CN103207010A - 一种高精度加速度信号检测及分析装置 - Google Patents

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李洪文
邓永停
王建立
张超
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Abstract

一种高精度加速度信号检测及分析装置属于信号检测领域，目的在于解决现有技术存在的处理速度较慢、***结构复杂、程序设计不灵活的缺点。本发明包括信号检测模块、数据处理模块和数据分析软件模块；所述信号检测模块包括加速度传感器单元和信号调理单元；所述数据处理模块包括滤波电路单元、A/D转换电路单元、可编程逻辑处理单元、数据存储单元和网口通信单元；所述数据分析软件模块数据接收单元、指令发送单元、数据时域分析单元和数据频域分析单元。本发明通过可编程逻辑处理器FPGA实现了数据的快速处理，简化了***结构设计，增强了程序设计的灵活性，实现数据的快速通信；集数据采集、处理和分析为一体，提高***的灵活性、可操作性。

Description

一种高精度加速度信号检测及分析装置
技术领域
本发明属于信号检测技术领域，涉及一种加速度信号检测及分析装置，具体涉及一种适用于检测和分析大口径望远镜的振动加速度信号的装置。
背景技术
大口径望远镜在精确跟踪目标的过程中，望远镜的俯仰轴需要在一定范围内转动。随着镜面的转动将产生高频振动信号，高频振动信号不仅反映了镜面支撑点的受力情况，而且对望远镜的观测精度有较大的影响。为了评价转动过程中振动信号对望远镜的影响，需要精确地检测和分析望远镜的振动加速度信号。传统的振动信号检测方法通常采用单片数字信号处理器DSP进行信号的采集，数字信号处理器DSP在进行信号的采集及处理时存在处理速度较慢、***结构复杂、程序设计不够灵活的缺点；并且现有技术并未提供一种对振动信号检测及数据分析的集成装置。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供了一种基于高速可编程逻辑处理器和数据分析软件的集成振动信号检测及分析装置。
为实现上述目的，本发明的检测及分析装置包括信号检测模块、数据处理模块和数据分析软件模块；
所述信号检测模块包括加速度传感器单元和信号调理单元；所述数据处理模块包括滤波电路单元、A/D转换电路单元、可编程逻辑处理单元、数据存储单元和网口通信单元；所述数据分析软件模块数据接收单元、指令发送单元、数据时域分析单元和数据频域分析单元；
所述信号检测模块的信号调理单元与所述数据处理模块的滤波电路单元连接，所述数据处理模块的网口通信单元与所述数据分析软件模块连接；
信号检测模块将接收的加速度电信号进行信号调整，以相应幅值的电压信号传给数据处理模块，所述电压信号经数据处理模块的滤波电路单元滤除噪声后经A/D转换电路单元将信号转换为二进制数字量，通过所述可编程逻辑处理单元控制A/D的采样频率，通过网口通信单元实现与数据分析软件模块的数据交换，通过数据分析软件模块进行数据分析，得到振动信号的时域曲线和频谱图。
所述信号检测模块的加速度传感器单元与信号调理单元相连接，所述加速度传感器单元包括一个灵敏度达到10-3g的压电传感器；所述信号调理单元包括放大器和滤波器。
所述数据处理模块的滤波电路单元为一阶无源低通滤波器；所述A/D转换电路单元包括一片16位的双极性A/D采样芯片和一片高精度2.5V参考电源芯片；所述可编程逻辑处理单元的核心是一片FPGA芯片；所述数据存储单元由可编程逻辑控制单元进行读写，缓存16位的A/D转换数据，数据存储单元的容量达到512K。
所述数据分析软件模块的数据接收单元和指令发送单元用于设置网口通信的参数；数据接收单元接收来自信号检测模块的可编程逻辑处理单元的A/D转换数据；指令发送单元向信号检测模块的FPGA发送数据转换控制指令。
所述数据分析软件模块的数据时域分析单元将接收到的A/D转换数据转化为实际的振动信号加速度值，得到加速度信号的时域曲线。
所述数据分析软件模块的数据频域分析单元将接收到的A/D转换数据转化为实际的振动信号加速度值，得到功率谱。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种集成的加速度信号检测和分析装置，适用于大口径望远镜、大型塔台或建筑物的振动加速度信号分析，通过可编程逻辑处理器FPGA实现了数据的快速处理，简化了***结构设计，增强了程序设计的灵活性，实现数据的快速通信；集数据采集、处理和分析为一体，提高***的灵活性，可操作性，集成度高、通用性强、精度高。
附图说明
图1为本发明的一种高精度加速度信号检测及分析装置的结构框图；
图2为本发明的一阶低通滤波器电路图；
图3为本发明的可编程逻辑处理器FPGA及其***电路原理图；
图4为本发明的可编程逻辑处理器FPGA功能框图；
图5为本发明的网口通信芯片DM9000EP电路图；
图6为本发明的网口接口电路图；
图7为本发明的可编程逻辑处理器FPGA处理振动信号的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
参见附图1，为实现上述目的，本发明的检测及分析装置包括信号检测模块、数据处理模块和数据分析软件模块；
所述信号检测模块包括加速度传感器单元和信号调理单元；所述数据处理模块包括滤波电路单元、A/D转换电路单元、可编程逻辑处理单元、数据存储单元和网口通信单元；所述数据分析软件模块包括数据接收单元、指令发送单元、数据时域分析单元和数据频域分析单元。
