基于FPGA的网络化数据采集系统

论文摘要

在大型机械设备状态监测及故障诊断系统中,对各种状态信号的采集和传输,已经越来越成为一个急需推进和提高的技术问题。本文针对这个技术问题,对当前各种机械设备状态信号的数据采集和数据传输方式做出了深入分析和对比。根据机械振动信号的特殊要求,提出了基于FPGA的多路转换模拟通道寻址技术的一种变频率采样的方法。同时针对机械振动信号测点较多、数据量较大、实时性要求较高的特点,提出了一种基于DM9000来实现的以太网传输方式。数据采集及可变频采样控制、两级数据缓存、数据报封装以及数据传输控制等功能全部都基于一块FPGA芯片,并通过硬件描述语言VHDL来实现。同时使用备用协处理机缓存系统,保证数据采集系统对重点设备的不间断采样。数据采集及可变频率采样单元:采用有限状态机实施对A/D转换器的控制,提高了响应速度和可靠性;在FPGA内部预制多路转换的通道序列表,通过对序列表的可变寻址完成通道的转换,在一定程度上实现了不同通道不同采样频率的变频率采样。数据缓存单元:在FPGA内部实现双口RAM(FIFO),用以对采集数据的缓存以及同步,完成嵌入式TCP/IP协议及以太网协议的封装。以太网通信单元:在FPGA内部构建了小型控制系统,实现对指令的逐条执行,完成对以太网通信的控制。备用数据缓存单元:在以太网传输故障时,系统切换至协处理机的缓存系统,实现对重点设备的不间断监控。本文提出的机械振动信号的数据采集及数据传输方式,简化了设备状态监测及故障诊断系统中振动信号获取的策略,提高了数据获取效率、增强了信号采集与传输的可靠性,并极大的降低了整个系统的成本。本文实现的通用的采集方式和传输方式,为同一领域的研究提供了有价值的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题研究目的及内容
• 1.4 论文内容安排
• 1.5 本章小结
• 2 系统技术背景
• 2.1 FPGA 简介
• 2.2 硬件描述语言VHDL
• 2.3 以太网简介
• 2.4 TCP/IP 协议簇
• 2.4.1 TCP/IP 协议的四层结构
• 2.4.2 IP 协议
• 2.4.3 TCP 协议
• 2.4.4 UDP 协议
• 2.4.5 TCP 和UDP 的端口结构
• 2.5 器件介绍
• 2.5.1 OP07
• 2.5.2 EP1K30TC144
• 2.5.3 ADS8323
• 2.5.4 AD7501
• 2.5.5 DM9000
• 2.6 本章小结
• 3 系统设计
• 3.1 系统总体结构
• 3.2 程控低通滤波器的工作原理
• 3.3 程控放大电路的设计
• 3.4 A/D 采集模块
• 3.4.1 A/D 采样控制状态机
• 3.4.2 多路转换控制器
• 3.4.3 接口控制器
• 3.4.4 零相位标识信息处理
• 3.4.5 接口控制器的控制单元
• 3.5 双口RAM 模块
• 3.6 TCP/IP 封装模块
• 3.7 以太网适配器类CPU 控制模块
• 3.8 以太网适配器读写控制单元
• 3.9 以太网适配器主控制单元
• 3.9.1 主控制单元指令
• 3.9.2 主控制单元结构
• 3.9.3 DM9000 的工作方式
• 3.9.4 DM9000 的初始化
• 3.9.5 DM9000 发送数据
• 3.10 本章小结
• 4 结果分析
• 4.1 仿真结果
• 4.2 关键技术分析
• 4.2.1 有限状态机设计的改进
• 4.2.2 变频率采样技术
• 4.2.3 以太网适配器控制
• 4.3 软件仿真结果分析
• 4.4 硬件电路的设计和调试
• 4.5 本章小结
• 5 结论和展望
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 本设计的创新点
• 5.3 今后研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录