CN105222700A - 基于dsp与fpga的数字应变仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于DSP与FPGA的数字应变仪,其中EZUSB控制单元，EZUSB控制单元分别连接DSP控制单元、FPGA控制单元及PC机，DSP控制单元分别连接EZUSB控制单元、FPGA控制单元，FPGA控制单元分别连接DSP控制单元、EZUSB控制单元以及模拟电路模块，模拟电路模块的输入、输出端均连接FPGA控制单元，其中输入端还与相应的应变片连接，其优点是可以实现16个输入通道和4个输出通道；输入通道最高采样率为192kHz，分辨率为24位；输出通道最高采样率为192kHz，分辨率为24位；仪器与PC机采用USB2.0通信；采用电源适配器接AC220V供电；可以实现电桥自动平衡及自动标定；可以对于弱信号的多通道、高频率采样与数据分析，满足工程的自动测试实际需求。
Description
技术领域
本发明涉及微弱信号检测设备技术领域，特别涉及一种基于DSP与FPGA的数字应变仪。
背景技术
在自然科学和工程领域的各种科学研究活动中，离不开对研究对象准确有效的测量，这是我们认识客观事物内在联系及变化规律的必要和先决条件。应变电测由于其测试廉价、快速、高精度、容易实现数据采集和处理自动化、实用性强等特点，在交通、材料、航空航天、机械等重要工程领域的研究中，有着广泛的应用。
微型计算机应用技术和信息产业的发展，加快了电测仪器系统向集成化、多功能化、智能化和通用化方向的发展，以往传统设计的、功能单一的应变仪已越来越不能满足实际需要。广泛采用计算机和数据自动采集处理等新技术，给应变电测技术带来了一场革命。它加速了力学前沿科学研究的进程，提高了解决复杂现代工程问题的能力，是实现力学科学及工程测试数据分析自动化的技术基础。另外它还能增强观察和提取关键信息的能力，提高研究工作的效率和质量。
电阻应变仪按其放大器工作原理可分为两大类：直流放大式电阻应变仪和载波放大式电阻应变仪。载波放大式电阻应变仪的电桥是用数千赫兹的正弦交流电压供电，放大器用窄带交流放大器，交流载波放大器具有灵敏度高，稳定性好，外界干扰和电源影响小及造价低廉等明显优点，但工作频率较低(一般只能测到几百赫兹)，长导线时分布电容影响大的缺点。这种应变仪也可以采用矩形波电压供电，这样抗干扰能力强，分布电容影响较小，但技术要求很高，很少采用。直流放大式电阻应变仪的供桥电压为直流电压，放大器采用差动式直流放大器或调制型直流放大器，其工作频率较高，由于供桥电压为直流电压，可以忽略分布电容的影响，而且操作方便，误差较小，但由于直流放大器的零点漂移和稳定性都没有很好的解决，无法有效地放大μV级的信号。
随着现代工程检测中，对于微弱信号检测的需求越来越大，目前国内的应变仪主要为静态应变仪，相关技术均采用非程控技术，电桥平衡也需要手动校准，其控制操作存在很大的不方便，同时其所采用传统技术也是的应变仪数据采集精度很难达到目前的测试要求，这样的仪器也不能适应科研和实际工程测试的需求。
目前，国内公开的发明专利当中，尚未有一种自动校准平衡电桥，有较高频响，静、动态通用，集数字显示和模拟输出为一体的应变仪技术随着现代工程检测中，对于微弱信号检测的需求越来越大，目前国内的应变仪主要为静态应变仪，相关技术均采用非程控技术，电桥平衡也需要手动校准，其控制操作存在很大的不方便，同时其所采用传统技术也是的应变仪数据采集精度很难达到目前的测试要求，这样的仪器也不能适应科研和实际工程测试的需求。
目前，国内公开的发明专利当中，尚未有一种自动校准平衡电桥，有较高频响，静、动态通用，集数字显示和模拟输出为一体的应变仪技术。
发明内容
本发明的目的就是提供一种静、动态通用，具有相关控制芯片进行控制，能够实现电桥自动平衡、自动测试、分析以及相关信息输出的数字应变仪具有相当的显示意义及价值的基于DSP与FPGA的数字应变仪。
本发明的解决方案是这样的：
一种基于DSP与FPGA的数字应变仪包括：
（1）EZUSB控制单元，所述EZUSB控制单元分别连接DSP控制单元、FPGA控制单元及PC机，用于接收DSP控制单元所给出的指令，通过USB口将相关数据传输至PC机，以及通过串口将数据传给FPGA控制单元，实现PC上位机的实时监控以及应变仪测试功能的自闭环反馈；
