申请/专利权人：天津大学

申请日：2019-07-24

公开（公告）日：2024-03-26

公开（公告）号：CN110673517B

主分类号：G05B19/042

分类号：G05B19/042

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.26#授权;2020.02.11#实质审查的生效;2020.01.10#公开

摘要：本发明公开了基于FPGA和ARM的叶尖间隙信号高速采集处理装置和方法，包括叶尖间隙传感器1、信号调理模块2、AD转换模块3、平滑滤波模块4、第一AXI通信发送模块5、第一AXI通信接收模块6、端点检测模块7、峰峰值及转速计算模块8、第二AXI通信发送模块9、第二AXI通信接收模块10、组帧模块11、DDR3缓存13、PCIE通信模块12和上位机14，利用双门限检测算法检测出叶尖间隙信号的起始点和结束点，计算结果进行组帧。与现有技术相比，本发明通过FPGA和ARM的组合，使得间隙信号在上传至上位机以前就得到了处理，有效的降低了数据传输量和上位机的计算任务，降低了系统成本。

主权项：1.一种基于FPGA和ARM的叶尖间隙信号高速采集处理方法，从输入端到输出端包括依序连接的叶尖间隙传感器1、信号调理模块2、AD转换模块3、平滑滤波模块4、第一AXI通信发送模块5、第一AXI通信接收模块6、端点检测模块7、峰峰值及转速计算模块8、第二AXI通信发送模块9、第二AXI通信接收模块10、组帧模块11、DDR3缓存13、PCIE通信模块12和上位机14，其中：第一AXI通信发送模块5和第一AXI通信接收模块6、第二AXI通信发送模块9和第二AXI通信接收模块10分别是通过AXI总线进行通信；第一AXI通信接收模块6、端点检测模块7、峰峰值及转速计算模块8和第二AXI通信发送模块9构建于ARM处理器16中；平滑滤波模块4、第一AXI通信发送模块5、第二AXI通信接收模块10、组帧模块11和PCIE通信模块12构建于FPGA芯片15上；其特征在于，该方法具体包括以下步骤：利用叶尖间隙传感器1采集的叶尖间隙信息相关信号传输至信号调理模块2进行信号调理，得到调理后的模拟信号；调理后的模拟信号传输给AD转换模块3进行AD转换为数字信号，传输至平滑滤波模块4，对采集的信号进行平滑滤波；滤波结果经AXI通信发送接收，再将数据转发给端点检测模块7，利用双门限检测算法检测出叶尖间隙信号的起始点和结束点，该算法包括以下处理：利用短时能量和短时平均过零率进行端点检测，第n个叶片的第i次叶尖间隙信号检测估计中心位置tn,i由下式计算： 其中，ton,n,i和toff,n,i表示通过双门限端点检测算法检测到的第n个叶片的第i次叶尖间隙信号的起始点与结束点；以中心位置ti为中心，提取8192点数的信号，作为叶尖间隙信号的有效帧；叶尖间隙信号的有效帧及其中心位置被送入峰峰值及转速计算模块8；在检测过程中先对粗大误差进行剔除，对于第n个叶片的第i次叶尖间隙信号，记误差特征Tn,i为：Tn,i＝tn,i-tn,i+1若Tn,i满足条件0.5Tn-1,iTn,i1.5Tn-1,i，则认为是有效帧是有效的叶尖间隙信号，第n个叶片的第i次叶尖间隙信号的峰峰值Vn,i为：Vn,i＝maxn,i-minn,i其中，maxn,i和minn,i分别为有效帧内数据的最大值和最小值；若Tn,i0.5Tn-1,i则认为该有效帧信号为外界干扰信号，直接剔除；若1.5Tn-1,iTn,i，则认为有一个叶片的信号丢失，当前有效帧为第n+1个叶片的第i次叶尖间隙信号，记：tn+1,i＝tn,iVn+1,i＝maxn,i-minn,i第n个叶片的第i次叶尖间隙信号的中心位置和峰峰值为： Vn,i＝Vn,i-1当下转速值Rot为： 利用峰峰值及转速计算模块8将峰峰值结果、信号中心位置、叶片号和有效帧数据通过AXI通信传输至组帧模块11，按照帧头、通道号、叶片号、峰峰值、叶片位置、有效帧数据和帧尾的顺序组帧，所构成的符合叶尖间隙信号的帧传输格式，既能够获得叶尖间隙信号的峰峰值数据，又能够获得叶尖间隙信号的原始数据及其相对位置；利用组帧模块11将组好的数据帧存入DDR3缓存13中；利用PCIE通信从DDR3缓存13中取出数据帧，通过PCIE总线传递上位机14。

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