摘要：在振動信號采集和處理系統設計中，信號的處理時間與可靠性決定著系統應用的可行性。本文設計了一種基于FPGA的振動信號采集處理系統，該系統通過振動信號采集電路、抗混疊濾波電路、AD采樣電路將電荷信號轉化為數字信號送入FPGA，在FPGA處理設計中利用數據流控制方法并行實現了信號的采樣和處理，并在數據存儲和訪問過程中采用時鐘時標方法判斷信號采樣過程中的數據丟失情況，有效提高了振動信號處理的實時性及可靠性。本設計在真實環境中進行了驗證，系統運行穩定可靠，滿足各項技術應用要求。

振動現象是機械設備運行的伴隨過程，結構部件處于工作狀態就有振動信號產生，常見故障通過振動和由振動輻射出來的噪聲反映。在飛行器的健康監控和診斷過程中，作為提取故障信息的主要手段，振動信號的采集和處理具有特殊重要的意義。

飛行器振動過程的捕捉由于采樣點數密集，傳感器數量多，傳感器之間同步要求高，對于振動采集系統采樣速率、采樣精度和數據處理能力提出了更高的要求，單純依靠CPU完成數據采樣和處理越來越力不從心。

以FPGA為代表的可編程邏輯器件以其工作穩定、速度快、靈活的可編程能力等特點，獲得了越來越廣泛應用。本文提出了一種基于FPGA的振動信號采集處理系統;該系統具有實時性高，糾錯能力強等特點，采用數據流控制的方法實現了信息的并行處理，可以更加有效的實現多通道振動信號采集;同時為了提高數據的可靠性采用時間標定的方法進行數據的存儲和校驗。本文第一節介紹了該系統的整體設計方案，第二節、第三節介紹了電荷放大器及和混疊濾波電路的實現方法，第四節著重介紹了FPGA的實現方法，最后介紹了方案的實際應用情況。

1 整體方案

振動信號采集處理系統用于采集軸承的圓周運動所導致的振動過程，振動傳感器安裝在機械部件上，可以同時采集機械部件各方向的振動量值，為達到振動信號校驗和標定的目的，結構部件上安裝有光柵傳感器，結構部件每轉動一周產生一個脈沖信號，該信號與振動信號同時送入振動采集系統用于后續處理。

本文所采用的振動傳感器為成熟的商用傳感器，該傳感器輸出信號為電荷信號，其量值與結構部件的振動加速度成正比。振動傳感器發出的信號經過電荷放大器電路將該信號轉變為電壓信號，該電壓信號經抗混疊濾波處理、AD采樣后轉化為二進制數據，送入FPGA進行后續處理;光柵傳感器產生的脈沖信號，經光電隔離處理后送入FPGA作為時標用于后續處理;DSP從FIFO中讀取采樣數據，進行分析和處理并根據處理的結果進行顯示和告警。方案中AD轉換電路采用16位的高精度高速AD轉換芯片實現，時標采樣電路采用光電隔離器件實現。振動信號采集處理系統原理圖如圖1所示。

2 電荷放大器電路設計

電荷放大器電路原理圖如圖2所示，放大器采用美國TI公司的TL082芯片。該芯片是采用二次離子注入Bi—FET兼容工藝制作的單片集成高輸入阻抗運算放大器。電路中C1為積分電容用于實現電荷信號及電壓信號的轉化，C1電容的精度對整個電路精度有較大影響，應選用高精度的瓷介電容，電阻R1為反饋電阻主要功能是避免電容C1出現飽和現象，電阻R1阻值需大于等于500 kΩ。為了保護運放TL082，在其反相端串接電阻R2，為避免R2與運放TL082的輸入電容構成另一個極點而使運放產生自激振蕩。在R2兩端并聯電容C3實現相位補償。電容C2和R2、C3并聯電路相串聯，作用是隔離掉壓電傳感器的零漂。電容C4、C5、C6、C7用于濾除電源上的干擾信號。

3 抗混疊濾波電路設計

混疊現象由信號中高于采樣速率一半的成分引起的，該現象會導致A/D轉換后的數據波形失真，產生錯誤。解決辦法是將信號中高于采樣速率一半的頻率成分濾除。這要求在采樣率變化的情況下，濾波器的低通截止頻率也要相應調整。濾波器MAX291配合A/D轉換器的低通濾波電路可以實現程控抗混疊濾波。該器件是一款巴特沃思低通濾波器。截止頻率范圍從0.1 Hz到50 kHz。截止頻率與輸入時鐘頻率之比為50：1。系統可以通過FPGA分頻產生5 Hz到25 MHz的方波信號，控制抗混疊濾波電路實現不同截止頻率的低通濾波功能。

4 FPGA設計

文中FPGA芯片選用XILINX公司的virtex-5系列XC5VFX70芯片，該芯片具有11，200個可配置邏輯塊和18KB大小的RAM塊296個，能夠滿足較復雜的邏輯控制和較大的數據存儲要求。FPGA控制邏輯包括數據流控制邏輯、FIFO控制邏輯、調度模塊、數據存儲、數據訪問等幾部分。調度模塊是FPGA的核心控制模塊向其他模塊發出控制指令，數據流控制邏輯完成了數據由串行數據向并行數據的轉化，FIFO控制邏輯完成了FIFO的寫入寫出控制，數據的存儲和訪問控制邏輯主要用于數據的校驗，FPGA邏輯組成框圖如圖3所示。