（2）DSP控制单元，所述DSP控制单元分别连接EZUSB控制单元、FPGA控制单元，用于将所接收到的数据进行存储，并进行相关运算与分析，将所得运算与分析结果，以控制指令的形式发送给FPGA控制单元，以便于FPGA控制单元能够按相关指令进行数据传输；在需要进行USB数据传输时，DSP控制单元将发送相关传输指令，与EZUSB控制单元建立通信连接，将相关测试数据传输至EZUSB控制单元；
（3）FPGA控制单元，所述FPGA控制单元分别连接DSP控制单元、EZUSB控制单元以及模拟电路模块，用于将所接收到的数字信号进行运算，将相关数据传输至DSP控制单元，得到DSP控制单元的控制指令之后，将所得数据输出至模拟电路模块，以调整模拟电路模块中的电信号的大小，控制测量电路的电桥平衡，实现测量电桥的自动平衡功能以及自动标定功能；
（4）。模拟电路模块，所述模拟电路模块的输入、输出端均连接FPGA控制单元，其中输入端还与相应的应变片连接，模拟电路模块的相关信息的由FPGA控制单元发送与接收。
更具体的技术方案还包括：DSP控制单元通过EMIF总线接口与FPGA控制单元进行连接；DSP控制单元通过自身HPI接口与EZUSB控制单元的GPIF口进行连接；EZUSB控制单元通过485标准串口与FPGA控制单元进行连接；FPGA控制单元通过GPIO口与模拟电路模块进行连接；EZUSB控制单元设计有USB接口，可以实现跟PC机的连接。
进一步的：所述模拟电路模块包括：
（1）、差分转单端电路，分别连接模拟信号输入模块、AC/DC选择单元，用于将输入的差分电信号转换为单端信号，并传输至AC/DC选择单元；
（2）、量程设置电路，分别连接AC/DC选择单元、单端转差分电路，用于选择对所测量电信号合适的量程；
（3）、单端转差分电路，分别连接量程设置电路、AD转换，用于将所选择好的单端电信号转换为差分信号，并传输至AD转换，由AD转换将单端转差分电路所传输差分电信号进行A/D转换，并传输至FPGA控制单元。
进一步的：所述模拟电路模块还包括ICP接地选择，分别连接模拟信号输入模块、差分转单端电路，用于对多路信号进行选择，每次选择一路电信号传输至差分转单端电路。
进一步的：所述模拟电路模块还包括AC/DC选择，分别连接差分转单端电路、量程设置电路，用于选择AD/DC的通道号。
进一步的：所述的ICP接地选择采用多个继电器进行设计。
进一步的：所述的AC/DC选择采用模拟开关进行设计。
本发明的优点是可以实现16个输入通道和4个输出通道；输入通道最高采样率为192kHz，分辨率为24位；输出通道最高采样率为192kHz，分辨率为24位；仪器与PC机采用USB2.0通信；采用电源适配器接AC220V供电;可以实现电桥自动平衡及自动标定；可以对于弱信号的多通道、高频率采样与数据分析，满足工程的自动测试实际需求。
图1数字应变仪系统构成数字电路模块硬件电气连接结构框图。
图2数字应变仪系统构成模拟电路模块硬件电气连接结构框图。
图中，1.EZUSB控制单元，2.DSP控制单元，3.FPGA控制单元，4.模拟电路模块，5.电源电路，6.电源模块，7.电源滤波器，8.电源适配器，9.模拟信号输入模块，10.ICP接地选择电路，11.差分转单端电路，12.AC/DC选择电路，13.量程设置电路，14.单端转差分电路，15.AD转换模块。
具体实施方式
如图1-图2所示，包括数字电路模块和模拟电路模块；
数字电路模块中，DSP控制单元2通过EMIF总线接口与FPGA控制单元3进行连接；DSP控制单元2通过自身HPI接口与EZUSB控制单元1的GPIF口进行连接；EZUSB控制单元1通过485标准串口与FPGA控制单元3进行连接；FPGA控制单元3通过GPIO口与模拟电路模块4进行连接；EZUSB控制单元1设计有USB接口，可以实现跟PC机的连接；电源部分5连接数字电路模块内其它模块电路的供电输入端；AC220V交流电通过电源适配器8、电源滤波器7、电源模块6变换后连接电源电路5。
