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基于FPGA的应力应变信号监测系统的研究设计

作者:时间:2013-03-25来源:网络

摘要:文中介绍了一种基于的多通道应变的设计方案,该系统的研究为一些大型建筑结构由于年代久远而需要维护、维修提供客观依据,主要阐述了前端信号采集电路硬件以及上各个控制模块的设计,系统可以通过NiosⅡ软核修改中的各项采样参数,如采样率、采样通道数、起始通道等,来实现对不同对象的应变情况进行实时监测,模拟实验表明系统运行稳定可靠,采集精度高,具有很高的实用价值。
关键词:FPGA;数据采集;应变;NiosⅡ

应变是一个物体受力后机构的变化情况,应变就是受力后产生的形变率,通过对应变进行检测,就可以知道物体的受力情况和形变情况。

1 设计思路
本文设计的应力应变检测系统可以实现数据的采集、处理和存储功能。整个系统主要由Altera公司的FPGA芯片CycloneII 2C35F672C6,MAX公司的ADC芯片MAX197,DAC 0832以及信号调理电路等外围电路组成。系统硬件简图如图1所示。NiosⅡ软核输出控制信号,控制FPGA。当NiosⅡ软核启动FPGA开始数据采集后,FPGA通过MAX197控制模块输出通道地址给ADC芯片MAX197,FPCA控制DAC芯片输出模拟量对这一通道的输入量进行粗调零。然后由FPGA控制ADC芯片MAX197进行模数转换。将转换得到的12位数字量输送给FPGA。在FPGA内部将12位数据进行细调零等相应的数据处理,然后加上4位标明通道的数据送入FIFO中。当FIFO达到半满时,NiosⅡ软核将数据读出进行相应的处理,这时候整个数据采集的过程完成,如果数据出现异常,将异常数据通过数据发送单元(DTU)发送至监测中心,系统总体框图如图1所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/189659.htm



3 A/D转换器的选择及电路连接
A/D转换器是数据采集系统的核心器件,它的技术指标有采样通道数目、输入范同、输入方式、采样率、分辨率、精度、编码宽度等,其中采样率、分辨率、精度是A/D转换器的3个重要指标,直接影响数据采集系统的精度。
3.1 采样率的选择
采样率是指在单位时间内采集系统对模拟信号的采集次数。一个高采样率可以再给定时间下采集更多数据,因此能更好的反映原始信号,但也并不是采样率越高越好,如果采样率太高,当然会得到完美的信号,但同时也会得到大量无用的数据,这将浪费宝贵的存储空间,但如果采样率太低,虽然节省存储空间,将会得到一个无用的采集结果:波形看似正确,实际上是完全错误的。
3.2 分辨率的选择
分辨率是指A/D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量,它代表了数字值上的最低有效位1(LSB),也称为编码宽度。分辨率是由A/D转换器的位数决定的,位数越大,分辨率就越高,信号范围被分割成的区间数目就越多,输入信号的细分程度就越高,因此能探测到的电压变量就越小,这对于提高像FFT这样的数学分析计算非常重要,但同时也意味着更高的成本。A/D转换器的位数常用的有8位、12位、14位、16位,甚至还有24位的。
过高的分辨率除了成本高,也会带来其他的问题:比如为获得一个稳定的信号,A/D转换需要更多的时间也就是说,分辨率越高,A/D采样越慢。
3.3 精度的选择
精度反映了测量与实际信号值的接近程度,用%来表示,例如,一个具有0.1%系统精度的数据采集系统,测量一个理想的10V的电压源。测量结果带有0.1%的误差,它可能显示高至10.01V或低至9.99V的测量值。显然精度越高,数据质量也就越高,测量结果也就越加可信。
综合上面几个因素考虑,本系统的A/D转换器选用MAX197,MAX197芯片是美国MAXIM公司近年的新产品,是多量程(±10V,±5V,0~10V,0~5V)、8通道、12位高精度的A/D转换器。它采用逐次逼近工作方式,有标准的微机接口。三态数据I/O口用做8位数据总线,数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。全部逻辑输入和输出与TTL/CMOS电平兼容。新型A/D转换器芯片MAX197与一般A/D转换器芯片相比,具有极好的性价比,仅需单一+5V供电,且外围电路简单,可简化电路设计。

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