CN102902220B

CN102902220B - 一种激光多普勒测振计信号实时采集处理装置

Info

Publication number: CN102902220B
Application number: CN201210402408.2A
Authority: CN
Inventors: 尚建华; 陈勇; 钱剑敏; 赵曙光; 任立红
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: CN102902220A

Abstract

本发明涉及一种激光多普勒测振计信号实时采集处理装置，包括依次相连的信号调理模块、A/D转换电路模块、FPGA及其外围电路模块、D/A转换电路模块和显示器；所述信号调理模块用于将激光多普勒测振计的两路相位正交的模拟信号放大；所述A/D转换电路模块用于将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA及其外围电路模块用于对收到的数字信号进行串并转换和微分鉴频处理；所述D/A转换电路模块用于对经过处理的数字信号转换为模拟信号；所述显示器根据收到的模拟信号显示内容。本发明具有实时性强、采样速率高、采样精度高、集成性强以及工作稳定等优点。

Description

一种激光多普勒测振计信号实时采集处理装置

技术领域

本发明涉及一种数据采集及信号实时处理装置，特别是涉及一种激光多普勒测振计信号实时采集处理装置。

背景技术

激光多普勒测量技术可以远距离、非接触的实时测量各种微弱振动目标的运动速度及其微小变化，随着该技术的快速发展，已在测速、测振及相关应用研究领域得到了广泛的推广。

针对激光多普勒测振计，其系统构成包括相干光学检测链路和相干电子学检测模块。相干光学检测链路以光学方法实现振动目标信息的相干探测，相干电子学检测则在相干光学检测的基础上进一步提取振动目标的原始振动频率并实时输出含有振动信息的电压信号。

在相干电子学检测模块中，光电探测器输出信号首先经去载波处理得到正交两路信号，然后经微分鉴频等方法提取频率信息。然而，常规的微分鉴频处理手段是基于集成运算放大器芯片等模拟器件实现该方法中的加、减、乘、除等算法，因此，集成运算放大器芯片等器件的动态特性直接限制了待处理信号的动态范围，限制了激光多普勒测振计的可探测振动频率范围。其次，基于模拟器件实现微分鉴频处理需通过外围硬件电路参数的改变以获得良好的信号解调特性，因此，在实际应用中，电路装置的通用性较差。此外，传统的基于数字信号处理方法提取振动信息的电路装置，其内部的信号采集系统一般均采用单片机或DSP作为控制器，控制A/D和D/A转换、存储器及其他外围电路的工作，然而由于单片机本身的指令周期以及处理速度等性能受限，因此难以达到多通道高速数据同步采集的要求；DSP虽然可以实现较高速的数据采集，但是，采样速率的提高同时也引入了更高的系统设计成本；并且，单片机和DSP的各种功能需要借助软件控制才能实现，因此，指令的执行速度和效率较低，并且软件的运行时间占用了整个采样时间的很大比例。为了克服单片机和DSP在信号采集方面的不足，针对多路并行采集处理系统，目前常见的设计方法主要是FPGA与DSP相结合的处理手段，即采用FPGA实现控制、采用DSP实现数据处理，该方法适用于控制简单、信号处理算法复杂的采集系统，对于算法简单或时序要求严格的多路数据高速并行采集处理系统而言，这种设计方法则过于复杂化，不利于设计实现和推广应用，同时，FPGA和DSP之间的通信也会影响数据传输的可靠性和稳定性。

中国非专利文献“一种基于FPGA的激光散斑实时测量目标角振动的新方法，《电子器件》，公开日：2012年4月30日”是本发明最接近的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光多普勒测振计信号实时采集处理装置，具有实时性强、采样速率高、采样精度高、集成性强以及工作稳定等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光多普勒测振计信号实时采集处理装置，包括依次相连的信号调理模块、A/D转换电路模块、FPGA及其外围电路模块、D/A转换电路模块和显示器；所述信号调理模块用于将激光多普勒测振计的两路相位正交的模拟信号放大；所述A/D转换电路模块用于将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA及其外围电路模块用于对收到的数字信号进行串并转换和微分鉴频处理；所述D/A转换电路模块用于对经过处理的数字信号转换为模拟信号；所述显示器根据收到的模拟信号显示内容。

