基于FPGA平台的远程应变测量系统设计

摘要

实验应力分析是用实验方法分析研究工程结构的应力、应变状态的一门学科。基于电阻应变片的应变电测技术是在各种工程结构、机械结构设计的实验应力分析中应用得最为广泛的方法之一。随着科学技术的迅速发展,应变电测技术的两大部分——电阻应变计和应变测量仪都有很大的发展。传统的电阻应变仪已经逐渐不再适应测试测量技术发展的需求,嵌入式技术、智能化测量、网络技术逐渐被引入应变测量系统。
　　本文首先介绍了本课题的背景意义和应变测量的国内外研究现状,根据传统应变测量技术的不足给出了本系统设计要求和研究内容。然后对应变电测技术基本原理进行了分析,同时对本系统采用的一些技术进行了详细说明,包括用软件消除1/4桥路的非线性误差、抗干扰技术等。随后,对系统的硬件实现过程做了详细介绍,包括硬件总体设计原则和思路,板卡设计和具体电路实现,等等。在硬件平台实现的基础上进行了系统软件的设计开发,包括FPGA程序、ARM程序和上位机软件。最后对系统各个板卡进行单板测试并进行了系统整体测试,验证了系统性能。
　　本论文中实现的远程应变测量系统,由信号调理电路、数据采集子系统、网络接口子系统等模块构成,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,采用ARM和以太网芯片来完成数据的传输。同时通过MFC编程技术,实现了图形逼真、功能强大的上位机软件,由设置模块、显示模块、存储模块、回放模块等构成。
　　测试实验表明,该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,并可对数据采集结果进行实时的显示。需要进行测量时,仅需将装有上位机软件的PC机和应变测量仪接入局域网中,即可进行远程操控、测量,极大地提高了工作效率。通过上位机软件对现场数据的处理,分析并消除了仪器测量结果的误差,经验证是一个可行的解决方案。本系统具有功能强大、效率高、开放性好、扩展性强、成本低等特点,可以投入实际使用,值得进行推广。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 应变测量的国内外研究现状

1.3 本系统设计要求

1.4 课题研究内容及章节安排

第2章 系统关键技术分析

2.1 电阻应变片工作原理

2.2 应变电测技术的基本原理

2.3 系统性能分析

2.4 本章小结

第3章 系统硬件的设计与实现

3.1 系统硬件设计原则

3.2 系统硬件总体设计

3.3 信号调理板卡设计

3.4 网络采集板卡设计

3.5 电源电路设计

3.6 背板电路设计

3.7 本章小结

第4章 系统软件设计

4.1 FPGA程序设计

4.2 ARM程序设计

4.3 上位机软件设计

4.4 本章小结

第5章 系统调试与性能测试

5.1 信号调理卡调试与标定

5.2 网络采集卡与上位机软件测试

5.3 系统测试结果与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录A ADC电路原理图

附录B STM32F107电路原理图

附录C DP83848C以太网接口电路图

附录D 电源整流滤波电路图

附录E 背板接口电路图

附录F 系统实物图

附录G 信号调理卡实物图

附录H 网络采集卡实物图

附录I 电源卡实物图