基于SOPC的扭振信号测量系统设计

　　扭振广泛存在于各种回转轴系中，比如内燃机曲轴、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。所以对扭振的动态测量和监控一直为人们所重视。

　　SOPC是一种特殊的嵌入式系统。首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。它将CPU、存储器、I／0接口、DSP模块)以及锁相环(PLL)等系统设计所必需的模块集成到一片FPGA上，使所设计的电路在规模、功耗、产品维护等多方面实现化。

　　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，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

　　所以只需测出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。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。

　　系统采用FP—GA—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、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、L键盘等。上位PC用软件接收RS232发送的连续采样数据，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。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。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。

　　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，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。为了优化硬件设计，系统采用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。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与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)。

　　系统采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，经过read_empty控制DMA取FIFO中数据时间，在read_empty低电平期间取FIFO中数据。其时序见图4，其中Dataavailable信号接FIFO输出的空信号。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，在QuarusⅡ中锁定端口引脚，对生成的处理器系统进行仿真、综合、适配并且到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。系统软件流程如图6所示。数据采集模块有开关使能。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，采样次数则加一，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

　　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，可以实现检测、分析和监控告警一体化。这种监测系统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。