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一種高精度加速度信號檢測及分析裝置的制作方法

時間:2023-06-10    作者: 管理員

專利名稱:一種高精度加速度信號檢測及分析裝置的制作方法
技術領域
本發明屬于信號檢測技術領域,涉及一種加速度信號檢測及分析裝置,具體涉及一種適用于檢測和分析大口徑望遠鏡的振動加速度信號的裝置。
背景技術
大口徑望遠鏡在精確跟蹤目標的過程中,望遠鏡的俯仰軸需要在一定范圍內轉動。隨著鏡面的轉動將產生高頻振動信號,高頻振動信號不僅反映了鏡面支撐點的受力情況,而且對望遠鏡的觀測精度有較大的影響。為了評價轉動過程中振動信號對望遠鏡的影響,需要精確地檢測和分析望遠鏡的振動加速度信號。傳統的振動信號檢測方法通常采用單片數字信號處理器DSP進行信號的采集,數字信號處理器DSP在進行信號的采集及處理時存在處理速度較慢、系統結構復雜、程序設計不夠靈活的缺點;并且現有技術并未提供一種對振動信號檢測及數據分析的集成裝置。

發明內容
本發明的目的在于解決現有技術的不足,提供了一種基于高速可編程邏輯處理器和數據分析軟件的集成振動信號檢測及分析裝置。為實現上述目的,本發明的檢測及分析裝置包括信號檢測模塊、數據處理模塊和數據分析軟件模塊;所述信號檢測模塊包括加速度傳感器單元和信號調理單元;所述數據處理模塊包括濾波電路單元、A/D轉換電路單元、可編程邏輯處理單元、數據存儲單元和網口通信單元;所述數據分析軟件模塊數據接收單元、指令發送單元、數據時域分析單元和數據頻域分析單元;所述信號檢測模塊的信號調理單元與所述數據處理模塊的濾波電路單元連接,所述數據處理模塊的網口通信單元與所述數據分析軟件模塊連接;信號檢測模塊將接收的加速度電信號進行信號調整,以相應幅值的電壓信號傳給數據處理模塊,所述電壓信號經數據處理模塊的濾波電路單元濾除噪聲后經A/D轉換電路單元將信號轉換為二進制數字量,通過所述可編程邏輯處理單元控制A/D的采樣頻率,通過網口通信單元實現與數據分析軟件模塊的數據交換,通過數據分析軟件模塊進行數據分析,得到振動信號的時域曲線和頻譜圖。所述信號檢測模塊的加速度傳感器單元與信號調理單元相連接,所述加速度傳感器單元包括一個靈敏度達到io_3g的壓電傳感器;所述信號調理單元包括放大器和濾波器。所述數據處理模塊的濾波電路單元為一階無源低通濾波器;所述A/D轉換電路單元包括一片16位的雙極性A/D采樣芯片和一片高精度2.5V參考電源芯片;所述可編程邏輯處理單元的核心是一片FPGA芯片;所述數據存儲單元由可編程邏輯控制單元進行讀寫,緩存16位的A/D轉換數據,數據存儲單元的容量達到512K。所述數據分析軟件模塊的數據接收單元和指令發送單元用于設置網口通信的參數;數據接收單元接收來自信號檢測模塊的可編程邏輯處理單元的A/D轉換數據;指令發送單元向信號檢測模塊的FPGA發送數據轉換控制指令。所述數據分析軟件模塊的數據時域分析單元將接收到的A/D轉換數據轉化為實際的振動信號加速度值,得到加速度信號的時域曲線。所述數據分析軟件模塊的數據頻域分析單元將接收到的A/D轉換數據轉化為實際的振動信號加速度值,得到功率譜。本發明的有益效果為:本發明提供了一種集成的加速度信號檢測和分析裝置,適用于大口徑望遠鏡、大型塔臺或建筑物的振動加速度信號分析,通過可編程邏輯處理器FPGA實現了數據的快速處理,簡化了系統結構設計,增強了程序設計的靈活性,實現數據的快速通信;集數據采集、處理和分析為一體,提高系統的靈活性,可操作性,集成度高、通用性強、精度高。


