基于FPGA的网络化数据采集系统.pdf

Networked Data Acquisition System
Based on FPGA




A Thesis Submitted to Chongqing University
in Partial Fulfillment of the Requirement for the
Degree of Master of Engineering
By
Hao Yunfeng


Supervisor: Prof. Tang Yike
Major: Mechanical Electronical Engineering

College of mechanical engineering of
Chongqing Univercity, Chongqing, China
April, 2008
中文摘要

摘 要

在大型机械设备状态监测及故障诊断系统中，对各种状态信号的采集和传输，
已经越来越成为一个急需推进和提高的技术问题。本文针对这个技术问题，对当
前各种机械设备状态信号的数据采集和数据传输方式做出了深入分析和对比。根
据机械振动信号的特殊要求，提出了基于 FPGA 的多路转换模拟通道寻址技术的
一种变频率采样的方法。同时针对机械振动信号测点较多、数据量较大、实时性
要求较高的特点，提出了一种基于 DM9000 来实现的以太网传输方式。数据采集
及可变频采样控制、两级数据缓存、数据报封装以及数据传输控制等功能全部都
基于一块 FPGA 芯片，并通过硬件描述语言 VHDL 来实现。同时使用备用协处理
机缓存系统，保证数据采集系统对重点设备的不间断采样。
数据采集及可变频率采样单元：采用有限状态机实施对 A/D 转换器的控制，
提高了响应速度和可靠性；在 FPGA 内部预制多路转换的通道序列表，通过对序
列表的可变寻址完成通道的转换，在一定程度上实现了不同通道不同采样频率的
变频率采样。
数据缓存单元：在 FPGA 内部实现双口 RAM（FIFO）， 用以对采集数据的缓
存以及同步，完成嵌入式 TCP/IP 协议及以太网协议的封装。
以太网通信单元：在 FPGA 内部构建了小型控制系统，实现对指令的逐条执
行，完成对以太网通信的控制。
备用数据缓存单元：在以太网传输故障时，系统切换至协处理机的缓存系统，
实现对重点设备的不间断监控。
本文提出的机械振动信号的数据采集及数据传输方式，简化了设备状态监测
及故障诊断系统中振动信号获取的策略，提高了数据获取效率、增强了信号采集
与传输的可靠性，并极大的降低了整个系统的成本。本文实现的通用的采集方式
和传输方式，为同一领域的研究提供了有价值的参考。

关键词：状态监测，数据采集，数据传输，FPGA，以太网
I
重庆大学硕士学位论文


II
英文摘要

ABSTRACT

Mechanical vibration signals acquisition (data collection and transmission) in
mechanical equipment state mo