CN204479675U - 一种基于fpga的多路机电设备故障诊断*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***，目的在于：无需对机电设备内部结构进行改造，且适用于多种机电设备，可同时检测多路机电设备故障信号并进行监控，所采用的技术方案为：包括依次连接的FPGA封装部分、多位并口串口转换电路、主控制器和主控制器控制部分，FPGA封装部分和主控制器均连接电源电路；所述的FPGA封装部分包括集成在一起的FPGA芯片和若干路直流检测单元和交流检测单元，直流检测单元和交流检测单元均连接至多位并口串口转换电路；所述的主控制器控制部分包括均与主控制器连接的仿真器和上位机，仿真器的输出端连接至上位机。

Description

一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***

技术领域

本实用新型属于机电设备故障诊断技术领域，具体涉及一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***。

背景技术

随着科学技术的不断发展，生产工艺不断发生更新，控制技术从手动控制到自动控制，从简单的控制设备到复杂的控制***，与这复杂控制***相对应的便是多种多个触点开关主接线***及一些复杂运动的控制***。而不管是在主接线***或是控制***线路中，这些***可能往往是一处故障或者不可靠导致整个机电设备无法运作，直接影响机电设备的应用及生产的进行，甚至会造成人员的伤亡。因此对机电设备故障进行诊断与监控显得极其重要。

一旦发生机电设备故障一般只能一处一处进行笨拙的排查与诊断，这样浪费时间又浪费人力，而且效率极低，不能快速而高效解决问题，这样大大地影响了生产的进行，现有的故障诊断***较少，且大多是只能针对某种设备使用，功能单一，有的需对机电设备内部结构进行改造，不便于使用。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本实用新型提出一种无需对机电设备内部结构进行改造，且适用于多种机电设备，可同时检测多路机电设备故障信号并进行监控的基于FPGA的多路机电设备故障诊断***。

为了实现以上目的，本实用新型所采用的技术方案为：包括依次连接的FPGA封装部分、多位并口串口转换电路、主控制器和主控制器控制部分，FPGA封装部分和主控制器均连接电源电路；

所述的FPGA封装部分包括集成在一起的FPGA芯片和若干路直流检测单元和交流检测单元，直流检测单元和交流检测单元均连接至多位并口串口转换电路；

所述的主控制器控制部分包括均与主控制器连接的仿真器和上位机，仿真器的输出端连接至上位机。

所述的直流检测单元包括依次连接的直流设备检测接口、斩波电路、光电耦合电路和信号处理电路，直流设备检测接口与机电设备触点连接，信号处理电路连接至多位并口串口转换电路；

所述的交流检测单元包括依次连接的交流设备检测接口、整流电路、光电耦合电路和信号处理电路，交流设备检测接口与机电设备触点连接，信号处理电路连接至多位并口串口转换电路。

所述的整流电路采用全桥式整流电路，斩波电路采用直流-直流降压斩波电路，信号处理电路采用反相器和电容器实现高低电平转换与稳定。

所述的主控制器控制部分包括与主控制器连接的声光报警电路。

所述的主控制器控制部分包括与主控制器连接的数码管显示电路。

所述的数码管显示电路采用3～7英寸的共阳极LED数码管。

所述的数码管显示电路通过驱动电路连接至主控制器。

所述的驱动电路采用集成型驱动芯片。

所述的上位机通过RS232串口通信电路连接至主控制器。

所述的主控制器采用DSP芯片。

与现有技术相比，本实用新型通过FPGA芯片将若干路直流检测单元和交流检测单元进行集成化，利用FPGA技术集成封装，降低了该***复杂性及控制器使用率，并利用多位并口串口转换电路实现多个并行检测信号量串行输入，经主控制器处理，控制主控制器控制部分通过仿真器和上位机实现机电设备故障信号检测、显示及实时监控，本实用新型无需对机电设备内部结构进行改造，且适用于多种机电设备，可同时检测多路机电设备故障信号并进行监控，实用性、稳定性高。

进一步，本实用新型将多路机电设备故障信号分别经多个交、直流设备检测接口接入，再分别经斩波电路或整流电路进行降压，通过光电耦合电路处理，实现信号电隔离及CMOS电平到TTL电平转换，再经信号处理电路后变为多路稳定开关量信号，利用多位串口并口转换电路实现多路检测信号输入，最后将其输入给主控制器进行处理显示，实现故障实时监控并记录。

更进一步，整流电路采用全桥式整流电路，实现降压到DC20V，斩波电路采用直流-直流降压斩波电路，降压后为DC20V，光电耦合电路实现DC20VCMOS电平到DC5V TTL电平转换与隔离，提高***抗干扰性，信号处理电路利用反相器及电容器实现高低电平转换与稳定，输出与多位并口串口转换电路输入连接。

