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。
限幅与箝位电路
“智慧奇兵”添助力，构建立体化防疫宣传体系
下一代驱动数字化,智能自助服务是一把双刃剑
三极管的hFE是什么
从仿真到测试了解电源完整性,信号完整性
基于FPGA CycloneⅡ系列EP2C35实现轴系扭振监测系统的设计方案
PSA启动两座电池工厂，总产能可达64GWh/年
通过Sim2SG模型生成sim-to-real转移学习场景图
联想将计划推出一款独立研发的VR一体机
小米8体验 整体做工及细节设计要比以往进步许多
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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。
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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。
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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…。）
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