所述数据分析软件模块的数据接收单元和指令发送单元的功能包括设置网口通信的参数，接收来自可编程逻辑处理单元的A/D转换数据以及向FPGA发送数据转换控制指令；所述数据分析软件模块的数据时域分析单元首先将接收到的A/D转换数据转化为实际的振动信号加速度值，然后以加速度值为纵轴，时间为横轴，画出加速度信号的时域曲线，以便进行数据分析；所述数据分析软件模块的数据频域分析单元负责将接收到的A/D转换数据转化为实际的振动信号加速度值，然后对加速度值序列进行功率谱分析，得到功率谱，功率谱的纵轴单位为dB，横轴单位为Hz。
所述信号处理单元的信号调理单元与所述数据处理模块的滤波电路单元连接，所述数据处理模块的网口通信单元与所述数据分析软件模块连接。
信号检测模块将接收的加速度电信号进行信号调整，以相应幅值的电压信号传给数据处理模块，所述电压信号经数据处理模块的滤波电路单元滤除噪声后经A/D转换电路单元将信号转换为二进制数字量，通过所述可编程逻辑处理单元控制A/D的采样频率，通过网口通信单元实现与数据分析软件模块的数据交换，通过数据分析软件模块进行数据分析，得到振动信号的时域曲线和频谱图。
所述的信号检测模块的加速度传感器单元采用Meggitt公司的压电传感器－731A，检测的加速度范围为±0.5g，731A的灵敏度达到10-3g（g为重力加速度），能够检测到微弱的加速度信号变化量。
所述的信号检测模块的信号调理单元－P31与加速度传感单元相连接，接收来自加速度传感器的电信号，经过内部噪声极低的放大器和滤波器输出±10V范围内的电压信号。
参见附图2，所述的数据处理模块的滤波单元采用一阶无源低通滤波器，来自信号调理单元的电压信号首先经过R1、R2和C1组成的无源一阶低通滤波器，然后再通过由精密运算放大器组成的电压跟随器，最后得到噪声较低的模拟电压输入信号；为了防止被测电压超出A/D转换芯片的±10V电压测量范围，采用由D1、D2组成的电压钳位电路使被测量电压始终保持在±10V范围内。
所述的数据处理模块的A/D转换电路单元的功能是将输入端的检测信号转换为二进制的数字量，并通过16位并行数据总线输入到可编程逻辑处理单元；A/D转换电路采用16位的双极性A/D采样芯片AD7656，它的电压采集范围设置为±10V；参考电压2.5V由AD780BR芯片提供，AD780BR芯片精度达到0.04%，有效地保证了电压采集的精度。
参见附图3，AD7656芯片的控制信号CONVST、CS、RD、BUSY、RESET以及16位并行数据总线均连接在FPGA的I/O上，由FPGA内部时序电路进行A/D转换控制和16位转换数据的读取。
所述的数据处理模块的可编程逻辑处理单元采用FPGA芯片EP3C40F324，它负责控制A/D的采样频率以及周期性的读取来自A/D芯片的16位转换数据，并将数据存储在FPGA内部10个字节深度的FIFO寄存器中；为了增加采样数据的平滑度，采用均值滤波法对FIFO寄存器中的数据进行滤波处理，然后将滤波处理后的数据存储在数据存储单元中，最后根据指令发送单元要求将数据通过网口发送到数据接收单元，可编程逻辑处理器FPGA功能框图如图4所示。
所述的数据处理模块的数据存储单元采用容量为512K的16位SRAM芯片IS61LV51216，在每个A/D采样的结束时刻FPGA通过控制信号WE、CE、OE地址总线XA0～18和数据总线XD0～15将16位数据写入SRAM中；在接收到数据分析软件的发送指令后，FPGA再通过上述信号将16位数据依次读出并发送到上位机软件。
所述的数据处理模块的网口通信单元采用网络控制器DM9000EP，它与FPGA的信号连接如图3所示，DM9000EP的电路图，如图5所示，FPGA通过控制信号RESET、AEN、WAIT、OR、OW、CMD以及INT实现对DM9000EP内部寄存器访问。DM9000EP的差分信号TX+、TX-、RX+、RX-与上位机的连接是通过网络接口HR911103A实现的，网口接口电路图如图6所示。
所述的数据分析软件模块的数据接收和指令发送单元的功能包括设置网口通信的参数，接收来自可编程逻辑处理单元的A/D转换数据以及向FPGA发送数据转换控制指令。
所述的数据分析软件模块的数据时域分析单元首先将接收到的A/D转换数据转化为实际的振动信号加速度值，然后以加速度值为纵轴，时间为横轴，画出加速度信号的时域曲线，以便进行数据分析。
数据分析软件模块的数据频域分析单元负责将接收到的A/D转换数据转化为实际的振动信号加速度值，然后对加速度值序列进行功率谱分析，得到功率谱，功率谱的纵轴单位为dB，横轴单位为Hz。
参见附图7，可编程逻辑处理器FPGA处理振动信号的具体工作过程为：首先判断FPGA内部网口数据接收程序是否接收到指令发送单元的A/D转换开始指令，如果接收到开始指令，FPGA以10k采样频率对加速度测量信号进行电压采样；A/D转换后FPGA读取16位电压转换数据并将数据存储在FPGA内部10个字节深度的16位FIFO寄存器中；为了增加采样数据的平滑度，采用均值滤波法对FIFO寄存器中的数据进行滤波处理，然后将滤波处理后的数据存储在SRAM中。每个采样周期结束后，FPGA程序判断是否接收到向上位机软件发送数据指令，如果未接收到指令，则继续开始下一个A/D采样周期；否则将SRAM中存储的数据通过网口发送到上位机软件，并清空SRAM。上位机软件接收到加速度信号检测数据之后，通过数据分析软件的时域分析单元和频域分析单元得到振动加速度信号的时域曲线和频谱图，以方便分析被测装置的受力情况和控制精度。

