CN207965548U - 基于fpga的cms信号采集处理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于FPGA的CMS信号采集处理系统，包括信号采集模块和数据处理模块，所述的信号采集模块包括AD信号输入接口、AD模数芯片、AD稳压芯片和I/O接口；所述的数据处理模块包括信号处理FPGA模块、电源管理模块和传输模块。本实用新型核心数据的处理芯片采用了工业级低成本、高精度、处理速度快的FPGA数字信号处理器，能快速的完成数据运算、功耗低效率高，而且FPGA处理器资源丰富、接口多，便于连接有需求的模块和拓展更多有需要功能，并且信号采集模块和数据处理模块相互独立，便于维护。
Description
技术领域
本实用新型涉及风力发电机组中电控系统数据处理的技术领域，具体涉及一种基于FPGA的CMS信号采集处理系统。
背景技术
目前，风电机组多处于地理环境条件恶劣、气候复杂的地区，相对于其他行业的旋转机械设备故障率较高，所以要加强对风电机组运行状态的监测。而监控风电机组的状态，必须具有数据采集处理系统。
现有的数据采集系统主要采用在一块芯片上同时集成CPU、存储器、A/D、D/A、定时/计数器等单元电路的单片机，目前应用较多的是可以实现硬件计算的数字信号处理芯片(DSP)。DSP数据采集系统具有处理速度快的优点，适用于需要高速计算的信号分析处理领域。但是由于DSP数据采集系统频繁的中断会使CPU的效率降低，影响响应速度。
近年来，FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）等可编程器件的应用快速发展，具有集成度高、可靠性好、开发方便、功能多样和体积小等优点；并且FPGA具有高速并行运算处理数据的能力，逐渐成为了高速数据采集处理系统应用的主流芯片。
实用新型内容
本实用新型就是为了解决上述的技术问题，而提供一种适合风力发电行业机舱内振动信号采集处理的基于FPGA的CMS信号采集处理系统。
本实用新型是按照以下技术方案实现的：
本实用新型的基于FPGA的CMS信号采集处理系统，包括信号采集模块和数据处理模块，所述的信号采集模块包括AD信号输入接口、AD模数芯片、AD稳压芯片和I/O接口，AD信号输入接口连接AD模数芯片，AD模数芯片连接I/O接口，AD稳压芯片通过I/O接口与数据处理模块的连接获取工作电压，并为信号采集模块提供电源；
所述的数据处理模块包括信号处理FPGA模块、电源管理模块和传输模块，信号处理FPGA模块与信号采集模块相连接，信号处理FPGA模块还连接传输模块，传输模块连接有主机，电源管理模块连接信号处理FPGA模块，并为数据处理模块和信号采集模块提供电源。
所述的AD模数芯片采用8通道、16bit信号采集芯片，AD模数芯片具有并口和SPI串口的数据传输工作模式。
所述的AD模数芯片通过并口与数据处理模块相连接。
所述的AD模数芯片外接基准电压，基准电压由AD稳压芯片提供。
所述的信号处理FPGA模块包括FPGA芯片和外围配置的SDRAM芯片、JTAG下载接口、有源晶振、串行配置Flash芯片以及I/O接口，SDRAM芯片、JTAG下载接口、有源晶振、串行配置Flash芯片和I/O接口分别与FPGA芯片相连接，信号处理FPGA模块的I/O接口与信号采集模块的I/O接口相连通。
所述的传输模块采用USB转串口芯片，并设置有LED显示灯，LED显示灯显示串口传输数据或者接收数据的状态，传输模块采用UART通信协议。
所述的所述的电源管理模块包括USB输入模块、输入保护电路、稳压芯片和LED状态指示灯，输入保护电路连接USB输入模块并提供电压保护，USB输入模块还连接稳压芯片，稳压芯片连接信号处理FPGA模块，并分别为数据处理模块和信号采集模块提供电源，LED状态指示灯显示电压是否正常。
所述的信号采集处理系统采用金属外壳，金属外壳通过导轨卡装进行装配。
本实用新型具有的优点和积极效果是：
本实用新型核心数据的处理芯片采用了工业级低成本、高精度、处理速度快的FPGA数字信号处理器，能快速的完成数据运算、功耗低效率高，而且FPGA处理器资源丰富、接口多，便于连接有需求的模块和拓展更多有需要功能，并且信号采集模块和数据处理模块相互独立，便于维护。
附图说明
图1是本实用新型的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型进行详细的说明。
