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

　　作者：杨怿菲，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。

目前按照对扭振信号的提取方式，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CPLD。单片机采集信号速度低且系统实时性较差；用单片机结合CPLD实现，系统可扩展性不好，一旦硬件做成很难改动，另外可编程器件与单片机接口的速率匹配也是一个瓶颈问题。

SOPC（System On Programmble Chip）是Altera公司提出的片上可编程系统解决方案。它将CPU、存储器、I／0接口、DSP模块、低电压差分信号（LVDS）技术、时钟数据恢复技术（CDR）以及锁相环（PLL）等系统设计所必需的模块集成到一片FPGA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，轴上的齿轮盘也是匀速转动，且传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。设轴系旋转一周的时间为tc，则平均速度为齿轮的齿数为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θn。

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测装置组成，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θn。

2 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。

系统设计采用Altera公司的新一代低成本FPGA—CycloneⅡ系列的EP2C35实现SOPC系统设计。系统硬件主要包括FPGA上的NiosⅡ处理器系统、FPGA外的接口和外设两部分。NiosⅡ处理器系统由基于Avalon Bus的NiosⅡCPU、串行接口、PIO、PIO控制器、存储器控制器、定时器以及片上RAM等IP组成。

外设包括：信号拾取整形模块、USB—Blaster-模块、Flash、SDRAM、LCD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NiosⅡ处理器，Clock（系统时钟）模块提供50 MHz有源时钟和用户自定义的外部时钟。上位PC用软件接收RS232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PIO可实现对整形模块、键盘、LCD等外设的控制。存储器控制器分别与片外Flash和SDRAM连接，实现对存储器的访问。

2．2 系统硬件定制

2．2．1 FPGA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。模块各端口列表，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。

如图2所示，当in_en高有效时，在WrestFlap_one上升沿，寄存器gride_cnt加l，同时gride_time，circl_time开始计算。当下一个WrestFlap_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WrestFlap_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gride_cnt一圈数完时，circl_time输出上一圈的总时间。在WrestFlap_one下降沿，gride_en输出使能采样信号，高有效，此信号做为后端FIFO写使能信号。（图中椭圆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_time是207，第2格对应的gride_time是219…。）

2．2．2 SOPC硬件模块加载及系统构成

在SOPC Builder中进行扭振测量系统配制。添加Ahera自有的丰富IP核，选择SOPC Builder生成HDL代码的类型为Verilog，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。SOPC Build所用模块如下：

（1）NIOS II Processor CPU；

（2）tri_state_bridge（Avalon连接总线）；

（3）lcd_16207_0（LCD显示）；

（4）sdram，cfi_flash（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Avalon流模式采集输入控制器。该控制器设计符合Avalon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50 MHz，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。Avalon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：write_clk（写时钟）、write_en（写使能）与sample_data（16位数据总线）。挂在Avalon总线上的接口有FIFO Q［15：0］（数据输出总线）、chipselect（片选信号）、read_req（读请求信号）、address（Avalon总线地址）read_empty（读空信号）、read_clk（读时钟）。

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_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Dataavailable信号接FIFO输出的空信号（read_empty）。仿真波形，如图5所示。

设计完成后启动SOPC Builder的Generate生成用于综合和仿真的文件，最后在QuarusⅡ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LCD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8 000格数据。

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LCD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；NIOS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。

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