Claims (6)

1.一种高精度加速度信号检测及分析装置，其特征在于，包括信号检测模块、数据处理模块和数据分析软件模块；
所述信号检测模块包括加速度传感器单元和信号调理单元；所述数据处理模块包括滤波电路单元、A/D转换电路单元、可编程逻辑处理单元、数据存储单元和网口通信单元；所述数据分析软件模块数据接收单元、指令发送单元、数据时域分析单元和数据频域分析单元；
所述信号检测模块的信号调理单元与所述数据处理模块的滤波电路单元连接，所述数据处理模块的网口通信单元与所述数据分析软件模块连接；
信号检测模块将接收的加速度电信号进行信号调整，以相应幅值的电压信号传给数据处理模块，所述电压信号经数据处理模块的滤波电路单元滤除噪声后经A/D转换电路单元将信号转换为二进制数字量，通过所述可编程逻辑处理单元控制A/D的采样频率，通过网口通信单元实现与数据分析软件模块的数据交换，通过数据分析软件模块进行数据分析，得到振动信号的时域曲线和频谱图。
2.根据权利要求1所述的一种高精度加速度信号检测及分析装置，其特征在于，所述信号检测模块的加速度传感器单元与信号调理单元相连接，所述加速度传感器单元包括一个灵敏度达到10-3g的压电传感器；所述信号调理单元包括放大器和滤波器。
3.根据权利要求1所述的一种高精度加速度信号检测及分析装置，其特征在于，所述数据处理模块的滤波电路单元为一阶无源低通滤波器；所述A/D转换电路单元包括一片16位的双极性A/D采样芯片和一片高精度2.5V参考电源芯片；所述可编程逻辑处理单元的核心是一片FPGA芯片；所述数据存储单元由可编程逻辑控制单元进行读写，缓存16位的A/D转换数据，数据存储单元的容量达到512K。
4.根据权利要求1所述的一种高精度加速度信号检测及分析装置，其特征在于，所述数据分析软件模块的数据接收单元和指令发送单元用于设置网口通信的参数；数据接收单元接收来自信号检测模块的可编程逻辑处理单元的A/D转换数据；指令发送单元向信号检测模块的FPGA发送数据转换控制指令。
5.根据权利要求1所述的一种高精度加速度信号检测及分析装置，其特征在于，所述数据分析软件模块的数据时域分析单元将接收到的A/D转换数据转化为实际的振动信号加速度值，得到加速度信号的时域曲线。
6.根据权利要求1所述的一种高精度加速度信号检测及分析装置，其特征在于，所述数据分析软件模块的数据频域分析单元将接收到的A/D转换数据转化为实际的振动信号加速度值，得到功率谱。
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