【摘 要】
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振动数据采集是实现设备状态监测与相关控制的重要环节。振动信号反映了结构或设备运行的状态,通过设计振动数据采集系统,实现振动信号的采集,分析振动信号得到的结果可作为结构健康监测的重要评价指标,或者设备控制的重要反馈变量。研究振动信号的时频特性,提取特征信息,利用振动加速度信号在时域中二次积分的方法得到动态位移响应。采集系统充分考虑FPGA和ARM各自的优点,采用FPGA与ARM的多核架构设计方案。考
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振动数据采集是实现设备状态监测与相关控制的重要环节。振动信号反映了结构或设备运行的状态,通过设计振动数据采集系统,实现振动信号的采集,分析振动信号得到的结果可作为结构健康监测的重要评价指标,或者设备控制的重要反馈变量。研究振动信号的时频特性,提取特征信息,利用振动加速度信号在时域中二次积分的方法得到动态位移响应。采集系统充分考虑FPGA和ARM各自的优点,采用FPGA与ARM的多核架构设计方案。考虑到需要对多路传感器同时采集,采集系统设计了十二路同步采集接口,并通过前端模拟电路的配置,实现对不同传感器接入类型的匹配;系统采用双ADC设计,每个ADC完成六个通道同步采样,FPGA同时控制两个ADC的启动转换实现十二个通道同步采样;采用以太网接口实现采集系统与服务器或上位机之间的通信,完成采样数据的实时传输及服务器对采集系统的参数设置;考虑到采集系统的现场离线工作场景,采用Micro SD卡实现在低速采样模式下采样数据的本地存储;采集系统的RS485接口可实现多个采集系统之间的同步,构建分布式同步数据采集系统。通过先功能仿真后硬件系统验证的方法,完成FPGA内部各功能模块的设计。FPGA根据服务器发送的控制命令字,在FPGA内部构建参数设置寄存器,实现对采样模式、采样率等参数的设置;根据ADC工作时序,实现对ADC的采样控制并完成对两路ADC的采样数据读取;利用SDRAM特点,FPGA和SDRAM实现对采样数据的深度缓存设计;通过构建异步FIFO,实现FPGA与ARM之间的高速数据通信。ARM采用抢占式多任务实时操作系统(RTOS)实现多任务管理。采用轻量级互联网协议(LwIP)实现采集系统与服务器之间的网络通信;通过对ARM高速数据接口FSMC的配置,完成对FPGA内部异步FIFO的读取与参数寄存器的写入;通过文件操作系统(FatFS)实现对Micro SD卡的文件读写操作。通过采集标准信号源验证了采集系统功能设计的正确性、实时性和可靠性;通过采集的振动台数据验证了希尔伯特-黄变换(HHT)算法在动态非平稳数据处理上的优越性,验证了加速度时域中二次积分重构位移的可行性;通过采集的桥梁振动响应数据参照视频记录分析了桥梁在不同交通流下的时频特性与动态位移响应,为桥梁维护与预警提供重要的依据。
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