一种新型叶尖定时信号高精度处理技术

第4期

ANewAccurateProcessingTechniqueforTip󰀁timingSignal

SUNYu󰀁yang,DUANFa󰀁jie,FANGZhi󰀁qiang,YESheng󰀁hua

(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:󰀁Anewaccurateprocessingtechniquefortip󰀁timingsignalisproposed.Thefixedfrequencypulsefillingmethod,andthecombinationofCPLD,FIFOandEPPareadoptedtorealize10nstip󰀁timingaccuracy.CPLDisused

fordesign24bithigh󰀁speedsynchronizedcounterandlatchcircuit;thepreampliferandpostamplifierareusedfordesignhighsensitivity,largebandwidthphotoelectricreceiver.Inaddition,EPPinterfacecircuitandcorrespondingsoftwarede󰀁signareprovided.Theprocessingsystemareprovedunderthelaboratorycondition,andtheresultofexperimentsindicatethatthesystemcanrealizethedetectionofweaklightaslowas0󰀂4󰀁W.Keywords:󰀁tip󰀁timing;photoelectricreceiving;CPLD;dataprocessing

一种新型叶尖定时信号高精度处理技术

孙宇扬,段发阶,方志强,叶声华

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津󰀁300072)

󰀂

摘要:提出一种新型叶尖定时信号高精度处理方法。采用固定频率脉冲填充方法,并基于CPLD、FIFO、EPP的融合技术,实现10ns的叶尖定时分辩力。利用CPLD设计了24位高速同步计数锁存电路,引入光通信用放大芯片设计了高灵敏度、宽频带光电接收预处理电路,并设计了高速EPP接口电路及软件。在实验室条件下对处理系统进行了功能验证,实验证明该系统可以实现0󰀂4󰀁W的弱光检测。关键词:叶尖定时;光电接收;CPLD;EPP;数据处理

中图分类号:TN29;TN219󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1004-1699(2003)04-0415-04

󰀁󰀁旋转叶片振动测量技术按所用传感器形式可分为接触测量和非接触测量。传统上采用接触测量方法,如应变片传感器测量,该技术已较为成熟,但由于应变片安装费时费力,而且工作寿命较短,传感器自身荷重与体积影响叶片的空气动力学特性,所以该技术的应用受到了很大的。为提高旋转叶片振动测量系统的性能,适应高转速、高精度、全面监测的要求,叶尖定时非接触旋转叶片测振技术被广

[1,2]

泛采用。该技术利用叶尖经过非接触测头的时间进行测量,叶尖定时传感器信号经过光电接收和

数据采集处理系统后,进而由计算机对获得的叶尖定时时间数据进行分析获得振动位移,频率、振幅等参数。叶尖定时信号处理技术主要就是精确的确定叶尖经过传感器测头的时间,它是实现叶片振动参数高精度测量的关键之一,也是本文讨论的重点。提出了一种新型叶尖定时信号高精度处理技术,采用固定频率脉冲填充方法,并基于CPLD、FIFO、EPP的融合技术,实现10ns的叶尖定时分辩力。处理系统主要包含光电接收和预处理电路、高速计数锁存电路及EPP接口电路。

󰀂

收稿日期:2003󰀁04󰀁25

作者简介:孙宇扬,allansun@china.com.

416󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁传󰀁感󰀁技󰀁术󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2003年

ns,因此选取系统时钟基准为100MHz。

1󰀁传感器

󰀁󰀁传感器系统主要由数个叶尖定时传感器和一个转速同步传感器组成。叶尖定时传感器是系统的关键传感器,要求具有很高的响应速度和抗干扰能力,因此选用基于光纤传光的光电传感器。多个叶尖定时传感器以一定角度圆周排列(角度需要计算,超出了本文讨论范围)。转速同步传感器用于监测压气机的转速,每一转发出一个脉冲,作为起始与终止信号,但对振动测量精度没有影响;

采用固定频率脉冲填充法实现叶尖定时时间测量。该方法采用固定频率脉冲计数,1个脉冲对应的弧长!=2 R∀/f(f为时钟频率),每转一圈所对应的脉冲数为f/∀,R为半径。不同转速下,脉冲当量不同,速度越低脉冲当量越小,一圈对应的数据量也越大。本系统选取时钟频率为100MHz,计数器采