如图1所示，本实用新型的基于FPGA的CMS信号采集处理系统，包括信号采集模块和数据处理模块，所述的信号采集模块包括AD信号输入接口、AD模数芯片、AD稳压芯片和I/O接口，AD信号输入接口连接AD模数芯片，AD模数芯片连接I/O接口，AD稳压芯片通过I/O接口与数据处理模块的连接获取工作电压，并为信号采集模块提供电源；
所述的数据处理模块包括信号处理FPGA模块、电源管理模块和传输模块，信号处理FPGA模块与信号采集模块相连接，信号处理FPGA模块还连接传输模块，传输模块连接有主机，电源管理模块连接信号处理FPGA模块，并为数据处理模块和信号采集模块提供电源。
所述的AD模数芯片采用工业级8通道、16bit高速同步信号采集芯片，型号为AD7606，最高采样率为200KSPS，输入电压范围-5V至+5V，工作温度为-40℃至85℃，满足工业级温度范围，并且模块具有8路SMA接口，测量精度在0.5mV以内。AD模数芯片具有并口和SPI串口的数据传输工作模式，可通过设置引脚电平来选择数据传输的模式。
所述的AD模数芯片通过并口与数据处理模块相连接。
所述的AD模数芯片外接基准电压，基准电压由AD稳压芯片提供，
AD模数芯片还支持芯片内部基准电压。
所述的信号处理FPGA模块包括FPGA芯片和外围配置的SDRAM芯片、JTAG下载接口、有源晶振、串行配置Flash芯片以及I/O接口，SDRAM芯片、JTAG下载接口、有源晶振、串行配置Flash芯片和I/O接口分别与FPGA芯片相连接，信号处理FPGA模块的I/O接口与信号采集模块的I/O接口相连通。
所述的FPGA芯片采用Intel公司的Cyclone IV E系列的EP4CE6F17I8L型号工业级芯片，EP4CE6F17I8L芯片具有体积小、功耗成本低、资源丰富的优点，EP4CE6F17I8L芯片为BGA封装，具有256个引脚，最高工作频率能达到200MHz，最低工作温度为-40℃，最高工作温度为+100℃，满足风电场恶劣的的气候条件。
SDRAM芯片的型号为HY57V2562GTR，容量为256Mit（16M*16bit），采用16bit总线。SDRAM芯片在信号处理FPGA模块中相当于电脑中的内存条，是信号处理FPGA模块的缓存区，可以暂存数据。
JTAG下载接口分别涉及TCK、TDO、TMS和TDI这四个信号，上述四个信号直接由信号处理FPGA模块的引脚引出。
信号处理FPGA模块的时钟源采用50Mhz有源晶振，FPGA芯片通过E1引脚引入50Mhz有源晶振。
串行配置Flash芯片采用M25P16（或EPCS16）型号芯片，容量为16Mbit，主要作用是配置FPGA芯片，在信号处理FPGA模块中起到存储作用，它在信号处理FPGA模块中起到了至关重要的作用。
所述的传输模块采用USB转串口PL2303型号的芯片，并设置有两个LED显示灯，两个LED显示灯分别显示串口是否传输数据和是否接收数据，传输模块采用UART（UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)通信协议。
所述的所述的电源管理模块包括USB输入模块、输入保护电路、稳压芯片和LED状态指示灯，采用USB供电，提供系统所需的四路电源，输入电压为5V，输入保护电路采用SRV05-4芯片，输入保护电路连接USB输入模块并提供电压保护，USB输入模块还连接稳压芯片，稳压芯片采用AMS117-800m低压差（LDO）稳压器系列稳压芯片，使用了其中四个系列芯片，其型号分别为AMS1117-3.3、AMS1117-2.5、AMS1117-1.2和AMS1117-2.8，可提供稳定可靠的电源，同时在设计PCB的时候，采用4层PCB，预留了独立的电源层和GND层，使得整个模块的电源，具有非常好的稳定性。四个系列芯片连接信号处理FPGA模块，并分别为数据处理模块和信号采集模块提供电源，LED状态指示灯显示电压是否正常。
所述的信号采集处理系统采用金属外壳，保证较好的EMC防护，金属外壳通过导轨卡装进行装配，使用便捷。
本实例的工作过程：所述的信号采集模块采集风电机舱内各路传感器的模拟信号，对多路模拟信号进行高精度采集量化，AD模数芯片将采集的模拟信号转换为数字信号，然后通过I/O接口传输至数据处理模块；
所述的数据处理模块的I/O接口接收数字信号，信号处理FPGA模块对接收的数字信号进行滤波，再进行FFT（Fast Fourier Transformation，离散傅氏变换的快速算法）和求功率以及其他需求指标的运算，然后通过传输模块将运算得到的数据传输至主机，供主机分析使用。电源管理模块为整个系统的稳定工作提供电源。
