扭振廣泛存在于各種回轉(zhuǎn)軸系中，比如內(nèi)燃機(jī)曲軸、發(fā)電機(jī)、齒輪傳動(dòng)鏈等。就內(nèi)燃機(jī)軸系而言，嚴(yán)重的扭振會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力裝置的部件斷裂，造成不可估計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。所以對(duì)扭振的動(dòng)態(tài)測(cè)量和監(jiān)控一直為人們所重視。

　　SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。它將CPU、存儲(chǔ)器、I／0接口、DSP模塊)以及鎖相環(huán)(PLL)等系統(tǒng)設(shè)計(jì)所必需的模塊集成到一片F(xiàn)PGA上，使所設(shè)計(jì)的電路在規(guī)模、功耗、產(chǎn)品維護(hù)等多方面實(shí)現(xiàn)化。

　　1 扭振監(jiān)測(cè)原理及方法

　　軸系在旋轉(zhuǎn)時(shí)若沒(méi)有扭振，則軸的各瞬時(shí)速度都等于其平均速度，傳感器輸出的每齒一個(gè)脈沖信號(hào)的重復(fù)周期是相同的。當(dāng)軸系發(fā)生扭振時(shí)，相當(dāng)于在軸系平均速度上疊加了一個(gè)扭振的波動(dòng)，于是傳感器輸出的脈沖序列就不再是均勻間隔了，而是一個(gè)載波頻率被扭振信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻信號(hào)。這個(gè)調(diào)頻信號(hào)可以用脈沖記數(shù)法進(jìn)行解調(diào)。設(shè)軸系旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為tc，則平均速度為齒輪的齒數(shù)為N，再測(cè)出轉(zhuǎn)n個(gè)齒的時(shí)間為tn，tn在時(shí)間內(nèi)軸系的扭角為

　　所以只需測(cè)出tn和tc就可算出相應(yīng)各￡。的扭角θn。

　　信號(hào)的拾取可采用光電編碼器。將光電編碼器的光柵碼盤安裝在轉(zhuǎn)軸上，且與轉(zhuǎn)軸同心，當(dāng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)光柵盤與軸同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置輸出若干脈沖信號(hào)，對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，并通過(guò)計(jì)算就可得出θn。

　　2 扭振信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及板級(jí)硬件設(shè)計(jì)

　　扭振信號(hào)測(cè)監(jiān)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

　　系統(tǒng)采用FP—GA—CycloneⅡ系列的EP2C35實(shí)現(xiàn)SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件主要包括FPGA上的NiosⅡ處理器系統(tǒng)、FPGA外的接口和外設(shè)兩部分。NiosⅡ處理器系統(tǒng)由基于Avalon Bus的NiosⅡCPU、串行接口、PIO、存儲(chǔ)器控制器、定時(shí)器以及片上RAM等IP組成。

　　外設(shè)包括：信號(hào)拾取整形模塊、USB—Blaster-模塊、Flash、SDRAM、L鍵盤等。上位PC用軟件接收RS232發(fā)送的連續(xù)采樣數(shù)據(jù)，解碼出需求的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。4個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)和PS／2，用于控制信號(hào)采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送。系統(tǒng)通過(guò)PIO可實(shí)現(xiàn)對(duì)整形模塊、鍵盤、LCD等外設(shè)的控制。存儲(chǔ)器控制器分別與片外Flash和SDRAM連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)。

　　2.2 系統(tǒng)硬件定制

　　2.2.1 FPGA硬件模塊設(shè)計(jì)

　　硬件電路板測(cè)試完成后，需要設(shè)計(jì)FPGA硬件模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。模塊各端口如表1所示，信號(hào)采集仿真波形，如圖2所示。輸出信號(hào)中所有光電編碼器時(shí)間是系統(tǒng)時(shí)鐘個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)值。通過(guò)軟件模塊計(jì)算得到平均扭角、瞬時(shí)扭角以及誤差。