24

用24位二进制计数器,因此适用的最小转速为f/2=5󰀂95r/s=357r/min。

2󰀂2󰀁处理系统

处理系统原理框图如图1所示。系统采用24位二进制计数器对时钟脉冲进行计数。光电探测器输出的叶尖定时传感器信号经过前置放大、主放大及滤波整形电路后,产生叶尖定时锁存脉冲,作用于相应的叶尖定时锁存器。磁电式转速同步传感器信号经过类似的处理,产生转速同步信号作为计数器的异步复位信号。各锁存器的数据由EPP接口采入计算机。

2󰀁叶尖定时信号处理原理

2󰀂1󰀁固定频率脉冲填充方法

设叶片旋转半径为1󰀂5m,当最高转速为15000r/min=250r/s时,叶尖的非振动线速度为󰀂=2 1󰀂5 250m/s=2󰀂36󰀁m/ns,由于系统要求振幅分辨力为25󰀁m,则要求系统的定时分辨力优于=10󰀂6

图1󰀁叶尖定时脉冲采集系统框图

光电流进行预处理,通过前置放大器,主放大器以及

3󰀁处理系统的实现

󰀁󰀁处理系统主要包含高灵敏度光电接收及预处理系统,基于CPLD的高速计数锁存电路,以及EPP采集接口电路。

3󰀂1󰀁光电接收预处理

光电接收预处理系统性能好坏将直接关系到整个振动测量系统的精度,设计时应考虑灵敏度、信噪比、频响等多方面问题。

预处理电路的主要任务是将光电探测器输出的

阈值比较电路,产生TTL电平的脉冲信号。预处理电路的前置放大电路是设计的关键,因为它对整个光电接收系统的灵敏度和信噪比起决定作用。光电接收前置放大器的噪声主要是放大器本身和电路元件的热噪声和散粒噪声,而且噪声随带宽的增加而增加。考虑到频带宽度大于50MHz,采用跨阻放大电路,并选择双极型(BJT)型放大器以产生最小的噪声。基于以上考虑,选用Philips公司的光通信用前置放大芯片SA5211与后置放大芯片SA5217配套使用,设计了高灵敏度、宽频带光电接收预处理电路,

第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁孙宇扬,段发阶等:一种新型叶尖定时信号高精度处理技术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁417󰀁

该电路结构简单、性能稳定。SA5211位28kbyt固定增益跨阻放大器,具有差动输出,抗干扰能力很强。SA5217最小差动输入电压为6mV,在60MHz带宽范围内能够实现60dB增益,芯片内部集成有阈值比较电路,输出为TTL电平。并且自带自动稳零电路,可以消除失调电压影响。SA5217的最小差动输入电压为6mV,SA5211放大倍数是28kbyt,假设光电探测器波长650nm处的灵敏度是0󰀂5A/W,则本系统光电接收机组合可以实现0󰀂4󰀁W的弱光检测。需要注意的是,由于光电接收电路属于高频电路,而且对噪声极为敏感,在PCB设计时,需要仔细进行滤波屏蔽设计。

3󰀂2󰀁基于CPLD的高速24位计数锁存电路设计采集系统需要24位计数器,计数频率达到100MHz,利用分立式元件设计难度较高,尤其是级联延时难以控制,可能造成计数错误。因此,24bit计数器和多路锁存器均在高度集成的可编程逻辑器件CPLD中实现。考虑到电路时序要求很高,选用Al󰀁tera公司速度最高的MAX7000系列。在实验样机中,采用两路叶尖定时传感器,一路转速同步传感器,所以需要3套24bit锁存器,如果将计数器的输出直接连接到这3路锁存器上,计数器的负载过大,可能影响计数器正常工作。为此,专门设计了一套解决方案。如图2所示,先将24位计数器的输出送

钟不同步的问题。采集系统中锁存器锁存脉冲由叶端定时脉冲经过整形、滤波等预处理后得到,而计数器的时钟为时钟驱动电路产生,锁存器可能恰好锁存处于变化状态的计数器输出,从而造成数据锁存错误。为此,我们利用D触发器先使计数时钟与锁存脉冲同步。3󰀂3󰀁EPP接口设计3󰀂3󰀂1󰀁接口电路设计

