CN110470265A - 一种基于fpga和dsp的叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA和DSP的叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集方法，步骤如下：(1)利用电平转换模块将BTT信号和OPR信号的数字逻辑电平转换为FPGA所需数字逻辑电平；(2)按照变长TLV数据帧传输格式，对数据帧编号，通道号，数据长度，OPR信号脉冲到达时刻，BTT信号脉冲到达时刻，ADC数据采集结果的顺序进行组帧；(3)FPGA通过SRIO数据传输协议数据帧传输给DSP；(4)按照定长TLV数据帧传输格式，对通道号，叶片号，转速，相位峰值，BTT定时值进行重组帧；(5)DSP通过SRIO数据传输协议将步骤(4)的数据帧回传给FPGA。

Description

一种基于FPGA和DSP的叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集 方法

技术领域

本发明属于基于微波传感器的旋转叶片叶尖间隙及叶尖定时领域，具体涉及一种新型的测量系统数据采集方法。

背景技术

航空发动机、燃气轮机、汽轮机等大型旋转机械的健康状态监测非常重要。叶片作为大型旋转机械转子的核心部件，其自身振动及叶尖间隙等各种运行参数变化都会影响整个系统的正常运行。目前我国正大力发展航空、材料、能源等关系国防和民生的重要工业领域，动叶片状态参数测量对于提高大型旋转设备研制水平、促进相关行业发展具有实际的理论和应用价值。

叶尖间隙测量与基于叶尖定时原理的叶片振动测量是动叶片健康状态监测的两个重要方面。通过动叶片叶尖间隙与定时值的实时在线测量，可计算获得动叶片叶尖间隙、振动及动应力等关键参数，为判断转子运行状态和故障特征提供直观依据，保障设备的安全高效运行。近年来，这两种测量技术得到快速发展与广泛应用。传统的旋转机械健康状态监测系统利用电涡流传感器或光纤传感器等非接触式传感器进行叶尖间隙和叶尖定时的独立测量，需要两种不同的数据采集装置。叶尖间隙数据采集装置使用模数转换器对叶尖间隙模拟信号进行数据采集，叶尖定时数据采集装置使用数字可编程逻辑器件直接获取经过信号预处理的叶尖定时数字信号。

基于微波传感器的叶尖间隙与叶尖定时测量方法可适用于高温恶劣环境下的叶片状态测量，采用相位法和零中频结构实现叶尖间隙测量，并由反射强度信号实现叶尖定时测量。该测量方法利用微波传感器的两路正交信号可实现叶尖间隙与叶尖定时的同步测量。为合并两类数据采集装置，本发明提供一种叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集方法及装置，进而实现叶尖间隙与叶尖定时数据的同步采集与联合分析处理。

发明内容

为实现上述目的，提供一种方便高效，实时性高，扩展能力强，能实现叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集与联合分析处理的数据采集方法，提供一种能有效减少在板数据运算量和数据传输量，降低上位机运算数据量的实时数据采集方法。本发明设计一种基于现场可编程门阵列(以下简称为FPGA)和数字信号处理器(以下简称为DSP)的叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集方法。本发明的技术方案如下：

种基于FPGA和DSP的叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集方法，在发动机机匣位置安装微波式叶尖定时传感器，在靠近发动机转轴部位固定光纤式转速同步传感器，微波式叶尖定时传感器与光纤式转速同步传感器输出的模拟信号经过传感器信号驱动与调理电路处理后，输出叶尖定时信号即BTT信号，Once Per Revolution信号，即OPR信号，I路信号和Q路信号。一个完整的叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集步骤如下：

(1)利用电平转换模块将BTT信号和OPR信号的数字逻辑电平转换为FPGA所需数字逻辑电平，脉冲填充计数模块计算BTT信号和OPR信号上升沿到达时刻；同时ADC采集电路模块在BTT信号高电平期间对I路信号和Q路信号进行同步数据采集；

