基于FPGA的風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

【摘要】：作為一種無污染的可再生的能源,風(fēng)能在全世界范圍內(nèi)越來越多的受到重視。在現(xiàn)階段風(fēng)能利用的主要手段是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。其中,風(fēng)力發(fā)電機組是這項技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備,假如該機組發(fā)生故障,不能正常工作,將會造成無法彌補的經(jīng)濟損失。另一方面,風(fēng)電機組通常安裝在邊遠、難以靠近或者氣候狀況不適宜人類長期逗留的地方,無法對其實時的檢修。因此,采用先進的風(fēng)電無線監(jiān)測技術(shù),對于保證系統(tǒng)長期可靠的運行,具有重大的現(xiàn)實意義及廣泛的應(yīng)用前景。而作為風(fēng)電無線監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分,數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)對振動信號的采集、處理、存儲和傳輸。 本文在分析國內(nèi)外數(shù)據(jù)采集技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展方向的基礎(chǔ)上,提出了一套基于FPGA且具備對高速信號采集、存儲、自適應(yīng)濾波器以及與控制器ARM進行通信等多種功能于一體的數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計方案。完成了數(shù)據(jù)采集單元的硬件設(shè)計：包括信號調(diào)理電路、鍵相信號測量電路、AD轉(zhuǎn)換電路以及FPGA芯片外圍電路的原理圖設(shè)計,并在充分考慮抗干擾設(shè)計的等PCB注意事項的基礎(chǔ)上完成了PCB的制作。研究了傳統(tǒng)的LMS算法,提出了基于步長改進和梯度改進相結(jié)合的自適應(yīng)濾波算法,并將其應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集單元中,同時運用Xilinx提供的ISE10.1設(shè)計軟件,對數(shù)據(jù)采集單元的AD數(shù)據(jù)處理模塊、整周期采樣模塊、改進自適應(yīng)濾波模塊、與ARM通信的SPI通信模塊進行了詳細的設(shè)計并最終實現(xiàn)。經(jīng)過仿真和最后實驗驗證該模塊可以實現(xiàn)無線監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的技術(shù)要求。 最后將數(shù)據(jù)采集單元應(yīng)用到風(fēng)電無線監(jiān)測實驗系統(tǒng)中進行集成測試,證明該單元能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的整周期采樣、信號降噪、存儲和傳輸,為狀態(tài)識別和故障精密診斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時也為系統(tǒng)能夠?qū)崟r的檢測到設(shè)備的異常狀態(tài),提供了強大的數(shù)據(jù)支持。 【關(guān)鍵詞】：風(fēng)電監(jiān)測 FPGA 數(shù)據(jù)采集 整周期采樣 自適應(yīng)濾波
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TP274.2;TM315
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-18
• 1.1 背景介紹12-13
• 1.1.1 風(fēng)電系統(tǒng)監(jiān)測的重要性12
• 1.1.2 FPGA發(fā)展歷史12-13
• 1.2 課題研究意義13-15
• 1.3 論文研究的難點與創(chuàng)新點15-16
• 1.4 論文的結(jié)構(gòu)安排16-18
• 第二章 風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)據(jù)采集單元分析18-24
• 2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案18-19
• 2.2 數(shù)據(jù)采集單元需求分析19-21
• 2.2.1 數(shù)據(jù)采集部分20
• 2.2.2 工作控制部分20-21
• 2.3 單元整體設(shè)計方案的制定及元器件的選定21-23
• 2.4 本章小結(jié)23-24
• 第三章 數(shù)據(jù)采集單元的硬件設(shè)計24-38
• 3.1 信號調(diào)理電路設(shè)計24-26
• 3.2 鍵相信號測量電路的設(shè)計26-28
• 3.2.1 測量原理26-27
• 3.2.2 預(yù)處理電路27-28
• 3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計28-33
• 3.4 FPGA芯片外圍電路的設(shè)計33-36
• 3.5 數(shù)據(jù)采集版的設(shè)計原則36-37
• 3.6 本章小結(jié)37-38
• 第四章 數(shù)據(jù)采集單元的FPGA程序設(shè)計38-70
• 4.1 數(shù)據(jù)采集單元軟件的總體設(shè)計38-39
• 4.1.1 數(shù)據(jù)采集單元功能模塊劃分38
• 4.1.2 模塊功能分析38-39
• 4.2 各功能模塊的詳細程序設(shè)計39-68
• 4.2.1 頂層模塊設(shè)計39
• 4.2.2 模擬開關(guān)控制模塊39
• 4.2.3 AD采集控制模塊39-43
• 4.2.4 采樣控制模塊(整周期采樣模塊)43-49
• 4.2.5 數(shù)據(jù)緩存模塊(FIFO)49-51
• 4.2.6 自適應(yīng)濾波器51-63
• 4.2.7 SPI通信模塊63-68
• 4.3 本章小結(jié)68-70
• 第五章 數(shù)據(jù)采集單元測試結(jié)果及分析70-82
• 5.1 數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)70-72
• 5.2 數(shù)據(jù)采集單元測試結(jié)果72-75
• 5.2.1 傳感器捕捉的模擬信號73-74
• 5.2.2 經(jīng)過SPI傳遞給ARM的數(shù)字信號74-75
• 5.3 測試結(jié)果分析75-80
• 5.4 本章小結(jié)80-82
• 第六章 總結(jié)與展望82-84
• 6.1 論文工作總結(jié)82
• 6.2 展望82-84
• 參考文獻84-86
• 致謝86-88
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文88-90
• 作者和導(dǎo)師簡介90-91
• 碩士研究生學(xué)位論文答辯委員會決議書91-92

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