振动信号采集及网络化传输关键技术的FPGA实现
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振动信号采集及网络化传输关键技术的FPGA实现
叶凡，谢志江．王世耕
重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030
摘要：介绍了一种基于FPG A(现场可编程门阵刊)的多路转缦模拟通道寻址技术的变频率采样方法，针对机械振动
信号数据鼙较大、实时性要求较高的特点，提出了基于FPGA来实现的以太网传输方式。把数据采集控制、数据缓存、数
据封装以及数据传输控制都集成在一块FPGA芯片里，并通过硬件描述语言vHOL来实现。
关键词：振动信号，数据采集．网络化传输，FPGA
中图分类号：TP271 文献标识码：A 文章编号：1002—2333(200了)11一0056—03
Key Technical Study of MechanicaI VmraUoⅡSignals CoIIectjon&Network Tran蚰nission Based on FPGA
YE FaII’ xIE zhj_jia”g， wANG Shi—ge“g
(The state K8y Laboratory“Mechan Jeal T㈣lsslon，cho“gqi“g universil扎Chongqi“g 400030，Chlna)
Abstract：Thi8 p8per propose a w8y to samI’le vibration s培nal with adjustable fr8quen。y which based on multiplexed
converslon channel address】ng in internal FPGA(Field Pmgrammable Cate Arr8y)Also addressed mechanica】vibratlon
signals features of la瞩e v01u rrLe of data roquirement of real—nme，prop08ed a FPGA—based Etheme【to achieve t11e
means(，f lransmission．The design elaborated ln thi8 p8per int89rated control of data collection，stor89e．pack89i“g 8nd
transmission contr01 1n a single FPGA chip。and through hardware description la“gu89e VHDL to achleve．
Key words：vib ratjon s1卯a1举flaLa aoquisitio n’network tran8mission；FPGA
1引言
实践证明，机械故障的90％可以从振动测量中检测
出来，所以机械振动信号是机械设备状态监测与故障诊
断的必不可少的信号，由于现代计算机技术的飞速发展
以及数字信号处理的能力日益提高，现代大型机械设备
状态监测与故障诊断系统对机械振动信号的处理和分析
日臻完善，但诊断系统始终面临采集设备和处理设备地
点不统一，如何采集准确有效的现场数据以及实时高效
地传输到处理设备中成为关键问题。本文提出的机械振
动信号的数据采集及数据传输方式，提高了数据获取效
坚
蜡
盏
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时间幽 顿率mz藏l萋瓤
时问m 颖前Hz
圈6小波包分解和重构后的部分信号
56 l机械工程师2007年第11期
4结语
(1)改进后的小波包分解和重构算法能避免信号在
频域E混叠。在检测车削振动时，即使干扰信号很强，也
能有效地提取出切削振动数据。
(2)在提取出切削振动数据的同时，为减少计算量，
应该采用小波包最优分解方案，而针对切削振动的最优
分解二叉树结构的选定方法还需作进一步研究。
[参考文献]
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研究[J]振动与冲击，2005，24(5)：99一100 (编辑启迪)
作者简介：迟军(1974一)，男，讲师，硕士研完生．研究方向为机电测控
技术。