(2)按照如下的变长TLV数据帧传输格式，对数据帧编号，通道号，数据长度，OPR信号脉冲到达时刻，BTT信号脉冲到达时刻，ADC数据采集结果的顺序进行组帧；

(3)FPGA通过SRIO数据传输协议将步骤(2)的数据帧传输给DSP，DSP中的数据校验模块判断数据帧中是否缺失或多余BTT信号脉冲，平滑滤波模块对ADC数据进行平滑滤波处理，相位峰值与转速计算模块计算相位峰值和叶片转速；

(4)按照下面的定长TLV数据帧传输格式，对通道号，叶片号，转速，相位峰值，BTT定时值进行重组帧；

(5)DSP通过SRIO数据传输协议将步骤(4)的数据帧回传给FPGA，FPGA利用数据缓存机制，按照下面的定长TLV数据帧传输格式，对通道号，数据长度，1号叶片到N号叶片的相位峰值与叶尖定时值进行重组帧，N指叶片总数；

(6)利用DDR3数据缓存电路模块对步骤(5)的数据帧进行高速数据缓存，由USB3.0数据传输电路模块将DDR3缓存数据上传至上位机，以做进一步数据处理。

本发明技术特点与效果：

(1)同步数据采集方法通过合理分配计算任务，发挥FPGA并行计算能力和DSP的数字信号处理能力，减少在板数据运算量和数据传输量，降低上位机数据运算压力。

(2)同步数据采集方法具有高可扩展性，可根据应用需求，在保证实时性的前提下，选择在DSP上进行复杂信号处理算法的运算。

(3)同步数据采集方法可实现叶尖间隙与叶尖定时数据的同步采集。

附图说明

图1为本发明所采用的基于FPGA和DSP的叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集方法结构图，

图中，1为电平转换电路模块，2为ADC采集电路模块，3为ADC采样控制模块，4为脉冲填充计数模块，5为组帧模块，6为SRIO发送模块，7为USB3.0逻辑控制模块，8为DDR3逻辑控制模块，9为组帧模块，10为SRIO接收模块，11为USB3.0数据传输模块，12为DDR3数据缓存电路模块，13为SRIO接收模块，14为数据校验模块，15为数据平滑滤波模块，16为SRIO发送模块，17为组帧模块，18为相位峰值计算模块，19为FPGA，20为DSP，21为同步数据采集装置，22为微波式叶尖定时传感器，23为光纤式转速同步传感器，24为传感器信号驱动与调理电路，25为上位机。

图2为本发明所述组帧模块5的变长数据帧结构图，2中，26为数据帧编号，27为通道号，28为数据长度，29为OPR定时值，30为BTT定时值，31为ADC采样值。

图3为本发明所述组帧模块18的定长数据帧结构图，图中，32为通道号，33为叶片号，34为数据长度，35为转速，36为相位峰值，37为BTT定时值。

图4为本发明所述组帧模块10的定长数据帧结构图，图中，38为通道号，39为数据长度，40为1号叶片到N号叶片的相位峰值与BTT定时值，N指叶片总数。

图5为本发明所述BTT信号脉冲与计算得到的相位曲线关系示意图，图中，41为BTT信号脉冲，42为根据ADC采样值计算得到的相位曲线，43为相位峰值。

图6为本发明所述BTT信号与OPR信号的示意图，图中，44为OPR信号，45为BTT信号，#i表示第i号叶片，1≤i≤N，N指叶片总数。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明的基于FPGA和DSP的叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集方法，见附图1，它包括：电平转换电路模块1，模数转换(以下简称ADC)采集电路模块2，ADC采样控制模块3，脉冲填充计数模块4，组帧模块5，Serial RapidIO(以下简称为SRIO)发送模块6，USB3.0逻辑控制模块7，DDR3逻辑控制模块8，组帧模块9，SRIO接收模块10，USB3.0数据传输电路模块11，DDR3数据缓存电路模块12，SRIO接收模块13，数据校验模块14，数据平滑滤波模块15，SRIO发送模块16，组帧模块17，相位峰值计算模块18，FPGA19，DSP20，同步数据采集装置21，微波式叶尖定时传感器22，光纤式转速同步传感器23，传感器信号驱动与调理电路24，上位机25。

