FPGA平台上的远程静态应变测量系统设计

摘要：设计了一种基于FPGA和ARM架构的多通道远程静态应变测量系统。采用FPGA控制多通道模数转换模块实现多路应变信号的采集和数据处理，利用ARM和网络模块实现FPGA的控制及其与远程终端之间的以太网通信。系统可通过远程终端控制现场测量节点的参数设置和32路应变信号的采集、处理和存储。该系统采用模块化和通用化设计方法，可实现数据采集通道的减少与扩展，同时也可应用于其他数据采集场合。

引言

电阻应变计作为目前世界上广泛应用的应力分析测量设备，其应用领域从宇宙航行、航空、机械、建筑、车辆、铁道到纺织、化工等部门，最近又扩展到生理学、医学、体育学等领域。近年来，随着微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，测量系统越来越注重其数字化、智能化和网络化功能。传统的应变测量系统数字化、智能化程度低，数据传输方式有限，多采用电缆连接，对于系统的维护和升级造成了很大不便。为此，设计了一种基于FPGA、ARM和网络技术实现应变测量的多通道远程静态应变测量系统。该系统主要应用于水轮机等大型机械设备在装配过程中的应力应变测量，也可应用于建筑物、桥梁、道路等的应力测量。　　

 

系统总体设计

系统采用FPGA作为主控制芯片，完成信号采集和数据传输功能，采用ARM和网络接口模块实现设备的以太网接口设计，在PC机上运行用VC6.0开发的上位机软件实现对测量系统的控制和访问。

系统总体设计框图如图1所示。应变信号经过信号调理(包含放大、滤波和限幅等过程)后进入ADC数据采集模块，经转换得到应变信号的数字量信号，存入FIFO缓冲区，数据在FPGA主芯片中进行适当处理，传输给ARM芯片，ARM将数据通过网络接口传到上位机。同时上位机也可通过网络接口访问设备，对系统进行参数设置和访问。

系统采用模块化设计，分为系统背板、信号调理板、主控板、电源板。系统背板包含系统总线，所有独立模块均插接在系统背板上。每块信号调理板含2路电桥、桥路供电电路和调理电路，主控板包括数据采集模块、FPGA模块、ARM模块和网络接口模块，电源板可为系统提供±12V、±5V直流电源。系统设计精度为0.1%，输入信号的频率范围为0~2kHz。

系统硬件设计

系统硬件电路分为以FPGA芯片为核心的数据采集系统和以ARM芯片为核心的以太网数据传输系统两大部分。