基于Verilog-HDL的轴承振动噪声电压峰值检测

    摘要：介绍模拟峰值电压的检测方式，叙述基于Verilog-HDL与高速A/D转换器相结合所实现的数字式快速轴承噪声检测方法，给出相关的Verilog-HDL主模块部分。

    关键词：峰值检测 传感器 Verilog-HDL A/D转换器

引言

在轴承生产行业中，轴承振动噪声的峰值检测是一项重要的指标。以往，该检测都是采用传统的模拟电路方法，很难做到1：1地捕捉和保持较窄的随机波形的最大正峰值。本文叙述了基于Verilog-HDL与高速A/D转换器相结合所实现的快速轴承噪声检测方法。

1 振动噪声电压峰值检测方案的确定

1.1 轴承振动噪声的产生及检测

图1是轴承振动噪声电压峰值检测系统的示意图。由于加工设备、技术、环境等因素的影响，生产的轴承都程度不同地带有伤疤。图1中，假设某待测轴承有一处伤疤。由于伤痕的存在，轴承在转动过程中，伤疤将与滚珠产生摩擦，从而表现在轴承整个产生微小的振动。这一振动通过加速度传感器输出电压信号，经电荷放大器、峰值检测后，即后得到振动噪声的峰值电压。图2给出了在有伤疤情况下的传感器输出电压波形。

1.2 模拟式的峰值电压保持电路

以往的轴承振动噪声峰值电压检测，均采用了模拟式的峰值电压检测法。图3示出了由采样保持电路LF398H构成的该类检测电路。当噪声电压到来后，采样信号跟随模拟信号电压到峰值处，之后采样脉冲消失，电路处于保持状态。保持电容C上即存储了模拟信号的峰值电压Vm。要想较快地跟随输入电压Vin的变化，保持电容C的容量就应相对减小；而C的相对减小，又会导致在保持电压期间，输出电压Vout的下降速率加快。这两者相互矛盾，从而使这种电路难以达到较高的性能。

1.3 数字式的峰值电压检测

模拟式的峰值检测电路不易做到高速采样。采桥保持电路经长期使用后，多方面的性能会发生明显变化，且不易批量化生产；而由数字电路组成的系统可以做到结构简单、调试方便，长期使用不会导致系统性能指标的下降。图4是一种数字式的峰值检测系统的组成方案。它由A/D转换部分和数字电压的峰值检测部分组成，接口电路内含微处理器，负责与微机进行数据通信和接收来自微机的控制信号，并控制检测系统的工作。根据应用对象的不同，A/D转换器的采样速率可高达上百Msps[1]，并可自带采样保持电路。与A/D转换器相接的数字电压峰值检测电路可采用FPGA，其工作速度也中达上百Msps。因此，在信号的处理速度方面两者都是优于传统的模拟电路方式的。

2 基于Verilog-HDL的峰值电压检测方案

2.1 逻辑功能的设计

图5给出了数字电压峰值检测框图。图中除了A/D转换器外，虚线部分所示均为FPGA组成的功能模块。其功能由Verilog-HDL（HDL：硬件描述语言）来实现[2]。工作原理如下：由A/D转换器取得的数字电压送入数据缓冲模块GET_DATA，GET_DATA中的数据与来自数据存储模块DATA_MEM中的数据都送入数据比较模块DATA_COMP进行比较。如果X端的数据大于Y端的数据，比较标志模块产生标志信号，同时该信号将X端的数据打入数据存储模块DATA_MEM中（系统复位后，DATA_MEM中的数据为最小值0），进而实现了保持2个数据中较大的一个功能。当振动噪声电压经A/D转换器转换成数字电压后，数据存储模块便依A/D转换的次数做相应次的比较，最终将噪声电压的峰并保持下来。VDOUT为数字式的峰值输出电压。

仅有图5的逻辑功能框图还不能方便地用Verilog-HDL来描述。为此将其进一步细化为图6所示的形式。图6中虚线框内的功能由XC9572（Xilinx公司的产品）实现。图6中，Vin为模拟电压的输入，VDOUT为数字峰值电压的输出，VDOUT、RB1、RB21均与接口电路相接，RB1、RB2受微机的控制。

2.2 时序图

图7为图6所示逻辑电路的时序图。按照轴承检测的工艺，当系统复位RB2、启动脉冲RB1到来后，经0.7s的延时，便产生1个宽度为1s的门脉冲G_P。在此期间，A/D转换器连续转换的数据送入数据缓冲器GET_DATA，之后进行数字信号的峰值检测和保持。A/D转换器在此采用MAX120。该转换器的分辨率为12bit，转换时间为1.6μs。

2.3 逻辑仿真

在硬件电路实现之前，用Verilog-HDL对图6所示的逻辑电路进行了仿真，图8即为仿真结果。从仿真结果中可以看出，系统复位后，D_OUT（VDOUT）输出为0，在1s门脉冲G_P有效期间，GET_DATA接收时钟GET_DATA_CLK。此间来自A/D转换器的数字电压（分别为FROM_ADC=10、15、18、17、4、6、2）相继输入至GET_DATA。由于这期间的最大值为FROM_ADC=18，故有D_OUT=18。在门脉冲G_P无效期间，即使有数据FROM_ADC=11输入，仍有D_OUT=0。

2.4 Verilog-HDL主模块

    限于篇幅，这里只将本系统所涉及到的Verilog-HDL的主模块部分列出：

Module PK_SEL(BUSY,RB1,RB2,FROM_ADC,D_OUT,P_OUT);

input BUSY,RB1,RB2;

output P_OUT;

input [11:0]FROM_ADC;

output [11:0]D_OUT;

wire [11:0]TO_COM;

wire GET_DATA_CLK;

//产生秒脉冲

CNT100 F_4kHz （RB1,BUSY,F_4k）； //分频

CNT100 F_37Hz （RB1，F_4k，F_37）； //分频

DELAY_P1 START_DLY （RB2，RB1，F_7，DLY_05S）； //延时0.7s

DELAY_P2 GENE_SPB （RB2，DLY_05S，F_7，SPB）； //延时1s

GETE_GENE GENE_GP （G_P，DLY_05S&RB2，SPB）； //1s的门脉冲

Assign P_OUT=G_P;

//ADC数据最大值的比较和检测

assign GET_DATA_CLK=～BUSY & G_P;

DFF12 GET_DATA（GET_DATA_CLK，FROM_ADC，TO_COM, ～SPB & RB2); //获取ADC数据

COMP_D DATA_COMP（TO_COM，D_OUT，D_S）； //数据比较

DFF12 DATA_MEM（BUSY & D_S，TO_COM，D_OUT，RB1 & RB2）； //数据存储

endmodule

结束语

与模拟式的峰值电压检测方式相比，数字式的检测方式有着结构简单、系统开发周期短等优点，而采用Verilog-HDL可以方便地实现欲有的功能。笔者设计开发的该系统用在了大连科汇轴承仪器有限公司生产的S0910-3型轴承振动测量仪中，并于2001年6月在上海的国际轴承及装备博览会上引起了同行的关注。