转速同步传感器为叶尖定时测振领域中，用于测量发动机转速、识别发动机叶片编号的光纤式传感器。叶尖定时传感器为叶尖定时测振领域中，用于测量发动机叶片到达传感器时刻的传感器，主要类型包括电涡流式叶尖定时传感器，光纤式叶尖定时传感器和电容式叶尖定时传感器。

在发动机机匣位置安装微波式叶尖定时传感器22，在靠近发动机转轴部位固定光纤式转速同步传感器23。传感器信号驱动与调理电路24用于处理微波式叶尖定时传感器22与光纤式转速同步传感器23输出的模拟信号，输出叶尖定时信号(以下简称BTT信号)，OncePer Revolution信号(以下简称OPR信号)，I路信号和Q路信号^[1][2]。

[1]郭浩天,段发阶,张济龙,et al.基于微波传感器的航空发动机叶尖间隙测量技术研究[C]//中国仪器仪表学会青年学术会议.2014.

[2]Zhang Jilong,Duan Fajie,Niu Guangyue,et al.A Blade Tip TimingMethod Based on a Microwave Sensor[C]//Sensors.2017.

具体实施步骤如下：

步骤一：

电平转换电路模块1将BTT信号和OPR信号的数字逻辑电平转换为FPGA19所需数字逻辑电平。

脉冲填充计数模块3利用脉冲填充法计算BTT信号与OPR信号中数字脉冲上升沿的到达时刻。同时，ADC采样控制模块3检测到BTT信号中的数字脉冲上升沿时，控制ADC数据采集电路模块2开始对I路信号和Q路信号进行同步数据采集，当脉冲下降沿到来时，关闭ADC数据采集电路模块2的同步数据采集。

步骤二：

组帧模块5按照数据帧编号，通道号，数据长度，OPR信号脉冲到达时刻，BTT信号脉冲到达时刻，ADC数据采集结果的顺序进行组帧。一个数据帧对应一个BTT信号脉冲。帧格式采用变长Tag-Length-Value(以下简称TLV)数据帧格式，数据帧内容包括：数据帧编号，通道号，数据长度，OPR定时值，BTT定时值，ADC采样值。数据帧格式内容如附图说明中图2所示。

数据帧编号与叶片总数相关，用于进行后续数据校验；

通道号指叶尖定时传感器通道号，为FPGA内部标记；

数据长度指数据帧中Value部分字节总数；

OPR定时值指步骤二中脉冲填充计数模块3计算得到的OPR信号脉冲上升沿到达时刻；

BTT定时值指步骤二中脉冲填充计数模块3计算得到的BTT信号脉冲上升沿到达时刻；

ADC采样值指步骤二中ADC数据采集电路模块2获取的I路信号和Q路信号的采样值，数据量与采样点个数N有关。

步骤三：

FPGA19利用SRIO发送模块6将步骤二中获取的数据帧发送给DSP20的SRIO接收模块13。DSP20接收到数据帧后，数据校验模块14对数据帧内容进行校验，判断是否缺失或多余BTT信号脉冲。当判断此数据帧对应BTT信号脉冲为多余错误脉冲时，直接将该数据帧舍弃，不进行后续数据处理，否则，根据BTT定时值和OPR定时值，提取该信号脉冲对应的叶片编号；

平滑滤波模块15对有效数据帧中ADC数据进行平滑滤波处理，去除尖峰毛刺；

相位峰值与转速计算模块18对上述处理后的ADC数据进行数据处理，计算相位，提取相位峰值并根据OPR定时值来计算叶片转速。

相位计算公式如下：

其中，S_I表示I路信号的ADC采样值；S_Q表示Q路信号的ADC采样值。

叶片转速计算公式如下：

其中，t₂为该数据帧中OPR定时值，单位为ns；t₁为寄存器中存储的上一旋转周期的OPR定时值，单位为ns；计算得到叶片转速单位为rpm。

步骤四：

组帧模块17按照通道号，叶片号，转速，相位峰值，BTT定时值的顺序进行重组帧。一个数据帧对应一个BTT信号脉冲。帧格式采用定长TLV数据帧格式。数据帧格式内容如附图说明中图3所示。