DSP控制单元2采用TMS320C67XX处理器芯片进行设计，其主要负责与FPGA控制单元3、EZUSB控制单元1的信息发送与接收，并进行相关信息数据处理，向其它模块发送控制指令；
FPGA控制单元3采用PQ208封装的XC2S50E芯片，其主要负责与DSP控制单元2相关信息的发送与接收，与EZUSB控制单元1，以及与模拟电路模块4的信息发送与接收。
EZUSB控制单元1采用CY7C680XX芯片，其主要负责与PC机的相关信息的发送与接收，以及与模拟电路模块4的相关信息的发送与接收。
电源部分5采用12V-5V、12V-3.3VDC/DC变换模块进行设计，其主要为其它模块提供多路供电电源。
电源模块6采用19V-12VDC/DC变换模块进行设计，其主要为电源部分5提供供电电源。
电源滤波器7采用AVANTMI-7016进行设计，其主要将电源适配器8输出直流电进行抗干扰滤波，为电源模块6提供无杂波直流供电。
电源适配器8采用220V-19VAC/DC变换模块进行设计，其主要将220V交流电变换为19V直流电，为电源模块6提供直流供电。
模拟电路模块5中，输入端子9与相应的应变片连接，并与ICP接地选择10的继电器1输入端子进行连接，ICP接地选择10的继电器1输出端子与差分转单端电路输入端子进行连接，差分转单端电路10的输出端子与AC/DC12的模拟开关1输入端子进行连接，AC/DC12的模拟开关1输出端子与量程设置电路13的模拟开关2输入端子进行连接，量程设置电路13的模拟开关输出端子与单端转差分电路14的输入端子进行连接，单端转差分电路14的输出端子与AD转换的输入端子进行连接；以上所有连接方式均通过印刷电路板中的导线进行普通电气连接。
输入端子9采用多针标准接插端子进行设计，其主要接收多路传感器电信号，并传送电信号至ICP接地选择10；
ICP接地选择10采用多个继电器进行设计，其主要负责多路信号的选择，每次选择一路电信号传输至差分转单端电路11；
差分转单端电路11采用OP2132A运算放大器进行设计，其主要负责将ICP接地选择10所选择的差分电信号转换为单端信号，并传输至AD/DC选择12；
AC/DC选择12采用模拟开关进行设计，其主要负责选择AD/DC的通道号；
量程设置电路13采用模拟开关进行设计，其主要负责选择对所测量电信号合适的量程；
单端转差分电路14采用OP2132A运算放大器进行设计，其主要负责将所选择好的单端电信号转换为差分信号，并传输至AD转换15；
AD转换15采用AK5383A/D转换芯片进行设计，其主要将单端转差分电路15所传输差分电信号进行A/D转换，并传输至FPGA芯片3。
输入通道最高采样率为192kHz，分辨率为24位；输出通道最高采样率为192kHz，分辨率为24位；仪器与PC机采用USB2.0通信。
功能描述：
1.模拟部分4从模拟信号输入模块9接收到传感器多路电信号之后，通过ICP接地选择电路10、差分转单端电路11、AC/DC选择电路12、量程设置电路13和单端转差分电路14，选择合适的A/D通道以及合适的量程后，送至AD转换模块15进行A/D转换，将模拟电信号转换为FPGA控制单元3可识别的数字电信号；
2.FPGA控制单元3将所接收到的数字信号进行运算，将相关数据传输至DSP控制单元2，得到DSP控制单元2的控制指令之后，将所得数据输出至模拟电路模块4，以调整模拟电路模块4中的电信号的大小，控制测量电路的电桥平衡，实现测量电桥的自动平衡功能以及自动标定功能；
3.DSP控制单元2将所接收到的数据进行存储，并进行相关运算与分析，将所得运算与分析结果，以控制指令的形式发送给FPGA控制单元3，以便于FPGA控制单元3能够按相关指令进行数据传输；在需要进行USB数据传输时，DSP控制单元2将发送相关传输指令，与EZUSB控制单元1建立通信连接，将相关测试数据传输至EZUSB控制单元1；
4.当需要数据传输时，EZUSB控制单元1将会接收DSP控制单元2的指令，与DSP控制单元2建立通信连接，按照DSP控制单元2所给出指令，通过USB口将相关数据传输至PC机，以及通过串口将数据传给FPGA控制单元3，实现PC上位机的实时监控以及应变仪测试功能的自闭环反馈；
