基于FPGA的风电监测系统数据采集单元设计

论文摘要

作为一种无污染的可再生的能源,风能在全世界范围内越来越多的受到重视。在现阶段风能利用的主要手段是风力发电技术。其中,风力发电机组是这项技术的关键设备,假如该机组发生故障,不能正常工作,将会造成无法弥补的经济损失。另一方面,风电机组通常安装在边远、难以靠近或者气候状况不适宜人类长期逗留的地方,无法对其实时的检修。因此,采用先进的风电无线监测技术,对于保证系统长期可靠的运行,具有重大的现实意义及广泛的应用前景。而作为风电无线监测系统的重要组成部分,数据采集单元实现对振动信号的采集、处理、存储和传输。本文在分析国内外数据采集技术现状及其发展方向的基础上,提出了一套基于FPGA且具备对高速信号采集、存储、自适应滤波器以及与控制器ARM进行通信等多种功能于一体的数据采集单元设计方案。完成了数据采集单元的硬件设计：包括信号调理电路、键相信号测量电路、AD转换电路以及FPGA芯片外围电路的原理图设计,并在充分考虑抗干扰设计的等PCB注意事项的基础上完成了PCB的制作。研究了传统的LMS算法,提出了基于步长改进和梯度改进相结合的自适应滤波算法,并将其应用在数据采集单元中,同时运用Xilinx提供的ISE10.1设计软件,对数据采集单元的AD数据处理模块、整周期采样模块、改进自适应滤波模块、与ARM通信的SPI通信模块进行了详细的设计并最终实现。经过仿真和最后实验验证该模块可以实现无线监测系统对数据采集的技术要求。最后将数据采集单元应用到风电无线监测实验系统中进行集成测试,证明该单元能够实现数据的整周期采样、信号降噪、存储和传输,为状态识别和故障精密诊断提供基础数据,同时也为系统能够实时的检测到设备的异常状态,提供了强大的数据支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景介绍
• 1.1.1 风电系统监测的重要性
• 1.1.2 FPGA发展历史
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 论文研究的难点与创新点
• 1.4 论文的结构安排
• 第二章 风电监测系统设计及数据采集单元分析
• 2.1 系统的总体设计方案
• 2.2 数据采集单元需求分析
• 2.2.1 数据采集部分
• 2.2.2 工作控制部分
• 2.3 单元整体设计方案的制定及元器件的选定
• 2.4 本章小结
• 第三章 数据采集单元的硬件设计
• 3.1 信号调理电路设计
• 3.2 键相信号测量电路的设计
• 3.2.1 测量原理
• 3.2.2 预处理电路
• 3.3 A/D转换电路设计
• 3.4 FPGA芯片外围电路的设计
• 3.5 数据采集版的设计原则
• 3.6 本章小结
• 第四章 数据采集单元的FPGA程序设计
• 4.1 数据采集单元软件的总体设计
• 4.1.1 数据采集单元功能模块划分
• 4.1.2 模块功能分析
• 4.2 各功能模块的详细程序设计
• 4.2.1 顶层模块设计
• 4.2.2 模拟开关控制模块
• 4.2.3 AD采集控制模块
• 4.2.4 采样控制模块（整周期采样模块）
• 4.2.5 数据缓存模块（FIFO）
• 4.2.6 自适应滤波器
• 4.2.7 SPI通信模块
• 4.3 本章小结
• 第五章 数据采集单元测试结果及分析
• 5.1 数据采集单元实现
• 5.2 数据采集单元测试结果
• 5.2.1 传感器捕捉的模拟信号
• 5.2.2 经过SPI传递给ARM的数字信号
• 5.3 测试结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书