所述FPGA及其外围电路模块还与外部接口电路相连，所述外部接口电路与上位机相连。

所述FPGA及其外围电路模块还与存储器SDRAM电路相连。

所述信号调理模块包括两路差分放大器，每路差分放大器按比例放大来自于激光多普勒测振计的两路相位正交的模拟信号。

所述A/D转换电路模块包括四通道16位求和型模数转换芯片ADS1174、稳压芯片REF1004以及集成运放芯片OPA350；所述稳压芯片REF1004的6号管脚与所述模数转换芯片ADS1174的56号管脚相连；所述集成运放芯片OPA350的3号管脚与所述模数转换芯片ADS1174的55号管脚相连。

所述D/A转换电路模块采用16位D/A转换芯片DAC8551以及稳压芯片REF02实现；所述稳压芯片REF02的6号管脚与所述16位D/A转换芯片DAC8551的2号管脚相连。

所述外部接口电路模块采用RS232通讯模式，通过MAX3232芯片实现。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明能够实现激光多普勒测振计两路正交信号的快速采集和实时处理，提取出原始振动信息，实时输出携带有振动频率信息的电压信号。本发明是基于FPGA的设计方法实现的，能够在电路的性能指标、功能、规模、开发成本、软硬件升级以及工作可靠性等方面实现最优化设计。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明中信号调理模块的结构示意图；

图3是本发明中A/D转换电路模块的结构示意图；

图4是本发明中D/A转换电路模块的结构示意图；

图5是本发明中的外部接口电路模块的结构示意图；

图6为本发明中电源转换模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种激光多普勒测振计信号实时采集处理装置，包括依次相连的信号调理模块、A/D转换电路模块、FPGA及其外围电路模块、D/A转换电路模块和显示器；所述信号调理模块用于将激光多普勒测振计的两路相位正交的模拟信号放大；所述A/D转换电路模块用于将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA及其外围电路模块用于对收到的数字信号进行串并转换和微分鉴频处理；所述D/A转换电路模块用于对经过处理的数字信号转换为模拟信号；所述显示器根据收到的模拟信号显示内容。

图1是本发明一种激光多普勒测振计信号采集处理装置的结构框图。由图可见，本发明构成包括信号调理模块、A/D转换电路模块、FPGA及其外围电路模块、D/A转换电路模块、电源转换模块以及与FPGA相连接的存储器SDRAM电路和外部接口电路模块六部分。

如图1所示，来自于激光多普勒测振计的两路相位正交的模拟信号首先经信号调理模块放大，然后经A/D转换电路模块作用转换生成数字信号输出到FPGA及其外围电路模块，并在其内部依次经过数字信号串并转换和微分鉴频等处理后，将处理结果对应的数据传输到D/A转换电路模块，由其转换生成为对应的模拟信号，在显示器上显示最终的处理结果。在实时显示处理结果的同时，也可将其存入与FPGA相连接的存储器SDRAM，并通过RS232与上位机进行数据通信。

如图2所示，信号调理模块包括两路差分放大器，每路差分放大器按比例放大来自于激光多普勒测振计的两路相位正交的模拟信号，输出信号至A/D转换电路模块。其中，差分放大电路由高性能的全差分音频运算放大器芯片OPA1632构成，用以提高信号的信噪比，减少共模噪声对信号的不利影响。

如图3所示，A/D转换电路模块将来自于信号调理模块的模拟信号转换成FPGA处理单元能够识别及处理的数字信号。该转换电路是在四通道16位求和型模数转换芯片ADS1174、稳压芯片REF1004以及集成运放芯片OPA350的基础上实现的，ADS1174的最高转换速度可达52kSPS，芯片REF1004用以产生稳定的+2.5V参考电源，集成运放芯片OPA350构成的射极跟随器用以增强信号的带负载能力。

