SOPC技术在柴油机在线状态监测和故障诊断装置中的应用研究

摘要

柴油机作为核心动力设备广泛应用于工业、农业、军事、建筑、交通运输等各个行业，保证其处于良好的运行状态，对确保安全生产、降低运行成本、节约能源、保护环境等方面具有重要意义。因此，在柴油机的日常运行过程中，迫切需要柴油机在线监测与故障诊断装置对其监测，指导维修人员开展高效的检修工作。 本文对现有的柴油机状态监测装置进行了分析，提出了基于可编程片上系统(SOPC)技术的柴油机在线监测与故障诊断装置的方案。SOPC是近几年兴起的一种用于嵌入式系统开发的片上系统可编程技术，此技术在现场可编程门阵列(FPGA)中实现微处理器及其他外设，使得它不仅拥有微处理器系统丰富的软硬件资源，还具备FPGA系统的可编程硬件逻辑资源，被很多人认为是未来嵌入式系统发展的方向。本文对SOPC技术在柴油机监测诊断的应用上做了一些探索。该方案具有体积小、功耗低、可靠性高、成本低、扩展性强、软硬件可升级等诸多优点。 论文主要完成了以下工作： 1、SOPC系统设计。根据装置的功能需求，设计了SOPC系统的硬件方案，构建了基于Altera公司Nios II处理器为核心的SOPC系统。 2、lP核设计。根据模数转换器(ADC)数据接口的要求，实现了ADC接口IP核，高效准确地实现外部触发的数据采集。根据对诊断算法运算速度的要求，对诊断算法中常用的数字信号处理运算--有限冲击响应(FlR)滤波器和快速傅立叶变换(FFT)，采用了硬件实现，并将其模块化封装，形成可重用的IP核。测试结果表明，硬件加速对系统的性能提升是巨大的。 3、软件设计。在分析了Nios lI处理器的软件结构的基础上，开发了自定义片上外设及片外设备的驱动；研究了μC/OS-II实时操作系统，编写了基于μC/OS-II的应用程序，完成复杂的控制及通信功能。

目录

文摘

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声明

第1章 绪论

1.1选题的背景和意义

1.2柴油机状态监测与故障诊断的技术现状

1.3 SOPC技术及应用

1.3.1 SOPC技术

1.3.2 SOPC技术在柴油机在线状态监测和故障诊断装置中的应用特点

1.4论文的主要工作

第2章SOPC系统设计

2.1 Altera公司的SOPC方案

2.1.1 Nios Ⅱ软核处理器

2.1.2 Avalon总线规范

2.1.3 SOPC开发流程

2.2 SOPC系统构建

2.2.1 SOPC系统的硬件方案

2.2.2 SOPC系统的片上配置

2.2.3 Nios Ⅱ CPU选型

第3章自定义IP核的设计

3.1IP核设计概述

3.2 ADC接口IP设计

3.2.1功能及需求分析

3.2.2 ADC接口IP核的实现

3.2.3 ADC接口IP核的测试

3.3 FIR滤波IP核的设计

3.3.1.FIR滤波器原理

3.3.2 FIR滤波器设计

3.3.3 FIR滤波器IP核的实现

3.3.4 FIR滤波器IP核的测试

3.4 FFT运算IP核设计

3.4.1 FFT理论及算法

3.4.2 FFT运算的整体结构

3.4.3 FFT的计算精度

3.4.4 FFT运算IP核的实现

3.4.5 FFT运算IP核的测试

第4章SOPC系统软件设计

4.1软件体系

4.1.1软件体系结构

4.1.2 μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统

4.1.3硬件抽象层

4.2驱动设计

4.2.1 ADC接口外设驱动

4.2.2 CAN驱动

4.3应用程序设计

4.3.1任务划分

4.3.2任务实现

第5章结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文