进一步，通过主控制器控制声光报警电路，实现机电设备故障报警功能，提高了整个***的实用性。

更进一步，通过数码管显示电路能够实现机电设备故障显示报警的功能，便于操作者观察，提高了整个***的实用性。

更进一步，数码管选用共阳极LED数码管，保证了能够远距离、大角度观察，同时其能耗低、成本低、发光性强。

更进一步，数码管显示电路通过驱动电路连接至主控制器，驱动电路采用集成型驱动芯片，相对于传统的分立型驱动器，集成型驱动芯片可使***性能更加稳定、可靠，极大地简化和加快了设计流程。

进一步，主控制器的串行通信接口SCI与上位机通过RS232串口通信电路相连接，再与上位机连接实现实时监控与记录。

进一步，主控制器采用DSP芯片，该芯片具有高性能处理能力，有强大外部通信接口，便于构成外部控制***，且成本低、功耗低，提高了整个***的性能。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

其中，1-直流设备检测接口、2-斩波电路、3-光电耦合电路、4-信号处理电路、5-多位并口串口转换电路、6-主控制器、7-电源电路、8-数码管显示电路、9-驱动电路、10-声光报警电路、11-RS232串口通信电路、12-上位机、13-仿真器、14-整流电路、15-交流设备检测接口、16-FPGA封装部分。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图1，本实用新型包括依次连接的FPGA封装部分16、多位并口串口转换电路5、主控制器6和主控制器控制部分，FPGA封装部分16和主控制器6均连接电源电路7，主控制器6采用DSP芯片；

FPGA封装部分16包括集成在一起的FPGA芯片和若干路直流检测单元和交流检测单元，直流检测单元和交流检测单元均连接至多位并口串口转换电路5；直流检测单元包括依次连接的直流设备检测接口1、斩波电路2、光电耦合电路3和信号处理电路4，直流设备检测接口1与机电设备触点连接，信号处理电路4连接至多位并口串口转换电路5；交流检测单元包括依次连接的交流设备检测接口15、整流电路14、光电耦合电路3和信号处理电路4，交流设备检测接口15与机电设备触点连接，信号处理电路4连接至多位并口串口转换电路5。整流电路14采用全桥式整流电路，斩波电路2采用直流-直流降压斩波电路，信号处理电路4采用反相器和电容器实现高低电平转换与稳定。

主控制器控制部分包括均与主控制器6连接的仿真器13和上位机12，仿真器13的输出端连接至上位机12，上位机12通过RS232串口通信电路11连接至主控制器6。主控制器控制部分还包括与主控制器6连接的声光报警电路10和数码管显示电路8。数码管显示电路8通过驱动电路9连接至主控制器6，数码管显示电路8采用3～7英寸的共阳极LED数码管，驱动电路9采用集成型驱动芯片。

参见图1，本实用新型包括FPGA封装部分16、多位并口转口转换电路5、主控制器6、数码管显示电路8及上位机12等；主控制器6采用DSP芯片，该芯片具有高性能处理能力，有强大外部通信接口，便于构成外部控制***，且成本低、功耗低，FPGA封装部分16选用Spartan-3A芯片，采用主流的机电设备接口标准，将多路设备检测接口电路、斩波电路及整流电路、光电耦合电路及信号处理电路进行集成封装，输出GPIO通过多位并口串口转换电路5以串行通信方式输入给主控制器6；主控制器6的串行通信接口SCI与上位机12通过RS232串口通信电路11相连接，同时主控制器6的下载口JTAG通过仿真器13与上位机12相连接，此外主控制器6的通用I/O端口分别连接驱动电路9及声光报警电路10。利用FPGA技术，简化了***的硬件设计，降低了设计成本，使得该***稳定，适用性增强，可检测多种、多个机电设备。

具体的，FPGA封装部分交流设备检测接口15和直流设备检测接口1均采用主流的机电设备接口标准，以并联方式与机电设备触点连接，不介入机电设备内部，且并联触点为无源触点，适用于串联、并联及复合方式连接的机电设备检测。

整流电路14采用全桥式整流电路，实现降压到DC20V，斩波电路2采用直流-直流降压斩波电路，降压后为DC20V，光电耦合电路3实现DC20V CMOS电平到DC5V TTL电平转换与隔离，提高***抗干扰性，信号处理电路4利用反相器及电容器实现高低电平转换与稳定，输出与多位并口串口转换电路输入连接。