经过A/D转换模块作用后生成的两通道数据为串行格式，为了满足FPGA处理数据的格式要求，首先需要在FPGA处理单元内部进行数据的串并转换，然后再经FPGA内部的数据处理单元进行微分鉴频等处理，最终得到携带有原始振动信息的数字信号。

如图4所示，FPGA及其外围电路模块输出的数字信号输入到D/A转换电路模块转换生成对应的携带有原始振动频率信息的模拟电压信号，并由显示器显示。D/A转换电路模块采用16位D/A转换芯片DAC8551以及稳压芯片REF02实现，其中，REF02可以产生稳定的+5V参考电压。

所述FPGA及其外围电路模块还与外部接口电路相连，所述外部接口电路与上位机相连，所述外部接口电路模块采用RS232通讯模式，通过MAX3232芯片实现。如图5所示，FPGA及其外围电路模块输出的数字信号也可以通过外部接口电路模块与上位机连接进行通信，实现数据监控、调试等功能。其中，外部接口电路模块采用RS232通讯模式，使用的芯片是MAX3232。

如图6所示，电源转换模块提供本发明一种激光多普勒测振计信号实时采集处理装置中的电源电压，由芯片LM7805提供+5V电源电压信号，由芯片AMS1117提供+1.8V电源电压信号。

软件实现：

在硬件电路的基础上，本实例的信号采集及处理还需要通过相应的程序代码实现，即，首先编写相应的代码并通过FPGA及其外围电路模块中的JTAG端口进行编程调试，然后通过下载端口将程序下载至FPGA及其外围电路模块中的存储器EPCS中，最后运行程序实现信号的采集和处理。由于本发明中的外部接口电路模块可通过RS232通讯在计算机中进行监控，因此，本发明具有安装调试方便可靠的特点。

Claims

1.一种激光多普勒测振计信号实时采集处理装置，包括信号调理模块、A/D转换电路模块、FPGA及其外围电路模块和显示器，其特征在于，还包括D/A转换电路模块，所述信号调理模块、A/D转换电路模块、FPGA及其外围电路模块、D/A转换电路模块和显示器依次相连；所述信号调理模块用于将激光多普勒测振计的两路相位正交的模拟信号放大；所述A/D转换电路模块用于将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA及其外围电路模块用于对收到的数字信号进行串并转换和微分鉴频处理；所述D/A转换电路模块用于对经过处理的数字信号转换为模拟信号；所述显示器根据收到的模拟信号显示内容；所述信号调理模块包括两路差分放大器，每路差分放大器按比例放大来自于激光多普勒测振计的两路相位正交的模拟信号。

2.根据权利要求1所述的激光多普勒测振计信号实时采集处理装置，其特征在于，所述FPGA及其外围电路模块还与外部接口电路相连，所述外部接口电路与上位机相连。

3.根据权利要求1所述的激光多普勒测振计信号实时采集处理装置，其特征在于，所述FPGA及其外围电路模块还与存储器SDRAM电路相连。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的激光多普勒测振计信号实时采集处理装置，其特征在于，所述A/D转换电路模块包括四通道16位求和型模数转换芯片ADS1174、稳压芯片REF1004以及集成运放芯片OPA350；所述稳压芯片REF1004的6号管脚与所述模数转换芯片ADS1174的56号管脚相连；所述集成运放芯片OPA350的3号管脚与所述模数转换芯片ADS1174的55号管脚相连。

5.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的激光多普勒测振计信号实时采集处理装置，其特征在于，所述D/A转换电路模块采用16位D/A转换芯片DAC8551以及稳压芯片REF02实现；所述稳压芯片REF02的6号管脚与所述16位D/A转换芯片DAC8551的2号管脚相连。

6.根据权利要求2所述的激光多普勒测振计信号实时采集处理装置，其特征在于，所述外部接口电路模块采用RS232通讯模式，通过MAX3232芯片实现。