通道号指叶尖定时传感器通道号，为FPGA内部标记；

叶片号指步骤三中计算得到的叶片编号；

数据长度指数据帧中Value部分字节总数；

转速指步骤三中计算得到的叶片转速值；

相位峰值指步骤三中计算得到的相位峰值；

BTT定时值指步骤二获取的有效帧数据中的BTT定时值。

步骤五：

DSP20的SRIO发送模块16将步骤四获取的数据帧发送给FPGA19的SRIO接收模块10；

FPGA19接收到数据帧后。为进一步降低数据传输量，利用数据缓存机制，组帧模块10进行数据重组。一个数据帧对应一个OPR信号脉冲。帧格式采用定长TLV数据帧格式，数据帧内容包括：通道号，数据长度，1号叶片到N号叶片的相位峰值与叶尖定时值(N指叶片总数)。数据帧格式内容如附图说明中图4所示。

通道号指传感器通道号，为FPGA内部标记；

数据长度指数据帧中Value部分字节总数；

相位峰值与BTT定时值指步骤四中数据帧的相位峰值与BTT定时值。按照叶片号的顺序进行排布，缺失叶片的相位峰值与BTT定时值以默认值0填充。

步骤六：

步骤五中重组后的数据帧发送给DDR3数据缓存电路模块12。为解决大量数据缓存问题，DDR3数据缓存电路模块12采用乒乓结构，由两片DDR3芯片组成，两个DDR3芯片交替执行读写操作。USB3.0数据传输电路模块11将缓存数据上传至上位机25。上位机25进行数据计算，获得叶尖间隙大小和叶片振动参数。

Claims (1)

1.一种基于FPGA和DSP的叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集方法，在发动机机匣位置安装微波式叶尖定时传感器，在靠近发动机转轴部位固定光纤式转速同步传感器，微波式叶尖定时传感器与光纤式转速同步传感器输出的模拟信号经过传感器信号驱动与调理电路处理后，输出叶尖定时信号即BTT信号，Once Per Revolution信号，即OPR信号，I路信号和Q路信号。一个完整的叶尖间隙与叶尖定时数据同步采集步骤如下：

(1)利用电平转换模块将BTT信号和OPR信号的数字逻辑电平转换为FPGA所需数字逻辑电平，脉冲填充计数模块计算BTT信号和OPR信号上升沿到达时刻；同时ADC采集电路模块在BTT信号高电平期间对I路信号和Q路信号进行同步数据采集；

(2)按照如下的变长TLV数据帧传输格式，对数据帧编号，通道号，数据长度，OPR信号脉冲到达时刻，BTT信号脉冲到达时刻，ADC数据采集结果的顺序进行组帧；

(3)FPGA通过SRIO数据传输协议将步骤(2)的数据帧传输给DSP，DSP中的数据校验模块判断数据帧中是否缺失或多余BTT信号脉冲，平滑滤波模块对ADC数据进行平滑滤波处理，相位峰值与转速计算模块计算相位峰值和叶片转速；

(4)按照下面的定长TLV数据帧传输格式，对通道号，叶片号，转速，相位峰值，BTT定时值进行重组帧；

(5)DSP通过SRIO数据传输协议将步骤(4)的数据帧回传给FPGA，FPGA利用数据缓存机制，按照下面的定长TLV数据帧传输格式，对通道号，数据长度，1号叶片到N号叶片的相位峰值与叶尖定时值进行重组帧，N指叶片总数；

(6)利用DDR3数据缓存电路模块对步骤(5)的数据帧进行高速数据缓存，由USB3.0数据传输电路模块将DDR3缓存数据上传至上位机，以做进一步数据处理。