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工程爆破振动信号的传输与处理技术研究

作　者: 吴敬飞
导　师: 魏彪
学　校: 重庆大学
专　业: 光学工程
关键词: 岩石爆破振动检测系统 SOPC FFT 参数设置
分类号: TB41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着我国国民经济持续、快速的发展，工程爆破和爆破试验将越来越多应用于我国城市基础设施建设之中。鉴于工程爆破会产生的一系列的爆破危害，如爆破振动对周围建筑物造成的损害，结构损伤、变形与失稳等等，此将严重威胁建筑物和居民的安全。因此，在工程爆破时，利用工程爆破振动检测仪器以监测、评估爆破振动所产生的危害，就显得十分迫切与重要。然而，目前国内工程爆破振动监测仪的弊端是功能简单、价格昂贵等，不能满足现代岩石爆破振动监测的需要。随着科技的进步，FPGA芯片的出现，将SOPC技术应用到工程爆破监测系统中，进行岩石爆破信号的传输与处理技术的研究而成为现实。SOPC技术是近年来随着半导体技术和微电子技术的发展而出现的新技术，它以NiosⅡ软核处理器为核心，集系统软件、嵌入式硬件于一体，将是微电子领域IP设计的发展方向。本论文的研究工作是把SOPC技术应用到工程爆破领域，这主要源于：一是NiosⅡ软核系统是可以配置的，这为工程爆破监测系统添加无线传输模块提供了极大的方便；二是SOPC技术在FPGA内部实现NiosⅡ微处理器，使得它不仅拥有微处理器的良好的控制特性，还具备可编程逻辑器件的快速逻辑；三是SOPC系统提供的大量的IP核（软核、硬核等），可使系统设计周期大大缩短。因此，本系统基于SOPC系统平台，其内部嵌入NiosⅡ处理器以及各类外设接口PIO；软件系统的设计以NiosⅡ IDE为集成开发环境、各个组件为基础提供相应驱动及应用程序；硬件系统以NiosⅡ处理器为核心，再添加相应的IP核及扩展PIO口。本论文主要研究的内容是岩石爆破振动监测系统的爆破振动信号的采集控制、数据处理以及频谱信息在液晶上的显示。系统的主要工作流程是：当按键启动采集爆破信号以后，传感器开始采集爆破振动信号，A/D转换器将前端模拟电路调理后的爆破振动信号转换的一组16位二进制数，串行传到FPGA内部，一旦爆破振动信号的振速达到触发条件，FPGA开始存储AD转换的数据至外部的Flash存储器中，然后通过添加浮点专用指令的NiosⅡ处理器中，用FFT算法对存储到Flash中的数据进行处理，在液晶上显示出频谱图等，液晶采用LCD12864显示器，而且可以由NiosⅡ处理器通过液晶菜单控制外围电路参数的设置，例如采样频率、触发电平和通道耦合等等，以适应不同的使用环境。本文完成了岩石爆破振动信号的传输和使用SOPC对数据进行FFT算法分析，并将分析频谱显示在液晶上。同时，实现了使用NiosⅡ处理器对工程爆破采集参数的设置；通过QuartusⅡ9.0中的SOPC Builder对SOPC进行配置，并在NiosⅡ9.0IDE编程和对系统进行优化，在DE2多媒体平台上进行调试，取得了预期的成果。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-11
  1.1 爆破振动监测的国内外研究现状  9-10
  1.2 研究目的及意义  10
  1.3 课题主要的研究内容  10-11
2 FPGA 和 SOPC 系统及其组件  11-25
  2.1 FPGA 技术原理  11-15
    2.1.1 可编程逻辑器件概述  11-12
    2.1.2 Verilog HDL 语言  12
    2.1.3 FPGA/CPLD 的设计流程  12-15
    2.1.4 FPGA 的开发环境 QuartusⅡ9.0  15
  2.2 SOPC 及其技术  15-17
  2.3 NiosⅡ 软核处理器系统  17-19
  2.4 NiosⅡ 处理器的内部寄存器  19-21
    2.4.1 内部通用寄存器  19-20
    2.4.2 控制寄存器  20-21
  2.5 NiosⅡ 处理器的异常处理  21-23
  2.6 基于 NiosⅡ 处理器的 SOPC 系统开发流程  23-24
  2.7 本章小结  24-25
3 系统总体设计  25-31
  3.1 系统的硬件框图  25-26
  3.2 FPGA 芯片的选型和依据  26-29
  3.3 系统的主要技术指标  29
  3.4 系统设计的技术路线  29-30
  3.5 本章小结  30-31
4 系统硬件设计  31-44
  4.1 系统 SOPC 模块  31-33
  4.2 FPGA 配置  33-35
    4.2.1 JTAG 配置模式  33-34
    4.2.2 AS 配置模式  34-35
  4.3 FPGA 外围存储器  35-39
    4.3.1 FLASH 存储器  35-38
    4.3.2 SDRAM 存储器  38-39
  4.4 液晶模块  39-42
    4.4.1 LCD12864 概述  39-41
    4.4.2 LCD 硬件结构  41-42
  4.5 系统按键消抖  42-43
  4.6 本章小结  43-44
5 系统软件设计及整体实现  44-61
  5.1 快速傅里叶变换 FFT  44-48
    5.1.1 快速傅里叶变换的原理  44
    5.1.2 按时间抽选(DIT)的基-2FFT 算法  44-46
    5.1.3 倒位序规律及其实现  46-48
  5.2 FFT 算法在 NiosⅡ 处理器中的实现  48-53
    5.2.1 浮点指令的运用  48-49
    5.2.2 NiosⅡ 软核处理器的配置  49-53
  5.3 CFI 控制器的 C 语言编程函数  53-54
  5.4 系统仿真与调试  54-59
    5.4.1 系统平台  54
    5.4.2 系统 AD 模块仿真  54-55
    5.4.3 系统液晶菜单  55-57
    5.4.4 爆破振动波形仿真及波形频谱分析  57-59
  5.5 本章小结  59-61
6 总结与展望  61-62
致谢  62-63
参考文献  63-64

工程爆破振动信号的传输与处理技术研究

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