FPGA平臺(tái)上的遠(yuǎn)程靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和ARM架構(gòu)的多通道遠(yuǎn)程靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。采用FPGA控制多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)多路應(yīng)變信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)處理，利用ARM和網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)FPGA的控制及其與遠(yuǎn)程終端之間的以太網(wǎng)通信。系統(tǒng)可通過遠(yuǎn)程終端控制現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置和32路應(yīng)變信號(hào)的采集、處理和存儲(chǔ)。該系統(tǒng)采用模塊化和通用化設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集通道的減少與擴(kuò)展，同時(shí)也可應(yīng)用于其他數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：FPGA；應(yīng)變測(cè)量；以太網(wǎng)；信號(hào)調(diào)理；多通道采樣

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.10.008

引言

電阻應(yīng)變計(jì)作為目前世界上廣泛應(yīng)用的應(yīng)力分析測(cè)量設(shè)備，其應(yīng)用領(lǐng)域從宇宙航行、航空、機(jī)械、建筑、車輛、鐵道到紡織、化工等部門，最近又?jǐn)U展到生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、體育學(xué)等領(lǐng)域[1]。近年來，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量系統(tǒng)越來越注重其數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化功能[2]。傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)數(shù)字化、智能化程度低，數(shù)據(jù)傳輸方式有限，多采用電纜連接，對(duì)于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)造成了很大不便。為此，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA、ARM和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)量的多通道遠(yuǎn)程靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于水輪機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備在裝配過程中的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量，也可應(yīng)用于建筑物、橋梁、道路等的應(yīng)力測(cè)量。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用FPGA作為主控制芯片，完成信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳輸功能，采用ARM和網(wǎng)絡(luò)接口模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)，在PC機(jī)上運(yùn)行用VC6.0開發(fā)的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的控制和訪問。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。應(yīng)變信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理(包含放大、濾波和限幅等過程)后進(jìn)入ADC數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到應(yīng)變信號(hào)的數(shù)字量信號(hào)，存入FIFO緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)在FPGA主芯片中進(jìn)行適當(dāng)處理，傳輸給ARM芯片，ARM將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口傳到上位機(jī)。同時(shí)上位機(jī)也可通過網(wǎng)絡(luò)接口訪問設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和訪問。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為系統(tǒng)背板、信號(hào)調(diào)理板、主控板、電源板。系統(tǒng)背板包含系統(tǒng)總線，所有獨(dú)立模塊均插接在系統(tǒng)背板上。每塊信號(hào)調(diào)理板含2路電橋、橋路供電電路和調(diào)理電路，主控板包括數(shù)據(jù)采集模塊、FPGA模塊、ARM模塊和網(wǎng)絡(luò)接口模塊，電源板可為系統(tǒng)提供±12V、±5V直流電源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度為0.1%，輸入信號(hào)的頻率范圍為0~2kHz。