谢志江(1963一)，男，箍援，博士生导师．研究方向为设备监
刹谤断与机器视觉技术。
收稿日期：2007—07—23
万方数据
率，增强了信号的可靠性，降低了整个系统的成本?。
2基于FPGA硬件的设计
本设计是采用FPGA来实现对A，D和以太网适配器
的控制、A／D采集数据的TcP，IP协议的封装，并在内部实
现一个双口RAM用于数据的缓存。系统结构图如图l。
整个系统由A，D采集模块、双口RAM模块、TCMP封装
模块、以太网控制模块以及初始化控制模块等几大功能
模块构成。
2．』系统的A，D采集模块
A，D采集模块的采样控制器实现对A，D转换器芯片
的控制、对多路模拟通道的控制、添加A，D采样数据的附
加信息、添加零相位点标识，并把采集数据和信息数据按
采样顺序存八双口RAM，A，D采集模块主要由A／D控制
器和模拟信号多路选择开关控制器组成。A巾控制器完
成对A，D转换器的控制并接受来自A，D转换器的采集数
据；多路选择模拟开关控制器完成对模拟信号多路选择
开关器件的控制，由于FPcA对多路选择开关的控制是
通过硬件逻辑方式，工作速度快，把一个通道序列表锁存
在一个由FPGA内部实现固定的存储器中，在数据进行
采样过程中的恰当时间只需要按地址增量读出序列表中
的通道编码即可选择相应的通道，这样啦能一定程度实
现不同通道采用不同的采样频率。A／D采集模块的接口
控制器完成和双口RAM的接口控制功能，采样数据在这
里添加了附加信息以及零相位标志等采样数据的通道，
这些信息相当于Tc肌P协议簇中的应用层，也就是A／D
采样控制模块输出的数据是结构完整的应用层数据报．
包含了上位机用户程序识别采样数据的全部信息。
任何A，D转换器都需要一个缓存来存储采样数据，
特别是在高速采样的系统中，一个效率高的存储器对系
统显得尤其重要，本设计在FPGA内部实现了一个双口
RAM来存储～D采集数据。双口RAM足一种高速的数
据交换接口，它提供了两个相互完全独立的端口，每个端
口都有自己的控制线、数据线和地址线，它常应用于数据
采集领域。
2．2双口RAM模块
此设计中采用FPGA设计了一个1K字节的双口用
来缓存A，D转换器的采样数据，就很好地解决了上面提
到的问题，使得连续无间隔高速采样并保证数据不丢失。
这个双口RAM实际上也是一个FIF0存储器。lK字节的
RAM缓存器可以在500K采样率的情况下存储lms的采
样数据。这么长的时间缓冲可以保障让数据处理和传输
过程有足够的时问。
回
采用读写地址相比较来产生空满标志。当读写地址
的差值等于一个预定值的时候，空，满信号被置位。这种
方法逻辑简单，但它是减法器形成的一个比较大的组合
逻辑，因而限制了HFO的速度。所以，一般只采用相等不
相等的比较逻辑，避免使用减法器”1。
2，3 TcP／IP封装模块
TcPⅡP封装模块完成数据在应用层的部分工作和运
输层、网络层、数据链路层的所有工作，完成数据按TcP／
IP协议的封装。
数据在输入TcP／IP封装之前已经完成了部分应用
层报头的添加，也就是该模块收到的数据是应用层数据
封装格式，各层的每个数据报的采样数据是等长的，封装
好的以太网数据报就是双口存储器的容量，也就是512×
16bits 6=1024字节。通过简化TcP／IP，真正的采样数据
和零相位标志组成的用户数据的长度是982字节。同时
便于上位机编程和对采样数据进行管理。
TcP／IP协议的运输层有两个重要的协议：TcP协议
和UDP协议．这里根据本系统的特定情况选择了uDP协
议。uDP协议简单，传输速率高，发送数据前无需建立连
接，发送数据结束后也不需要连接释放，减少了开销和发
送数据之前的时延，而且uDP报头只有8个字节，比TcP
的20个字节要小很多，uDP没有拥塞控制，当网络出现
拥塞的时候，也不会使源主机的发送速率降低，这对本系
统实现实时A，D数据的传输有好处，因为源主机L¨恒定
的数率发送数据可以保证A／D数据采集的不中断”：。
本设计只是完成了对A／D采集数据的传输，针对这
种情况可以大大简化TcP，IP协议，数据报报头的添加只
需要在应用层来的数据添加上固定的运输层端口地址、
固定的IP层IP地址和数据链路层MAc地址。也就是统
一完成对数据的应用层、运输层、网络层和数据链路层报
头的整体添加。系统在双口RAM中的两块数据存储区的
开始处预留m共46个字节的空间，用于专门存储这些报
头。采集模块的数据按地址增量存人双口RAM的其它空
间，当一块数据存满，也就代表一帧数据封装完成，然后
