基于FPGA的应力应变信号监测系统的研究设计

摘要：文中介绍了一种基于FPGA的多通道应力应变信号监测系统的设计方案，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FPGA上各个控制模块的设计，系统可以通过NiosⅡ软核修改FPGA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；应力应变；NiosⅡ

    应力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。

2 信号调理电路的设计
    信号调理电路主要由供电电源模块、应变电桥稳压模块、电阻应变桥式电路、前置放大电路、二级放大及滤波电路组成，框图如图2所示。电源模块提供可靠稳定的电压；应变桥式电路作为信号转换电路，把力信号变换成电压信号；前置放大主要由高精度仪用运算放大器AD620为核心，对输入信号进行前置放大并对噪声进行有效抑制，二级放大滤波电路作为后级放大电路同时进行低通滤波，防止高频信号的干扰。

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。
    MAX197工作时，参考电压可以由片内提供或片外输入，视实际需要而定，当使用片内参考电压时，可在REFADJ端和REF端分别获得精度为±1．5％的参考电压2．5V和4．096V。当使用外部参考电压时，参考电压可以分为从REF或REFADJ输入当从REF输入时，只要把REFADJ和VDD相连，并在输入端REF和地之间加接一个4．7μF旁路电容；当从REFADJ输入时，只要REF端通过4．7μF电容旁路到地，并在输入端与地之间接一个0．01μF旁路电容，这种输入方式可以省掉外接缓冲放大器，MAX197的电路接法如图3所示。

4 基于FPGA的控制模块的设计：
    本设计利用SOPC技术存FPGA内部集成Nios II嵌入式处理器作为控制模块，可以像单片机一样用C语言对其进行编程开发，易于实现复杂功能，而且使用Nios II开发时可以根据实际情况选择所需的PIO和外设数量，定制出所需的系统，避免资源浪费，降低系统功耗。
4．1 Nios II软核的搭建
    首先需要添加的是CPU，NiosII软核为用户提供了三种具有不同功能的CPU配置。本系统选择Nios II／f类型，对系统所需CPU的性能和逻辑资源的占用率进行了平衡。
4．2 建立锁相环PLL模块
    搭建好软核之后还需要建立一个锁相环，对时钟进行倍频．由于前期所用的开发板上是20MHz的有源品振，需要将其倍频到100MHz以满足之前搭建的软核的时钟，还需要为SDRAM提供100MHz的时钟，在Quartus II9．0中用HDL语言设计生成的A／D控制模块如图4所示。

4．2 A／D转换器MAX197的控制模块设计
    MAX197控制模块主要用来产生MAX197的控制信号，控制MAX197 A／D转换芯片完成模数转换，并将转换的结果存入异步FIFO，存Quartus
II9．0中用HDL语言设计生成的A／D控制模块如图5所示。

    模块部分程序参考如下：
   
4．3 D／A转换器0832控制模块
    FPGA控制DA芯片，使DAC0832的输出与ADC芯片MAX197的输入模拟电压相加，抵消输入的零点，产生0—4．096V有效输出送到ADC芯片MAX197输入端进行模数转换，控制模块如图6所示。

4．4 双端口异步FIFO缓存模块
    由于软核处理器和FIFO的时钟不同，处理器读速度远远大于FPGA采集数据的速度，因此设计用FIFO在处理器和FPGA间的跨时钟域数据传输中起缓存的作用。在Quartus II9．0中用Altera提供的免费FIFO核设计生成的FIFO缓存模块如图7所示。

5 数据传输模块设计
    数据是通过无线的方式进行数据传输如图8所示，通过CDMA网络传输，工作量小，且方便维护，成本也低，可以通过CDMA网络实现数据的实时传输。

    监控中心采用查询方式接收／发送数据，数字信号处理模块采用中断方式接收数据。查询方式发送数据。在监控中心向数字信号处理模块发送数据时，先把数据发送到管理模块，管理模块再将数据发送到数字信号处理模块，当数据发送结束时，比较数字信号处理模块的模块编号和监控中心发送的模块编号是否匹配，如果匹配则接收数据并存入数据库，并实时显示，监控中心的数据显示模块主要显示监测点，以及对应的应变值、温度值和应变、温度的最大值和最小值。并将数据保存起来然后通过对数据的分析处理，对系统的结构安全状况做出评估。

6 结束语
    本设计将FPGA (现场可编程门阵列)引入应力应变检测系统的设计。FPGA的时钟频率高、内部延时小、以FPGA内部的强大逻辑功能代替复杂的外围电路来控制数据采集模块组，既保证了数据采集模块实时、同步采样，又简化了硬件电路，增强了系统的抗干扰能力，具有很高的实用价值。