基于FPGA的便携式振动频谱分析仪

该论文基于NIOS Ⅱ软核处理器和Altera的FPGA技术，设计了一种便携式的振动频谱分析仪，用于旋转机械的故障监测和诊断。以SOPC技术为手段，将信号采集和信号处理电路通过可编程片上系统来实现，其特点是将对ADC的控制、数字信号的滤波、快速傅立叶变换的设计，通过FPGA芯片集成在一起，以NIOS Ⅱ来完成32位CPU的状态控制功能。工程机械、汽车车辆中都存在诸如发动机类的旋转机械，这类设备的异常振动往往会影响正常工作，严重时还会出现各种重大事故，该分析仪可以实时地或定期地对发动机、齿轮箱等旋转机械进行振动频谱分析和监测，运用于民用机械能产生非常好的经济效益。 该论文从四个方面进行了研究工作。其一，利用FPGA对ADC芯片的工作进行控制，使其在规定的时间内与DSP模块进行数据交换，并对ADC各引脚时序进行控制，使两者协调同步工作，编制了相应的VHDL语言程序。其二，采用SOPC Builder设计开发，实现了基于NIOS Ⅱ的32位CPU软核，创建了相应的C/C++和汇编的宏代码，使得软件可以访问用户自定义逻辑。对顶层设计产生的VHDL的RTL代码和仿真文件进行了综合、编译适配以及仿真。其三，配合Matlab和DSP Builder的强大功能进行DSP模块设计，开发出了FIR和FFT等功能模块，并且添加到SOPC系统中，使其可以由NIOS Ⅱ很容易的调用。其四，在NIOS Ⅱ系统中添加了uC/OS Ⅱ操作系统，提高了整个系统的稳定性，并且降低了开发难度，提高了系统升级的能力。由于整个设计是基于FPGA开发的，所以该系统包括了所有FPGA系统的特点，包括并行的DSP处理、在系统可编程、升级简单等特点，极易使设计产品化。