以太网挖制器读出完整的数据报发送到以太网适配器
DM9000。
2．4以太网控制模块及初始化控制横块
以太网控制模块由cPu主控单元、三态总线控制单
元和读写控制单元3个部分构成。主控单元基本组成框
罔如图2所示。
以太网控制模块是整个系统设计的重要组成部分，
它完成对以太网适配器的控制和数据的通信任务，读写
控制单元负责在接收到cPu主控单元的凄写信号的时
候完成对以太网适配器内部RAM和寄存器的读写操作；
cPc主控单元负责读写控制单元和三态总线控制单元的
统一控制和协同，按程序完成对DM9000的初始化工作
和实现数据的传输。
主控单元从程序存储器里凄取指令、锁存指令、解释
指令、命令译码和发H{控制命令、输出控制信号等。
机械工程师2007年第11期l 57
万方数据
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DM缕龆据总线
l 控制总线
FfF0醢缸据总线 、
囤2主控单元基本组成框图
对DM9000的控制
过程可以分为两个步骤
来完成，如图3所示。
第一是对DM9000
的初始化+然后是对
DM9000发送和接收数
据的控制。
初始化即足对
DM9000器件里的寄存
器写入初耍厶值，用以设
定DM9000的工作模
式。DM9000的初始化
程序是同定不变的。按
照这个程序对寄存器的
读写，只需要桶用读写控制单元，把午同应的数据和地址写
入读写控制单元即可完成。通过对DM9000的初始化和
发送数据的控制，得到对DM9000控制的程序流程图。
3实验及结果
用Ouarfus II软件对整个以太网控制模块设计进行
了仿真，为了让DM9000有数据发送，仿真的时候连接r
了双口RAM，只是RAM里的内容除了报头之外都为O，
仿真的时钟频率是40MHz，在程序ROM里写入的程序。
嘲4是第一条指令到第6条指令的执行结果．如程
序预期的效果，在第7条指令(925ns处)进人延时第6条
指令到第12条指令的执行结果，程序进行了两次软件复
位并保持20吣以上。
罔5是第13条指令到第1 8条指令的执行结果，程
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图4以太网控制模块的仿真时序图(1)
58 i机械工程师2∞7年第11期
图5以太网控制模块的仿真时序图12)t———．．．．．．．．．——一一————————-—--------_j序在第16条指令(43．7ns)处完成初始化和数据发送准
备，南图中的㈣L矗fo』ead引脚可以看m在43．7ns处开
始向双口RAM发出广读命令。test』fo_read引脚每12
个时钟拉低一次，证明主控制器不断地在对双口RAM进
行凄操作。
图6是指令执行到1024个数据都发送完成的时候，
指令接着开始向寄存器TcR里写入发送请求标志，完成
一次数据报的发送。
4结语
机械设备状态监测及故障渗断系统的数据通信要求
越来越高，本文把以太网通信、A／D采样和先进的FPGA
技术相结合，突出了在运行速度白面和成本方面的优越
性、用FPGA来实现的以太网传输方式。把数据采集控
制、数据缓存、数据报封装以及数据传输控制都集成在一
块FPGA芯片里，并通过硬件描述语言vHDL来实现。并
取得了一定的研究成果，为将来的发展提供了一种可借
鉴的模式。
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20()4 (编辑明涛)
作者简卉、：叶凡c19R1一)，男，研究生，主兽从事在线检删故障诊断及
图像监控方面的研究。
收稿日期：2007—07一10
三≥誊鍪嚣嚣{{一10■目自■目自gj景|■■|自■Ⅻ爿目
万方数据
振动信号采集及网络化传输关键技术的FPGA实现
作者： 叶凡， 谢志江， 王世耕， YE Fan， XIE Zhi-jiang， WANG Shi-geng
作者单位： 重庆大学,机械传动国家重点实验室,重庆,400030
刊名： 机械工程师
英文刊名： MECHANICAL ENGINEER
年，卷(期)： 2007(11)
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxgcs200711035.aspx
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