CN112540947A - 一种基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置 - Google Patents
一种基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于Zynq UltraScale+MPSoC平台的高采样率振动分析装置，包括前段模拟电路、Zynq UltraScale+MPSoC平台和外设设备；所述前段模拟电路，用于调理加速度传感器和转速传感器的信号；所述Zynq UltraScale+MPSoC平台用于处理信号；所述外设设备包括LCD显示屏，用于显示频域算法和时域算法的处理结果。本发明能够解决现有技术中实时性差，不利于技术人员对于旋转机械各个部位工作状态的实时分析和定位的问题。
Description
技术领域
本发明涉及数字信号采集处理领域，具体涉及一种基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置。
背景技术
Zynq UltraScale+ MPSoC是Xilinx推出的第二代多处理SoC系统，在第一代Zynq-7000的基础上做了全面升级,在单芯片上融合了功能强大的处理器系统(PS)和用户可编程逻辑(PL)。
Zynq UltraScale+ MPSoC架构更智能的系统需要更多的通信和更高的计算带宽。更智能的手机、网络、数据中心、工厂、汽车和能源系统等层出不穷。从消费者到企业、工厂和基础设施，随着知识的增加以及对视觉和位置数据的更多使用，人们对于服务质量保证、安全服务和其它资源的需求也在提升。“大数据”(和小数据)应用需要越来越多的分析功能来实现控制处理、预配置、配置和整体系统管理的自动化。
Xilinx Zynq UltraScale MPSoC架构基于TSMC 16FinFET+处理技术，实现下一代
UltraScale+ MPSoC。在Zynq-7000 SoC系列成功的基础上，全新的UltraScale+MPSoC架构进一步扩大了Xilinx SoC，支持真正的异构多处理功能，可为更智能系统的“适当任务提供适当引擎”。
在振动分析过程中，需要高采样率同步采集多个通道的加速度传感器的AD数据以及多个通道的转速传感器数据，并且对各个通道的数据同时进行时域及频域的分析处理，得到振动分析所需要的有效值、峰值、峰峰值、峰值个数以及峭度等时域参数和频谱及包络谱等频谱参数，最终将这些时域参数及频谱、包络谱信息直观的显示在LCD显示屏上，使得现场分析人员可以直观的看到所有时域频域参数，对旋转机械各个部件的工作状态进行进一步的分析判断。目前常见的硬件实现方案为FPGA+DSP/ARM，具体实现过程为，FPGA负责同时采集、存储多通道AD数据，并经过外部总线传输给DSP/ARM，具体的数据处理过程均在DSP/ARM中进行实现。由于多通道的AD数据必须同时上传，并且实时处理，而外部总线的传输速度非常有限，会严重影响整个振动分析装置故障诊断的实时性。而同时在DSP/ARM中的数据处理过程由于数据量巨大，算法复杂，计算过程会比较长，也会消耗较长时间，综上所述，该传统的振动分析装置硬件实现方案实时性差，不利于技术人员对于旋转机械各个部位工作状态的实时分析和定位。
现有技术信号处理方法如图1所示，整个设备基于FPGA+DSP/ARM的软硬件协同方式实现，由FPGA实现AD数值的采集功能，再由外部总线接口将AD数值上传到DSP/ARM中，AD数值浮点转换和平方值的计算，以及后续的有效值、峰峰值以及峭度的计算过程均由DSP/ARM实现。FPGA与DSP/ARM通过外部总线的数据传输时间以及振动信号处理算法是影响整个系统实时性能的两个主要瓶颈。
发明内容
本发明提供一种基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，它能够解决现有技术中实时性差，不利于技术人员对于旋转机械各个部位工作状态的实时分析和定位的问题。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方法：
一种基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，包括前段模拟电路、Zynq UltraScale+ MPSoC平台和外设设备；
所述前段模拟电路，用于调理加速度传感器和转速传感器的信号，并将调理后的信号发送到Zynq UltraScale+ MPSoC平台；
