本文關(guān)鍵詞：便攜式聲學分析儀的研究與實現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：便攜式聲學分析儀在工業(yè)實踐中有廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)化程度越來越高，工業(yè)設(shè)備朝大型化、復雜程度高的方向發(fā)展，對故障監(jiān)測設(shè)備的需求越來越大。針對工業(yè)現(xiàn)場對便攜式故障監(jiān)測儀器的實際需要，利用嵌入式技術(shù)，研究和開發(fā)了一套通用性較高的便攜式聲學分析儀，對設(shè)備運行發(fā)出的聲音信號進行分析和處理，以便檢測各種不易直接接觸測量振動信號的設(shè)備。便攜式聲學分析儀作為現(xiàn)場故障監(jiān)測的一部分，可以與大型故障診斷系統(tǒng)配合使用。 論文以快速傅里葉變換算法（FFT）為理論基礎(chǔ)對聲音信號進行處理，利用嵌入式FPGA與ARM雙核技術(shù)的運行速度快、體積和功耗小的特點，結(jié)合EDA工具硬件設(shè)計和仿真的優(yōu)勢，設(shè)計具有聲級計和頻譜分析功能的便攜式聲學分析儀。 論文在分析系統(tǒng)的設(shè)計原則和功能需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。傳感器選擇性能優(yōu)良，無需為電容極板額外供電的駐極體電容傳聲器。放大電路設(shè)計為兩種增益，既適用于聲壓級計算，也適用于頻譜分析。選擇帶有抗混疊濾波功能的A/D芯片設(shè)計16位精度的A/D轉(zhuǎn)換電路，以避免信號采樣過程中高頻信號引起的混疊現(xiàn)象。設(shè)計多種電壓供電電源，使系統(tǒng)中每個芯片處在穩(wěn)定的額定電壓工作狀態(tài)。預設(shè)5種外圍接口電路，包括JTAG下載接口電路、AS下載接口電路、USB接口電路、SD卡插槽和RS232接口電路，為系統(tǒng)調(diào)試、升級、維護、數(shù)據(jù)存儲以及功能擴展等提供多種接口。 論文基于EDA技術(shù)和頻譜分析理論方法的基礎(chǔ)上，對硬件進行選型，用硬件描述語言設(shè)計電路。在FPGA中實現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換頻率的控制，由于A/D轉(zhuǎn)換頻率較低而其它運算模塊需要較高的頻率對數(shù)據(jù)進行處理，針對所使用的時鐘頻率不同，用PLL為系統(tǒng)提供豐富的時鐘頻率信號，針對A/D轉(zhuǎn)換與其它運算模塊處理數(shù)據(jù)速度不一致，用FIFO實現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)的緩存。 論文利用FPGA提供的豐富的IP核資源，設(shè)計并實現(xiàn)聲級計功能，用DSP Builder輔助設(shè)計查找表，對FFT進行加窗處理。調(diào)用FFT兆核函數(shù)，編寫代碼實現(xiàn)快速傅里葉變換的功能，結(jié)合Modelsim和Matlab軟件進行仿真和驗證。實現(xiàn)FPGA與ARM的數(shù)據(jù)通訊，，用ARM控制顯示部分，將輸出的頻譜圖在LCD上顯示。 在設(shè)計每個模塊時使用仿真軟件和邏輯分析儀進行模擬，輔助功能的實現(xiàn)和調(diào)試，通過板級調(diào)試驗證結(jié)果的正確性，最后完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。通過試驗證明便攜式聲學分析儀具有聲壓級計算、對聲信號進行頻譜分析并實時顯示的功能，符合設(shè)計要求，并具有可擴展性。
【關(guān)鍵詞】：聲學信號分析 數(shù)字信號處理 傅里葉變換 FPGA ARM
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB516
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-19
• 1.1 引言11-12
• 1.2 課題提出的目的和意義12-13
• 1.3 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)13-16
• 1.3.1 聲學信號應(yīng)用的發(fā)展13-14
• 1.3.2 故障診斷類儀器的發(fā)展現(xiàn)狀14-15
• 1.3.3 嵌入式技術(shù)的發(fā)展動態(tài)15-16
• 1.4 課題主要研究內(nèi)容16-19
• 1.4.1 便攜式聲學分析儀的功能建立16-17
• 1.4.2 便攜式聲學分析儀的研究方案17-19
• 第二章 便攜式聲學分析儀的原理分析與實現(xiàn)平臺19-35
• 2.1 便攜式聲學分析儀的原理分析19-27
• 2.1.1 傅里葉變換的原理概述19-20
• 2.1.2 快速傅里葉變換20-25