圖1為本發明的一種高精度加速度信號檢測及分析裝置的結構框圖;圖2為本發明的一階低通濾波器電路圖;圖3為本發明的可編程邏輯處理器FPGA及其外圍電路原理圖;圖4為本發明的可編程邏輯處理器FPGA功能框圖;圖5為本發明的網口通信芯片DM9000EP電路圖;圖6為本發明的網口接口電路圖;圖7為本發明的可編程邏輯處理器FPGA處理振動信號的軟件流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步描述。參見附圖1,為實現上述目的,本發明的檢測及分析裝置包括信號檢測模塊、數據處理模塊和數據分析軟件模塊;所述信號檢測模塊包括加速度傳感器單元和信號調理單元;所述數據處理模塊包括濾波電路單元、A/D轉換電路單元、可編程邏輯處理單元、數據存儲單元和網口通信單元;所述數據分析軟件模塊包括數據接收單元、指令發送單元、數據時域分析單元和數據頻域分析單元。所述數據分析軟件模塊的數據接收單元和指令發送單元的功能包括設置網口通信的參數,接收來自可編程邏輯處理單元的A/D轉換數據以及向FPGA發送數據轉換控制指令;所述數據分析軟件模塊的數據時域分析單元首先將接收到的A/D轉換數據轉化為實際的振動信號加速度值,然后以加速度值為縱軸,時間為橫軸,畫出加速度信號的時域曲線,以便進行數據分析;所述數據分析軟件模塊的數據頻域分析單元負責將接收到的A/D轉換數據轉化為實際的振動信號加速度值,然后對加速度值序列進行功率譜分析,得到功率譜,功率譜的縱軸單位為dB,橫軸單位為Hz。所述信號處理單元的信號調理單元與所述數據處理模塊的濾波電路單元連接,所述數據處理模塊的網口通信單元與所述數據分析軟件模塊連接。信號檢測模塊將接收的加速度電信號進行信號調整,以相應幅值的電壓信號傳給數據處理模塊,所述電壓信號經數據處理模塊的濾波電路單元濾除噪聲后經A/D轉換電路單元將信號轉換為二進制數字量,通過所述可編程邏輯處理單元控制A/D的采樣頻率,通過網口通信單元實現與數據分析軟件模塊的數據交換,通過數據分析軟件模塊進行數據分析,得到振動信號的時域曲線和頻譜圖。所述的信號檢測模塊的加速度傳感器單元采用Meggitt公司的壓電傳感器一731A,檢測的加速度范圍為±0.5g,731A的靈敏度達到10_3g (g為重力加速度),能夠檢測到微弱的加速度信號變化量。所述的信號檢測模塊的信號調理單元一 P31與加速度傳感單元相連接,接收來自加速度傳感器的電信號,經過內部噪聲極低的放大器和濾波器輸出±10V范圍內的電壓信號。參見附圖2,所述的數據處理模塊的濾波單元采用一階無源低通濾波器,來自信號調理單元的電壓信號首先經過Rl、R2和Cl組成的無源一階低通濾波器,然后再通過由精密運算放大器組成的電壓跟隨器,最后得到噪聲較低的模擬電壓輸入信號;為了防止被測電壓超出A/D轉換芯片的±10V電壓測量范圍,采用由Dl、D2組成的電壓鉗位電路使被測量電壓始終保持在± IOV范圍內。所述的數據處理模塊的A/D轉換電路單元的功能是將輸入端的檢測信號轉換為二進制的數字量,并通過16位并行數據總線輸入到可編程邏輯處理單元;A/D轉換電路采用16位的雙極性A/D采樣芯片AD7656,它的電壓采集范圍設置為± IOV ;參考電壓2.5V由AD780BR芯片提供,AD780BR芯片精度達到0.04%,有效地保證了電壓采集的精度。參見附圖3,AD7656芯片的控制信號C0NVST、CS、RD、BUSY、RESET以及16位并行數據總線均連接在FPGA的I/O上,由FPGA內部時序電路進行A/D轉換控制和16位轉換數據的讀取。所述的數據處理模塊的可編程邏輯處理單元采用FPGA芯片EP3C40F324,它負責控制A/D的采樣頻率以及周期性的讀取來自A/D芯片的16位轉換數據,并將數據存儲在FPGA內部10個字節深度的FIFO寄存器中;為了增加采樣數據的平滑度,采用均值濾波法對FIFO寄存器中的數據進行濾波處理,然后將濾波處理后的數據存儲在數據存儲單元中,最后根據指令發送單元要求將數據通過網口發送到數據接收單元,可編程邏輯處理器FPGA功能框圖如圖4所示。所述的數據處理模塊的數據存儲單元采用容量為512K的16位SRAM芯片IS61LV51216,在每個A/D采樣的結束時刻FPGA通過控制信號WE、CE、OE地址總線XAO 18和數據總線XDO 15將16位數據寫入SRAM中;在接收到數據分析軟件的發送指令后,FPGA再通過上述信號將16位數據依次讀出并發送到上位機軟件。所述的數據處理模塊的網口通信單元采用網絡控制器DM9000EP,它與FPGA的信號連接如圖3所示,DM9000EP的電路圖,如圖5所示,FPGA通過控制信號RESET、AEN、WAIT、OR、Off, CMD以及INT實現對DM9000EP內部寄存器訪問。DM9000EP的差分信號TX+、TX-、RX+、RX-與上位機的連接是通過網絡接口 HR911103A實現的,網口接口電路圖如圖6所示。所述的數據分析軟件模塊的數據接收和指令發送單元的功能包括設置網口通信的參數,接收來自可編程邏輯處理單元的A/D轉換數據以及向FPGA發送數據轉換控制指令。