多位并口串口转换电路5采用74HC165转换芯片，通过多片级联实现16路及24路等多路并行输入串行输出转换，本实施例采用8路直流设备检测单元和8路交流设备检测单元，节省主控制器6的I/O端口，电源电路7的输出端分别与FPGA封装部分16的电源接口和主控制器6的电源接口相连接，提供+12V、+3.3V和+5V电压。

主控制器控制部分包括驱动电路9及数码管显示电路8，驱动电路采用集成型驱动芯片6ED003L06F。相对于传统的分立型驱动器，集成型驱动器可使***性能更加稳定、可靠，极大地简化和加快了设计流程。数码管选用3～7英寸的共阳极LED数码管保证了可以远距离、大角度观察，同时其能耗低、成本低、发光性强。主控制器6的下载口JTAG通过仿真器13与上位机12相连接，主控制器6的串行通信接口SCI与上位机12通过RS232串口通信电路11相连接，再与上位机12连接实现实时监控与记录。

本实用新型采用FPGA集成封装技术及多路并口串口转换方法，将多路机电设备故障信号分别经多个交、直流设备检测接口接入，再分别经电压转换电路进行降压，通过光电耦合器结构处理，实现信号电隔离及CMOS电平到TTL电平转换，再经信号处理电路后变为多路稳定开关量信号，利用多路串口并口转换电路实现多路检测信号输入，最后将其输入给主控制器进行处理、显示并报警，实现故障实时监控并记录。

本实用新型采用主流的机电设备接口标准，利用光电耦合器结构实现电隔离及电平转换，提高抗干扰能力及稳定性，将多路的交直流接口电路、电压转换电路、光电耦合器结构及信号处理电路利用FPGA技术集成封装，降低了该***复杂性及控制器使用率，利用并口串口转换电路实现多个并行检测信号量串行输入，经主控制器处理，实现机电设备故障信号检测、显示、报警及实时监控。本***具有极强实用性、稳定性。

本实用新型的基本思想是将多路并行电压信号转换为串行开关量信号送给控制器处理，在对多路复杂外部电路利用FPGA可编程集成技术降低结构复杂性及CPU的使用率，控制显示并与上位机连接实现实时监控与记录，可用于后期统计分析及观察。本实用新型采用的电子元器件均为已知产品，本领域技术人员根据本实用新型的技术方案即可知电子元器件的具体连接方式。本***属于低功耗、多功能的多路、多种机电设备故障诊断***，实用性强，成本低，不介入检测机电设备内部结构，具有更好适用性，使用更加简单。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***，其特征在于：包括依次连接的FPGA封装部分(16)、多位并口串口转换电路(5)、主控制器(6)和主控制器控制部分，FPGA封装部分(16)和主控制器(6)均连接电源电路(7)；

所述的FPGA封装部分(16)包括集成在一起的FPGA芯片和若干路直流检测单元和交流检测单元，直流检测单元和交流检测单元均连接至多位并口串口转换电路(5)；

所述的主控制器控制部分包括均与主控制器(6)连接的仿真器(13)和上位机(12)，仿真器(13)的输出端连接至上位机(12)。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***，其特征在于：所述的直流检测单元包括依次连接的直流设备检测接口(1)、斩波电路(2)、光电耦合电路(3)和信号处理电路(4)，直流设备检测接口(1)与机电设备触点连接，信号处理电路(4)连接至多位并口串口转换电路(5)；

所述的交流检测单元包括依次连接的交流设备检测接口(15)、整流电路(14)、光电耦合电路(3)和信号处理电路(4)，交流设备检测接口(15)与机电设备触点连接，信号处理电路(4)连接至多位并口串口转换电路(5)。

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***，其特征在于：所述的整流电路(14)采用全桥式整流电路，斩波电路(2)采用直流-直流降压斩波电路，信号处理电路(4)采用反相器和电容器实现高低电平转换与稳定。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***，其特征在于：所述的主控制器控制部分包括与主控制器(6)连接的声光报警电路(10)。

5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***，其特征在于：所述的主控制器控制部分包括与主控制器(6)连接的数码管显示电路(8)。

6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***，其特征在于：所述的数码管显示电路(8)采用3～7英寸的共阳极LED数码管。

7.根据权利要求6所述的一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***，其特征在于：所述的数码管显示电路(8)通过驱动电路(9)连接至主控制器(6)。

8.根据权利要求7所述的一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***，其特征在于：所述的驱动电路(9)采用集成型驱动芯片。

9.根据权利要求1～8任一项所述的一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***，其特征在于：所述的上位机(12)通过RS232串口通信电路(11)连接至主控制器(6)。

10.根据权利要求1～8任一项所述的一种基于FPGA的多路机电设备故障诊断***，其特征在于：所述的主控制器(6)采用DSP芯片。