所述Zynq UltraScale+ MPSoC平台用于处理信号，其包括PL、DDR内存器、APU和RPU；所述PL将加速度和转速的信号进行采集和转换后暂存到FIFO存储器中；所述DDR内存器用于储存FIFO存储器中的数据；所述APU用于从所述DDR内存器中取出所有的加速度数据和转速数据，并进行频域算法处理；所述RPU用于从DDR中取出所有加速度数据和转速数据进行时域算法处理，并在计算完成后将所得到的时域参数传输到所述APU中；
所述外设设备包括LCD显示屏，用于显示频域算法和时域算法的处理结果。
进一步地，前段模拟电路采集的加速度的数字信号为6路信号，转速的数字信号为2路信号。
进一步地，在所述步骤(4)中，前段模拟电路中还设置有STM32微控制器，用于各通道增益控制、耦合方式控制、传感器类型选择、低功耗控制和板级测试。
进一步地，所述PL通过SPI总线将6个通道的经过AD转换后的加速度数字信号进行采集并暂存到FIFO存储器中，将2个通道的转速的数字信号进行采集和串并转换后暂存到FIFO存储器中。
进一步地，所述APU和所述RPU同步进行计算。
进一步地，所述Zynq UltraScale+ MPSoC平台还包括Display Port接口，用于与所述LCD显示屏相连。
进一步地，所述外设设备还包括外接硬盘、SD卡、EMMC、网线。
进一步地，所述DDR内存器在FIFO存储器中的数据达到一定数量后，通过AXI总线的burst模式写入DDR内存器中。
更进一步地，本发明的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置还包括电源管理模块和电池管理模块。
本发明可以实现数据的长时间采集、海量存储及快速导出功能，满足高端装备的各种测试需求。在数据采集及处理部分，该方案引用本公司专利转速同步测量及基于ZynqUltraScale+ MPSoC平台的算法性能提升方案两个专利对整个方案进行优化。
附图说明
图1是现有技术的信号处理方法示意图。
图2是本发明的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置的示意图。
图中：1、前段模拟电路；2、Zynq UltraScale+ MPSoC平台；3、外设设备；4、电源管理模块；5、电池管理模块。
具体实施方式
下面用最佳的实施例对本发明做详细的说明。
如图2所示，本发明公开了一种基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，其建立在Zynq UltraScale+ MPSoC的硬件平台基础上，该平台集成了64位四核ARM Cortex-A53处理器(APU)、双核ARM Cortex-R5处理器(RPU)、符合OpenGL ES 1.1/2.0标准的ARM Mali-400MP多内核GPU以及FPGA可编程部分等资源，并且PS与PL之间具有高性能AXI4总线作为数据高速交换传输途径，从而解决了传统实现方案数据传输路径及速率上的瓶颈。并且，64位四核ARM Cortex-A53处理器，双核ARM Cortex-R5处理器以及ARMMali-400MP多内核GPU的组合也解决了传统实现方案中单一CPU数据运算量大，消耗时间较长的瓶颈，本硬件平台在数据传输速率及数据分析处理速度上都会有大大的提升，从而整体提升了振动分析装置的整体性能。
因此，本发明的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置包括前段模拟电路1、Zynq UltraScale+ MPSoC平台2和外设设备3。
前段模拟电路，用于将加速度传感器的信号经过对应的加速度信号调理电路的调理后，由AD芯片转换为数字信号发送到Zynq UltraScale+ MPSoC平台，并且用于将转速传感器的信号经过对应的转速信号调理电路的调理后发送到Zynq UltraScale+ MPSoC平台。其中，加速度的数字信号为6路信号，转速的数字信号为2路信号。前段模拟电路中还设置有STM32微控制器，用于各通道增益控制、耦合方式控制、传感器类型选择、低功耗控制和板级测试。
Zynq UltraScale+ MPSoC平台用于处理信号，其包括可编程逻辑器(PL)、DDR内存器、APU和RPU。
可编程逻辑器(PL)通过SPI总线将6个通道的经过AD转换后的加速度数字信号进行采集并暂存到FIFO存储器中，将2个通道的转速的数字信号进行采集和串并转换后暂存到FIFO存储器中。其中，因为转速信号为1bit位信号与加速度信号的数据位宽不一致，故转速信号要先进行串并转换后再同步缓存到FIFO存储器中。
DDR内存器用于当FIFO存储器中的数据达到一定数量(3840*32bit)后，一次性通过AXI总线的burst模式写入DDR内存器中。