图3为增强型并行端口EPP广泛应用与便携式数据采集系统,可以进行双向数据高速传输,传输速

图3󰀁EPP接口电路示意图

率理论上达到ISA总线的速度(2MHz),而且向下与标准并行端口SPP(StandardParallelPort)兼容。在接口电路中采用了多片FIFO,解决由于CPLD中高速锁存器与EPP接口的速度匹配问题,从而实现了高速数据传输。EPP定义了四种数据传输模式:读数据周期、读地址周期、写数据周期、写地址周期。本电路通过读数据周期读取FIFO的数据,读地址周期读取FIFO的状态位,同时利用写地址周期进行外设地址译码并向外写出控制信号。接口电路根据EPP1󰀂9协议设计,专门设计电路实现nWait与nDataStb与nAddrStb的连锁握手。3󰀂3󰀂2󰀁软件设计

为了对从并口(EPP模式)采集到的信号进行实时分析,以及数据存储和图形显示等。利用VisualC++6󰀂0以及DDK2000开发了一个基于WIN󰀁

图2󰀁CPLD内部逻辑结构图

入起缓冲作用的锁存器,锁存脉冲与计数器时钟同频率。其输出再送入下面三路锁存器,锁存脉冲为整形、滤波后的各传感器输出脉冲。这样,计数器的负载只有一路锁存器,确保了计数器在100MHz工

作频率下的正常工作,解决了容性负载过大的问题。

另一个需要注意的问题是锁存器锁存脉冲和时

DOWS2000系统的可视化!旋转叶片振动检测系统∀软件。该软件可以实现WINDOWS98和WIN󰀁DOWS2000下的并口数据采集,同时把采集到的数据按所设计的数据格式在LISTCTRL中显示,并可以保存为数据文件以便日后进行处理。对EPP端口的操作,在WINDOWS98中采用的是MICROSOFT提供的端口操作函数inp和outp函数,在WIN󰀁418󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁传󰀁感󰀁技󰀁术󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2003年

DOWS2000中利用和DDK2000联合开发了端口驱动程序PORTIO.SYS,用于执行底层(RING0层)的端口操作,为应用程序提供底层的驱动处理。

到3󰀂8mW;光电接收探测器采用电子部44所的GT-101型PIN,波长650nm处灵敏度为0󰀂4A/W。进行了整个系统的联调实验。测试了前置放大器

SA5217在测头与旋转叶片不同距离时相应的最大输出电压值,以验证测头在0~6mm工作范围内光电接收系统工作情况。表1所示的实验结果表明,在测头的工作距离达到6mm时,前放差动输出电压为19mV,远远大于SA5217的6mV最小输入允许电压,光电接收系统工作正常。为检验光电接收灵敏度,将PIN输入光强减至0󰀂4󰀁W时,SA5217仍有输出。图4给出了旋转叶片没有激振情况下,输入光强为10󰀁W时光电接收电路各级信号波形。

3mm76nV

4mm40mV

5mm32mV

6mm19mV

4󰀁实验结果

󰀁󰀁为验证叶尖定时信号处理系统的工作性能,在

实验室条件下进行了相关实验。专门设计了模拟工作试验台,叶片转速达到1200r󰀁m。叶尖定时传感器和转速同步传感器分别采用光纤传感器和霍尔型磁电传感器,其中叶尖定时传感器光源为带尾纤输出的半导体激光器,工作波长650nm,出纤功率达

测头工作距离前放输出电压幅值

1mm365mV

2mm123mV

SA5211差动输出两端波形󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁SA5217中间放大级差动输出󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁SA5217最终输出(光电接收示波器两通道电压单位均为50mV,采样周期20󰀁S

端波形。示波器两通道电压单位均为0.5V,采样周期0.2ms

电路输出)。示波器电压单位1V,采样周期50󰀁s

图4󰀁光电接收预处理电路各给信号波形图

5󰀁结束语

󰀁󰀁本文设计了一套叶尖定时振动测量数据采集处理系统,解决了光电接收预处理及24bit高速计数器、锁存器设计等技术难点,实现0󰀂4󰀁w弱光信号检测。系统时钟基准达到100MHz,采用固定频率脉冲填充方法,实现了10ns的定时分辨率。下一步的主要工作是系统的实时化,引入DSP进行系统设计,以满足现场要求。

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