5.数字应变仪通过电源电路5、电源模块6、电源滤波器7、电源适配器8可以将交流AC220V电转换为DC5V、DC3.3V不同的供电电源，给数字应变仪中所有器件提供供电电源。
Claims (7)
1.一种基于DSP与FPGA的数字应变仪，其特征在于：包括：
（1）EZUSB控制单元（1），所述EZUSB控制单元（1）分别连接DSP控制单元（2）、FPGA控制单元（3）及PC机，用于接收DSP控制单元所给出的指令，通过USB口将相关数据传输至PC机，以及通过串口将数据传给FPGA控制单元（3），实现PC上位机的实时监控以及应变仪测试功能的自闭环反馈；
（2）DSP控制单元（2），所述DSP控制单元（2）分别连接EZUSB控制单元（1）、FPGA控制单元（3），用于将所接收到的数据进行存储，并进行相关运算与分析，将所得运算与分析结果，以控制指令的形式发送给FPGA控制单元（3），以便于FPGA控制单元（3）能够按相关指令进行数据传输；在需要进行USB数据传输时，DSP控制单元（2）将发送相关传输指令，与EZUSB控制单元（1）建立通信连接，将相关测试数据传输至EZUSB控制单元（1）；
（3）FPGA控制单元（3），所述FPGA控制单元（3）分别连接DSP控制单元（2）、EZUSB控制单元（1）以及模拟电路模块（4），用于将所接收到的数字信号进行运算，将相关数据传输至DSP控制单元（2），得到DSP控制单元（2）的控制指令之后，将所得数据输出至模拟电路模块（4），以调整模拟电路模块（4）中的电信号的大小，控制测量电路的电桥平衡，实现测量电桥的自动平衡功能以及自动标定功能；
（4）；
模拟电路模块（4），所述模拟电路模块（4）的输入、输出端均连接FPGA控制单元（3），其中输入端还与相应的应变片连接，模拟电路模块（4）的相关信息的由FPGA控制单元（3）发送与接收。
2.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的数字应变仪，其特征在于：DSP控制单元（2）通过EMIF总线接口与FPGA控制单元（3）进行连接；DSP控制单元（2）通过自身HPI接口与EZUSB控制单元（1）的GPIF口进行连接；EZUSB控制单元（1）通过485标准串口与FPGA控制单元（3）进行连接；FPGA控制单元（3）通过GPIO口与模拟电路模块进行连接；EZUSB控制单元（1）设计有USB接口，可以实现跟PC机的连接。
3.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的数字应变仪，其特征在于：所述模拟电路模块（4）包括：
（1）、差分转单端电路（11），分别连接模拟信号输入模块（9）、AC/DC选择单元（12），用于将输入的差分电信号转换为单端信号，并传输至AC/DC选择单元（12）；
（2）、量程设置电路（13），分别连接AC/DC选择单元（12）、单端转差分电路（14），用于选择对所测量电信号合适的量程；
（3）、单端转差分电路（14），分别连接量程设置电路（13）、AD转换（15），用于将所选择好的单端电信号转换为差分信号，并传输至AD转换（15），由AD转换（15）将单端转差分电路（15）所传输差分电信号进行A/D转换，并传输至FPGA控制单元（3）。
4.根据权利要求1或3所述的基于DSP与FPGA的数字应变仪，其特征在于：所述模拟电路模块（4）还包括ICP接地选择（10），分别连接模拟信号输入模块（9）、差分转单端电路（11），用于对多路信号进行选择，每次选择一路电信号传输至差分转单端电路（11）。
5.根据权利要求1或3所述的基于DSP与FPGA的数字应变仪，其特征在于：所述模拟电路模块（4）还包括AC/DC选择（12），分别连接差分转单端电路（11）、量程设置电路（13），用于选择AD/DC的通道号。
6.根据权利要求4所述的基于DSP与FPGA的数字应变仪，其特征在于：所述的ICP接地选择（10）采用多个继电器进行设计。
7.根据权利要求5所述的基于DSP与FPGA的数字应变仪，其特征在于：所述的AC/DC选择（12）采用模拟开关进行设计。
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