不同类型的电气标准，能够科学并行运算对应的海量信息数据，对该数据采集系统进行合理化的逻辑以及时序方面的控制[3]。同时，就A/D模块来说，在设计过程中，设计人员要准确把握应用其中的芯片，要具有较高的性能，能够有效满足高速旋转机械振动数据采集方面的具体要求，实现实时采集，充分发挥芯片多样化作用，向四个模拟准确输入同步采集，可以分别进行选择，促使设计的A/D模块充分发挥多样化作用。2.1.2键相信号处理模块、以太网模块设计人员要准确把握告诉旋转机械振动监测具体要求，科学设计键相信号处理模块，根据高速旋转机械运行情况，准确把握采样速度，促使高速旋转机械运行速度、采样速度同时加快，达到同步采样的目的。以此，借助键相信号处理模块，充分发挥键相信号，全方位客观分析两个键相信号时间间隔，准确计算旋转机械的具体转速，为采集各方面海量信息数据提供有利的保障。此外，在设计以太网模块中，设计人员要根据FPGA控制模块等情况，进行合理化设计，充分发挥其具有的信息数据传输功能，实时传输硬件、上位机方面海量信息数据，确保高速旋转机械在线实时监测顺利实现。

2.2NIOSSII嵌入式系统

在设计硬件电路的过程中，设计人员可以结合各方面情况，科学设计NIOSSII嵌入式系统，将其作为FPGA芯片的开发平台，由硬软件两部分开发组成，硬件方面，在计算机作用下，顺利生成NIOSSII嵌入式系统硬件系统，构建科学的quartus工程、NIOSSII软核等，软件方面，建立在硬件系统生成基础上，也体现在多个方面，构建合理的软件工程等。在设计中，设计人员要根据NIOSSII嵌入式系统特点、性质等，围绕C语言等，科学编程。2.2.1采集系统程序在设计过程中，设计人员要准确把握数据采集系统程序，即采样程序、以太网通信程序。在采样程序方面，设计人员要准确把握芯片通道特点、性能，明确单通道最大化采样速度，也包括同步采样速度。采样之前，设计人员要巧妙利用命令书写方法，正确启动芯片，启动结束之后便可以进行数据采样工作，转换中，A/D模块的外输入时钟会自由运行，不同通道模拟信号会进行转换，转换数值会出现在对应信号数据总线中。同时，如果第一个通道的信息数据已出现在数据总线中，说明相关信号处于低电平状态。设计人员要结合各通道逻辑集成，优化采集系统程序设计，合理设置A/D芯片，确保多个通道可以顺利实现同步采样。随后，设计人员要根据相关规定，科学设置采样间隔时间，确保其中的A/D芯片在系统运行中可以及时采样，合理转换模数，转换结束之后，便会发出中断信号，NIOSII软核便会出现在中断服务程序中，读取其中的采样信息数据，科学处理一系列信号。此外，在以太网程序方面，设计人员要客观分析多个方面，看以太网通信传输是否和TCP/IP传输协议吻合，科学设置上位机接收端、本地发送端多个方面，比如，以太网段端口、MAC地址。2.2.2数据处理在设计NIOSII嵌入式系统中，设计人员要注意数据处理，该系统要具有较高的数据处理能力，可以实现自定义指令设计，促使并行运算顺利进行，充分发挥matlab软件多样化作用，科学处理各方面信息数据。

3结语

总而言之，在设计过程中，设计人员要全方位客观分析高速旋转机械各方面情况，明确FPGA下数据采集系统设计的具体要求，科学设计FPGA下高速旋转机械振动数据采集系统硬件电路、NIOSII嵌入式系统等。以此，确保设计的数据采集系统处于安全、稳定运行中。

参考文献

[1]国库处，李长坚.旋转机械振动监测用数据采集与传输系统设计及实现[J].河南科技，2014，05：91~92.

[2]赵剑峰，刘振祥，王文德.基于嵌入式系统的旋转机械振动数据采集系统[J].机电设备，2011，02：11~13.

[3]卢松.基于FPGA的激光自混合干涉信号高速数据处理系统设计[D].南京信息工程大学，2016.

作者：刘煜 单位:江苏自动化研究所