APU用于从DDR内存器中取出所有的加速度数据和转速数据，并进行频域算法处理(包括FFT、包络谱分析等频域参数的计算)。
RPU用于从DDR中取出所有加速度数据和转速数据进行时域算法处理(包括有效值、峰值、峰峰值及峭度等时域参数的计算)。在计算完成后，RPU通过RPMSG协议将所得到的时域参数一次性传输到APU中。
其中，APU和RPU同步进行计算，进而可以对加速度数据和转速数据实现同步的频域算法处理和时域算法处理。
外设设备包括LCD显示屏，并且还包括外接硬盘、SD卡、EMMC、网线等。
此外，Zynq UltraScale+ MPSoC平台还包括视频接口(Display Port接口)，用于将处理结果在LCD显示屏上进行直观显示。
此外，Zynq UltraScale+ MPSoC平台还包括SATA、SD、EMMC、Ethernet等硬件接口可以外接硬盘、SD卡、EMMC、网线等外设设备，可以实现数据的长时间采集、海量存储及快速导出功能，满足高端装备的各种测试需求。
本发明的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置还包括电源管理模块4和电池管理模块5。电源管理模块用于在本发明的整个装置连接外部电源时，对整个装置的供电进行管理；电池管理模块用于在本发明的整个装置由内部电源进行供电时，对整个装置的供电进行管理。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，包括前段模拟电路、Zynq UltraScale+ MPSoC平台和外设设备；
所述前段模拟电路，用于调理加速度传感器和转速传感器的信号，并将调理后的信号发送到Zynq UltraScale+ MPSoC平台；
所述Zynq UltraScale+ MPSoC平台用于处理信号，其包括PL、DDR内存器、APU和RPU；所述PL将加速度和转速的信号进行采集和转换后暂存到FIFO存储器中；所述DDR内存器用于储存FIFO存储器中的数据；所述APU用于从所述DDR内存器中取出所有的加速度数据和转速数据，并进行频域算法处理；所述RPU用于从DDR中取出所有加速度数据和转速数据进行时域算法处理，并在计算完成后将所得到的时域参数传输到所述APU中；
所述外设设备包括LCD显示屏，用于显示频域算法和时域算法的处理结果。
2.根据权利要求1所述的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，其特征在于，前段模拟电路采集的加速度的数字信号为6路信号，转速的数字信号为2路信号。
3.根据权利要求1所述的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，其特征在于，在所述步骤(4)中，前段模拟电路中还设置有STM32微控制器，用于各通道增益控制、耦合方式控制、传感器类型选择、低功耗控制和板级测试。
4.根据权利要求2所述的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，其特征在于，所述PL通过SPI总线将6个通道的经过AD转换后的加速度数字信号进行采集并暂存到FIFO存储器，将2个通道的转速的数字信号进行采集和串并转换后暂存到FIFO存储器中。
5.根据权利要求1所述的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，其特征在于，所述APU和所述RPU同步进行计算。
6.根据权利要求1所述的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，其特征在于，所述Zynq UltraScale+ MPSoC平台还包括Display Port接口，用于与所述LCD显示屏相连。
7.根据权利要求1所述的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，其特征在于，所述外设设备还包括外接硬盘、SD卡、EMMC、网线。
8.根据权利要求1所述的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，其特征在于，所述DDR内存器在FIFO存储器中的数据达到3840*32bit后，通过AXI总线的burst模式写入DDR内存器中。
9.根据权利要求1所述的基于Zynq UltraScale+ MPSoC平台的高采样率振动分析装置，其特征在于，还包括电源管理模块和电池管理模块。
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