本实用新型核心数据的处理芯片采用了工业级低成本、高精度、处理速度快的FPGA数字信号处理器，能快速的完成数据运算、功耗低效率高，而且FPGA处理器资源丰富、接口多，便于连接有需求的模块和拓展更多有需要功能，并且信号采集模块和数据处理模块相互独立，便于维护。
以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.一种基于FPGA的CMS信号采集处理系统，包括信号采集模块和数据处理模块，其特征在于：所述的信号采集模块包括AD信号输入接口、AD模数芯片、AD稳压芯片和I/O接口，AD信号输入接口连接AD模数芯片，AD模数芯片连接I/O接口，AD稳压芯片通过I/O接口与数据处理模块的连接获取工作电压，并为信号采集模块提供电源；
所述的数据处理模块包括信号处理FPGA模块、电源管理模块和传输模块，信号处理FPGA模块与信号采集模块相连接，信号处理FPGA模块还连接传输模块，传输模块连接有主机，电源管理模块连接信号处理FPGA模块，并为数据处理模块和信号采集模块提供电源。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的CMS信号采集处理系统，其特征在于：所述的AD模数芯片采用8通道、16bit信号采集芯片，AD模数芯片具有并口和SPI串口的数据传输工作模式。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的CMS信号采集处理系统，其特征在于：所述的AD模数芯片通过并口与数据处理模块相连接。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的CMS信号采集处理系统，其特征在于：所述的AD模数芯片外接基准电压，基准电压由AD稳压芯片提供。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的CMS信号采集处理系统，其特征在于：所述的信号处理FPGA模块包括FPGA芯片和外围配置的SDRAM芯片、JTAG下载接口、有源晶振、串行配置Flash芯片以及I/O接口，SDRAM芯片、JTAG下载接口、有源晶振、串行配置Flash芯片和I/O接口分别与FPGA芯片相连接，信号处理FPGA模块的I/O接口与信号采集模块的I/O接口相连通。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的CMS信号采集处理系统，其特征在于：所述的传输模块采用USB转串口芯片，并设置有LED显示灯，LED显示灯显示串口传输数据或者接收数据的状态，传输模块采用UART通信协议。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的CMS信号采集处理系统，其特征在于：所述的所述的电源管理模块包括USB输入模块、输入保护电路、稳压芯片和LED状态指示灯，输入保护电路连接USB输入模块并提供电压保护，USB输入模块还连接稳压芯片，稳压芯片连接信号处理FPGA模块，并分别为数据处理模块和信号采集模块提供电源，LED状态指示灯显示电压是否正常。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA的CMS信号采集处理系统，其特征在于：所述的信号采集处理系统采用金属外壳，金属外壳通过导轨卡装进行装配。
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| CN201820051818.XU CN207965548U (zh) | 2018-01-12 | 2018-01-12 | 基于fpga的cms信号采集处理系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113204013A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-08-03 | 珠海上富电技股份有限公司 | 一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达及信号处理方法 |
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