基于SOPC技术的旋转机械振动信号无线采集与处理系统的研究

论文摘要

旋转机械在工业上的应用非常广泛,其中许多还是工业和生产中的关键设备。研究、发展并应用先进的振动监测与分析技术具有十分重要的现实意义,不仅保证了旋转机械设备安全而高效地运行,而且避免了巨额的经济损失和灾难性事故的发生,是当前科技和工业发展的重要研究问题之一。本文针对旋转机械监测技术中存在的实时性和便携性较差的问题和不足,提出了将嵌入式系统技术和无线数据传输技术应用于旋转机械运行状态实时监测的思想。论文采用理论分析和实验设计相结合的方法,完成了如下工作:介绍了论文的关键技术如无线通信、信号处理和SOPC等技术;设计了针对旋转机械监测振动信号的FFT算法;设计了无线通信电路和信号预处理电路;开发了SOPC系统的整体结构和各功能模块。根据对设计电路和SOPC系统的测试分析,论文得出了以下主要结论:(1)采用集成电路芯片完成了振动信号预处理电路的设计,保证了电路的结构简单;设计了独立的二个稳压电源,分别给无线芯片和预处理电路供电,保证了系统的工作状态稳定。(2)设计了高速、稳定的无线传输模块,免除了繁琐的布线,为复杂工业现场状况下旋转机械的监测工作提供了便利。(3)根据旋转机械监测系统的要求,研究了FFT算法和FIR滤波并采用SOPC技术实现,可以对信号进行快速、即时、准确的分析,并提供LCD显示即时频谱图,为监测工作提供了方便高效的实时依据。(4)提供了RS485和Ethernet接口,以对分析结果或原始监测信号进行无线传输;同时提供了CF卡存储功能。可以实现振动监测信号更详尽的在线或离线分析处理。(5)短距离无线通信技术的应用,使该监测系统具备了灵活、快速、便捷的特性;采用SOPC实现信号的实时分析处理,系统具有很好的可扩展性和升级性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究概况以及发展趋势
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 发展趋势
• 1.3 课题的提出
• 1.4 论文的主要研究内容及创新点
• 1.5 本章小结
• 第二章 旋转机械监测系统总体设计方案
• 2.1 系统需求分析及功能设计
• 2.2 系统硬件设计方案
• 2.2.1 传感器
• 2.2.2 短距离无线通信技术
• 2.2.3 SOPC 技术
• 2.3 系统结构框图
• 2.4 本章小结
• 第三章 旋转机械振动信号的处理
• 3.1 振动信号预处理
• 3.2 振动信号的 A/D 转换
• 3.3 FIR 滤波
• 3.3.1 数字滤波器理论
• 3.3.2 FIR 数字滤波器结构
• 3.3.3 FIR 滤波器的设计
• 3.4 基于FFT 频谱变换的振动信号分析
• 3.4.1 FFT 算法
• 3.4.2 振动信号的频谱分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 振动信号预处理
• 4.1 振动信号预处理主要功能
• 4.2 振动信号预处理电路设计
• 4.2.1 放大电路的设计
• 4.2.2 滤波电路的设计
• 4.2.3 电源电路
• 4.3 信号调理和电源总电路图
• 4.4 本章小结
• 第五章 无线数据传输系统的研究
• 5.1 NRF9E5 功能介绍
• 5.1.1 NRF9E5 硬件
• 5.1.2 nRF9E5 的收发方式
• 5.1.3 载波检测
• 5.2 无线数据传输系统总体设计
• 5.3 系统硬件
• 5.4 系统软件设计
• 5.4.1 通信协议
• 5.4.2 程序设计
• 5.5 小结
• 第六章 监测系统的 SOPC 系统总体设计及硬件实现
• 6.1 基于 NIOS 的 SOPC 嵌入式系统
• 6.1.1 NIOS II 软核处理器
• 6.1.2 AVALON 总线
• 6.1.3 IP 核
• 6.1.4 SOPC 设计软件
• 6.1.5 基于NIOSII 的嵌入式系统开发流程
• 6.2 基于 NIOSII 的 SOPC 系统硬件设计
• 6.2.1 NIOSII 软核处理器核设计
• 6.2.2 振动信号FFT 分析的SOPC 实现
• 6.2.3 FIR32 阶滤波器设计
• 6.2.4 人机交互部分设计
• 6.3 本章小结
• 第七章 基于SOPC 的旋转机械监测系统的软件设计
• 7.1 软件开发流程和方法
• 7.2 系统程序设计
• 7.2.1 FFT 分析子程序设计
• 7.2.2 以太网通信程序设计
• 7.2.3 LCD 液晶显示程序设计
• 7.3 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 无线模块测试
• 8.2 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