• 2.1.3 截取信號的加窗處理25-27
• 2.2 系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理芯片的應(yīng)用技術(shù)概述27-30
• 2.2.1 FPGA 參數(shù)對比與型號選定28-29
• 2.2.2 硬件描述語言的選用29
• 2.2.3 開發(fā)環(huán)境與設(shè)計流程29-30
• 2.3 用戶界面平臺的實現(xiàn)30-33
• 2.3.1 用戶界面實現(xiàn)平臺的確立30-31
• 2.3.2 用戶界面實現(xiàn)平臺的選型31-33
• 2.4 本章小結(jié)33-35
• 第三章 便攜式聲學分析儀系統(tǒng)設(shè)計方案35-51
• 3.1 系統(tǒng)的設(shè)計原則和需求分析35-37
• 3.1.1 系統(tǒng)的設(shè)計原則分析35
• 3.1.2 系統(tǒng)的需求分析35-37
• 3.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)架的設(shè)計37-48
• 3.2.1 傳感器的選型38-39
• 3.2.2 兩增益信號放大電路的設(shè)計39-41
• 3.2.3 抗混疊濾波器的實現(xiàn)41
• 3.2.4 模數(shù)信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計41-44
• 3.2.5 電源管理電路的實現(xiàn)44-45
• 3.2.6 外設(shè)接口電路的設(shè)計45-48
• 3.3 系統(tǒng)總體方案的確立48
• 3.4 本章小結(jié)48-51
• 第四章 模數(shù)轉(zhuǎn)換與聲級計算的硬件實現(xiàn)51-65
• 4.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率控制的硬件實現(xiàn)51-58
• 4.1.1 對采樣偏移誤差的校正51-52
• 4.1.2 采樣頻率的控制52-54
• 4.1.3 結(jié)合邏輯分析儀的板級調(diào)試54-56
• 4.1.4 采樣結(jié)果驗證56-58
• 4.2 輸入數(shù)據(jù)的緩沖模塊58-60
• 4.2.1 FIFO 宏功能模塊的定制58-59
• 4.2.2 輸入數(shù)據(jù)緩沖的實現(xiàn)59-60
• 4.3 聲級計功能的實現(xiàn)60-63
• 4.3.1 聲壓級計算的原理分析60-61
• 4.3.2 聲級計算功能在 FPGA 中的硬件實現(xiàn)61-63
• 4.4 本章小結(jié)63-65
• 第五章 頻譜分析的硬件實現(xiàn)65-81
• 5.1 FFT 加窗函數(shù)設(shè)計65-67
• 5.1.1 DSP 系統(tǒng)設(shè)計方法65
• 5.1.2 FFT 加窗處理的實現(xiàn)65-67
• 5.2 快速傅里葉變換的硬件設(shè)計實現(xiàn)67-79
• 5.2.1 FFT 兆核函數(shù)介紹與引腳功能分析68-69
• 5.2.2 FFT 兆核函數(shù)的調(diào)用69-73
• 5.2.3 快速傅里葉變換的時序仿真73-75
• 5.2.4 快速傅里葉變換的板級功能實現(xiàn)75-79
• 5.3 乒乓操作法實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)緩沖79-80
• 5.4 本章小結(jié)80-81
• 第六章 便攜式聲學分析儀的系統(tǒng)實現(xiàn)81-91
• 6.1 ARM 與 FPGA 的數(shù)據(jù)通信81-82
• 6.2 系統(tǒng)用戶界面的實現(xiàn)82-84
• 6.2.1 觸摸屏與控制器的硬件連接82-83
• 6.2.2 用戶界面的實現(xiàn)83-84
• 6.3 系統(tǒng)的功能實現(xiàn)84-85
• 6.3.1 系統(tǒng)的用戶界面展示與操作說明84
• 6.3.2 系統(tǒng)的波形顯示84-85
• 6.4 便攜式聲學分析儀的實測85-90
• 6.4.1 應(yīng)用便攜式聲學分析儀測量現(xiàn)場數(shù)據(jù)85-87
• 6.4.2 實測數(shù)據(jù)的分析87-90
• 6.5 本章小結(jié)90-91
• 第七章 結(jié)論與展望91-93
• 7.1 結(jié)論91-92
• 7.2 展望92-93
• 參考文獻93-97
• 致謝97-99
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文99

【參考文獻】

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  本文關(guān)鍵詞：便攜式聲學分析儀的研究與實現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：395303