　　如圖2所示，當(dāng)in_en高有效時(shí)，在WrestFlap_one上升沿，寄存器gride_cnt加l，同時(shí)gride_time，circl_time開(kāi)始計(jì)算。當(dāng)gride_cnt一圈數(shù)完時(shí)，circl_time輸出上一圈的總時(shí)間。在WrestFlap_one下降沿，gride_en輸出使能采樣信號(hào)，高有效，此信號(hào)做為后端FIFO寫(xiě)使能信號(hào)。

　　2.2.2 SOPC硬件模塊加載及系統(tǒng)構(gòu)成

　　在SOPC Builder中進(jìn)行扭振測(cè)量系統(tǒng)配制。添加Ahera自有的豐富IP核，選擇SOPC Builder生成HDL代碼的類型為Verilog，選擇芯片EP2C35，確定系統(tǒng)工作頻率，配制處理器選項(xiàng)，配制外圍設(shè)備，安排存儲(chǔ)器地址和范圍，為外圍設(shè)備和接口設(shè)置所需的中斷優(yōu)先級(jí)。為了優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用用戶自定義外設(shè)模塊。SOPC Build所用模塊如下：

　?、?NIOS II Processor CPU；

　　② tri_state_bridge(Avalon連接總線)；

　　③ lcd_16207_0(LCD顯示)；

　　④ sdram，cfi_flash(存儲(chǔ)器)；

　?、?button_pio，switch_pio(輸入控制端口)；

　?、?Dma(傳輸控制)。

　　2.2.3 用戶自定義外設(shè)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)自定義模塊是Avalon流模式采集輸入控制器。Avalon流模式采集輸入控制器硬件結(jié)構(gòu)，控制器模塊分為采集模塊與HFO傳輸模塊兩部分。采集模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，其輸入接口有：write_clk(寫(xiě)時(shí)鐘)、write_en(寫(xiě)使能)與sample_data(16位數(shù)據(jù)總線)。掛在Avalon總線上的接口有FIFO Q[15：0](數(shù)據(jù)輸出總線)、chipselect(片選信號(hào))、read_req(讀請(qǐng)求信號(hào))、address(Avalon總線地址)read_empty(讀空信號(hào))、read_clk(讀時(shí)鐘)。

　　系統(tǒng)采用光電編碼每格有效信號(hào)作為寫(xiě)使能控制向FIFO寫(xiě)數(shù)據(jù)，讀請(qǐng)求信號(hào)read_req由總線發(fā)出，經(jīng)過(guò)read_empty控制DMA取FIFO中數(shù)據(jù)時(shí)間，在read_empty低電平期間取FIFO中數(shù)據(jù)。其時(shí)序見(jiàn)圖4，其中Dataavailable信號(hào)接FIFO輸出的空信號(hào)。仿真波形如圖5所示。

　　設(shè)計(jì)完成后啟動(dòng)SOPC Builder的Generate生成用于綜合和仿真的文件，在QuarusⅡ中鎖定端口引腳，對(duì)生成的處理器系統(tǒng)進(jìn)行仿真、綜合、適配并且到FPGA中。

　　2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件共有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊、UART數(shù)據(jù)發(fā)送控制模塊和LCD顯示控制模塊。系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。數(shù)據(jù)采集模塊有開(kāi)關(guān)使能。開(kāi)關(guān)鍵有效且處于有效采樣信號(hào)下時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始接收由光電編碼器經(jīng)整形電路采集到的脈沖信號(hào)，每次采樣信號(hào)有效時(shí)，采樣次數(shù)則加一，系統(tǒng)共可采集8 000格數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算模塊根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算出瞬時(shí)扭角，平均扭角和誤差。同時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊通過(guò)按鍵組控制向上位PC機(jī)發(fā)送這3種數(shù)據(jù)，并由LCD控制模塊以二行形式顯示，通過(guò)按鍵控制進(jìn)行刷新顯示。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　基于SOPC技術(shù)的扭振監(jiān)測(cè)信號(hào)動(dòng)態(tài)分析范圍較大，可以在高低轉(zhuǎn)速的軸系之間快速切換，若與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、分析和監(jiān)控告警一體化。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用于各種回轉(zhuǎn)軸系系統(tǒng)，如內(nèi)燃機(jī)曲軸、發(fā)電機(jī)、齒輪傳動(dòng)鏈等，具有廣闊的應(yīng)用前景。