基于FPGA的應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

摘要：文中介紹了一種基于FPGA的多通道應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)的研究為一些大型建筑結(jié)構(gòu)由于年代久遠(yuǎn)而需要維護(hù)、維修提供客觀依據(jù)，主要闡述了前端信號(hào)采集電路硬件以及FPGA上各個(gè)控制模塊的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以通過(guò)NiosⅡ軟核修改FPGA中的各項(xiàng)采樣參數(shù)，如采樣率、采樣通道數(shù)、起始通道等，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同對(duì)象的應(yīng)變情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，模擬實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，采集精度高，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：FPGA；數(shù)據(jù)采集；應(yīng)力應(yīng)變；NiosⅡ

應(yīng)力應(yīng)變是一個(gè)物體受力后機(jī)構(gòu)的變化情況，應(yīng)變就是受力后產(chǎn)生的形變率，通過(guò)對(duì)應(yīng)變進(jìn)行檢測(cè)，就可以知道物體的受力情況和形變情況。

1 設(shè)計(jì)思路
本文設(shè)計(jì)的應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)功能。整個(gè)系統(tǒng)主要由Altera公司的FPGA芯片CycloneII 2C35F672C6，MAX公司的ADC芯片MAX197，DAC 0832以及信號(hào)調(diào)理電路等外圍電路組成。系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)圖如圖1所示。NiosⅡ軟核輸出控制信號(hào)，控制FPGA。當(dāng)NiosⅡ軟核啟動(dòng)FPGA開(kāi)始數(shù)據(jù)采集后，F(xiàn)PGA通過(guò)MAX197控制模塊輸出通道地址給ADC芯片MAX197，F(xiàn)PCA控制DAC芯片輸出模擬量對(duì)這一通道的輸入量進(jìn)行粗調(diào)零。然后由FPGA控制ADC芯片MAX197進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換得到的12位數(shù)字量輸送給FPGA。在FPGA內(nèi)部將12位數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)調(diào)零等相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，然后加上4位標(biāo)明通道的數(shù)據(jù)送入FIFO中。當(dāng)FIFO達(dá)到半滿(mǎn)時(shí)，NiosⅡ軟核將數(shù)據(jù)讀出進(jìn)行相應(yīng)的處理，這時(shí)候整個(gè)數(shù)據(jù)采集的過(guò)程完成，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，將異常數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)送單元(DTU)發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

3 A／D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路連接
A／D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件，它的技術(shù)指標(biāo)有采樣通道數(shù)目、輸入范同、輸入方式、采樣率、分辨率、精度、編碼寬度等，其中采樣率、分辨率、精度是A／D轉(zhuǎn)換器的3個(gè)重要指標(biāo)，直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度。
3．1 采樣率的選擇
采樣率是指在單位時(shí)間內(nèi)采集系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)的采集次數(shù)。一個(gè)高采樣率可以再給定時(shí)間下采集更多數(shù)據(jù)，因此能更好的反映原始信號(hào)，但也并不是采樣率越高越好，如果采樣率太高，當(dāng)然會(huì)得到完美的信號(hào)，但同時(shí)也會(huì)得到大量無(wú)用的數(shù)據(jù)，這將浪費(fèi)寶貴的存儲(chǔ)空間，但如果采樣率太低，雖然節(jié)省存儲(chǔ)空間，將會(huì)得到一個(gè)無(wú)用的采集結(jié)果：波形看似正確，實(shí)際上是完全錯(cuò)誤的。
3．2 分辨率的選擇
分辨率是指A／D轉(zhuǎn)換器所能分辨模擬輸入信號(hào)的最小變化量，它代表了數(shù)字值上的最低有效位1(LSB)，也稱(chēng)為編碼寬度。分辨率是由A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定的，位數(shù)越大，分辨率就越高，信號(hào)范圍被分割成的區(qū)間數(shù)目就越多，輸入信號(hào)的細(xì)分程度就越高，因此能探測(cè)到的電壓變量就越小，這對(duì)于提高像FFT這樣的數(shù)學(xué)分析計(jì)算非常重要，但同時(shí)也意味著更高的成本。A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)常用的有8位、12位、14位、16位，甚至還有24位的。
過(guò)高的分辨率除了成本高，也會(huì)帶來(lái)其他的問(wèn)題：比如為獲得一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)，A／D轉(zhuǎn)換需要更多的時(shí)間也就是說(shuō)，分辨率越高，A／D采樣越慢。
3．3 精度的選擇
精度反映了測(cè)量與實(shí)際信號(hào)值的接近程度，用％來(lái)表示，例如，一個(gè)具有0．1％系統(tǒng)精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測(cè)量一個(gè)理想的10V的電壓源。測(cè)量結(jié)果帶有0．1％的誤差，它可能顯示高至10．01V或低至9．99V的測(cè)量值。顯然精度越高，數(shù)據(jù)質(zhì)量也就越高，測(cè)量結(jié)果也就越加可信。
綜合上面幾個(gè)因素考慮，本系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器選用MAX197，MAX197芯片是美國(guó)MAXIM公司近年的新產(chǎn)品，是多量程(±10V，±5V，0～10V，0～5V)、8通道、12位高精度的A／D轉(zhuǎn)換器。它采用逐次逼近工作方式，有標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)接口。三態(tài)數(shù)據(jù)I／O口用做8位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線的時(shí)序與絕大多數(shù)通用的微處理器兼容。全部邏輯輸入和輸出與TTL／CMOS電平兼容。新型A／D轉(zhuǎn)換器芯片MAX197與一般A／D轉(zhuǎn)換器芯片相比，具有極好的性?xún)r(jià)比，僅需單一+5V供電，且外圍電路簡(jiǎn)單，可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。