所述的數據分析軟件模塊的數據時域分析單元首先將接收到的A/D轉換數據轉化為實際的振動信號加速度值,然后以加速度值為縱軸,時間為橫軸,畫出加速度信號的時域曲線,以便進行數據分析。數據分析軟件模塊的數據頻域分析單元負責將接收到的A/D轉換數據轉化為實際的振動信號加速度值,然后對加速度值序列進行功率譜分析,得到功率譜,功率譜的縱軸單位為dB,橫軸單位為Hz。參見附圖7,可編程邏輯處理器FPGA處理振動信號的具體工作過程為:首先判斷FPGA內部網口數據接收程序是否接收到指令發送單元的A/D轉換開始指令,如果接收到開始指令,FPGA以IOk采樣頻率對加速度測量信號進行電壓采樣;A/D轉換后FPGA讀取16位電壓轉換數據并將數據存儲在FPGA內部10個字節深度的16位FIFO寄存器中;為了增加采樣數據的平滑度,采用均值濾波法對FIFO寄存器中的數據進行濾波處理,然后將濾波處理后的數據存儲在SRAM中。每個采樣周期結束后,FPGA程序判斷是否接收到向上位機軟件發送數據指令,如果未接收到指令,則繼續開始下一個A/D采樣周期;否則將SRAM中存儲的數據通過網口發送到上位機軟件,并清空SRAM。上位機軟件接收到加速度信號檢測數據之后,通過數據分析軟件的時域分析單元和頻域分析單元得到振動加速度信號的時域曲線和頻譜圖,以方便分析被測裝置的受力情況和控制精度。
權利要求
1.一種高精度加速度信號檢測及分析裝置,其特征在于,包括信號檢測模塊、數據處理模塊和數據分析軟件模塊; 所述信號檢測模塊包括加速度傳感器單元和信號調理單元;所述數據處理模塊包括濾波電路單元、Α/D轉換電路單元、可編程邏輯處理單元、數據存儲單元和網口通信單元;所述數據分析軟件模塊數據接收單元、指令發送單元、數據時域分析單元和數據頻域分析單元; 所述信號檢測模塊的信號調理單元與所述數據處理模塊的濾波電路單元連接,所述數據處理模塊的網口通信單元與所述數據分析軟件模塊連接; 信號檢測模塊將接收的加速度電信號進行信號調整,以相應幅值的電壓信號傳給數據處理模塊,所述電壓信號經數據處理模塊的濾波電路單元濾除噪聲后經Α/D轉換電路單元將信號轉換為二進制數字量,通過所述可編程邏輯處理單元控制Α/D的采樣頻率,通過網口通信單元實現與數據分析軟件模塊的數據交換,通過數據分析軟件模塊進行數據分析,得到振動信號的時域曲線和頻譜圖。
2.根據權利要求1所述的一種高精度加速度信號檢測及分析裝置,其特征在于,所述信號檢測模塊的加速度傳感器單元與信號調理單元相連接,所述加速度傳感器單元包括一個靈敏度達到10_3g的壓電傳感器;所述信號調理單元包括放大器和濾波器。
3.根據權利要求1所述的一種高精度加速度信號檢測及分析裝置,其特征在于,所述數據處理模塊的濾波電路單元為一階無源低通濾波器;所述Α/D轉換電路單元包括一片16位的雙極性Α/D采樣芯片和一片高精度2.5V參考電源芯片;所述可編程邏輯處理單元的核心是一片FPGA芯片;所述數據存儲單元由可編程邏輯控制單元進行讀寫,緩存16位的A/D轉換數據,數據存儲單元的容量達到512K。
4.根據權利要求1所述的一種高精度加速度信號檢測及分析裝置,其特征在于,所述數據分析軟件模塊的數據接收單元和指令發送單元用于設置網口通信的參數;數據接收單元接收來自信號檢測模塊的可編程邏輯處理單元的Α/D轉換數據;指令發送單元向信號檢測模塊的FPGA發送數據轉換控制指令。
5.根據權利要求1所述的一種高精度加速度信號檢測及分析裝置,其特征在于,所述數據分析軟件模塊的數據時域分析單元將接收到的Α/D轉換數據轉化為實際的振動信號加速度值,得到加速度信號的時域曲線。
6.根據權利要求1所述的一種高精度加速度信號檢測及分析裝置,其特征在于,所述數據分析軟件模塊的數據頻域分析單元將接收到的Α/D轉換數據轉化為實際的振動信號加速度值,得到功率譜。
全文摘要
一種高精度加速度信號檢測及分析裝置屬于信號檢測領域,目的在于解決現有技術存在的處理速度較慢、系統結構復雜、程序設計不靈活的缺點。本發明包括信號檢測模塊、數據處理模塊和數據分析軟件模塊;所述信號檢測模塊包括加速度傳感器單元和信號調理單元;所述數據處理模塊包括濾波電路單元、A/D轉換電路單元、可編程邏輯處理單元、數據存儲單元和網口通信單元;所述數據分析軟件模塊數據接收單元、指令發送單元、數據時域分析單元和數據頻域分析單元。本發明通過可編程邏輯處理器FPGA實現了數據的快速處理,簡化了系統結構設計,增強了程序設計的靈活性,實現數據的快速通信;集數據采集、處理和分析為一體,提高系統的靈活性、可操作性。
文檔編號G01H11/06GK103207010SQ201310094748
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月22日 優先權日2013年3月22日
發明者李洪文, 鄧永停, 王建立, 張超 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所

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