基于DSP芯片和以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)檢測分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電作為一種綠色能源，因其無污染、可再生、方便而受到人們的重視且得到了迅猛的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力放電場的關(guān)鍵設(shè)備，受惡劣的工作環(huán)境、復(fù)雜的受力情況等的影響，其故障診斷也越來越重要。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種采用美國德州儀器公司（TI）的32位浮點(diǎn)芯片TMSF320F28335（簡稱F28335）為總控芯片，并具很強(qiáng)的遠(yuǎn)程檢測和分析性能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)檢測分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠脫離主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，充分利用了F28335豐富的外設(shè)模塊以及采用專用以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS實(shí)現(xiàn)多種通信功能。以太網(wǎng)控制器RTL-8019AS具有8/16位總線模式，集成了IEEE802.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)訪問控制子層（MAC）和物理層的性能，能夠簡單地解答即插即用NE2000兼容適配器。F28335具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，有豐富的外設(shè)資源，包括串行外設(shè)接口SPI、串口通信接口SCI、CAN總線控制器、ADC轉(zhuǎn)換、捕捉單元CAP、多通道緩沖串行口McBSP，6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM）。相對于其他定點(diǎn)DSP芯片，使用浮點(diǎn)運(yùn)算芯片可以更加快速地編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過多的時(shí)間和精力。

1 、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)充分利用了F28335的外設(shè)模塊以及外圍接口電路搭建硬件。外圍接口電路主要包括模擬量輸入接口電路、數(shù)字量輸入輸出接口電路、SCI通信電路、CAN通信電路和以RTL8019AS為核心的以太網(wǎng)通信電路，系統(tǒng)框架如圖1所示。

系統(tǒng)首先對模擬量輸入進(jìn)行預(yù)處理。將電壓范圍調(diào)節(jié)到DSP可接受的范圍后進(jìn)入系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、快速傅里葉變換等，最后通過多種通信方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 、主程序結(jié)構(gòu)框架

本系統(tǒng)采用的通信方式為發(fā)送采用發(fā)送模式，接收采用中斷模式。模擬量的采集則通過定時(shí)器設(shè)置采樣時(shí)間間隔，當(dāng)定時(shí)器中的值等于0時(shí)，通過中斷對模擬信號進(jìn)行采樣并進(jìn)行存儲，之后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征量提取，并對其進(jìn)行分析，經(jīng)由通信方式傳送給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)故障識別，系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

3 、模擬量的采集

F28335有一個(gè)12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，該模塊有16個(gè)通道，可配置為2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器A和B。兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊也可以級聯(lián)構(gòu)成一個(gè)16通道模塊。兩個(gè)8通道模塊能夠自動(dòng)排序，每個(gè)模塊可以通過多路選擇器（MUX）選擇8通道中的任何一個(gè)通道。在級聯(lián)模式下，自動(dòng)排序器將變成16通道。對于每個(gè)通信通道而言，一旦ADC轉(zhuǎn)換完成，將會把轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲到結(jié)果寄存器（ADCRESUILT）中。自動(dòng)排序器允許對同一個(gè)通道進(jìn)行多次采樣［2］。由于ADC模塊的模擬輸入電壓范圍是0～3 V，因此原始信號必須經(jīng)過模擬量輸入接口電路將相應(yīng)的電壓值調(diào)整到允許范圍以內(nèi)。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，電流轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

在ADC模塊中，ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字表示量為：

外部輸入為20 Hz、50 Hz、100 Hz正弦波信號組成的混頻信號，采樣頻率設(shè)定為1 000 Hz，模擬信號接口電路電平轉(zhuǎn)換采樣后的波形如圖5所示。

4、 FIR濾波器

本系統(tǒng)濾波器使用Matlab中的FDATool（Filter Design ＆ Analysis Tool）設(shè)計(jì)。該工具是Matlab信號處理工具箱專用的濾波器設(shè)計(jì)與分析工具。它通過指定濾波器的性能指標(biāo)來快速設(shè)計(jì)FIR或者IIR濾波器。利用FDATool設(shè)定好參數(shù)生成濾波器，通過打開Target→Generate C header菜單欄將濾波器系數(shù)保存在指定文件夾的頭文件fdacoefs.h中［3］。值得注意的是，在生成頭文件的過程中選擇的數(shù)據(jù)格式應(yīng)該為單精度浮點(diǎn)型。把該頭文件添加到相應(yīng)的CCS工程文件中，根據(jù)實(shí)際需要可以添加多個(gè)濾波器有效系數(shù)頭文件到工程文件中，程序根據(jù)實(shí)際情況及采樣頻率選擇不同的濾波器［4］。圖6為原始數(shù)據(jù)經(jīng)過采樣頻率為1 000 Hz、截止頻率分別為35 Hz和70 Hz的帶通濾波器后的輸出波形。

5 、FFT變換

本系統(tǒng)采用的FFT變換以基2 FFT算法為理論依據(jù)編寫，鑒于F28335的浮點(diǎn)運(yùn)算單元，在編寫程序時(shí)可以直接使用浮點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，相對于定點(diǎn)DSP芯片可移植性更強(qiáng)［5］。圖7為原始采集信號經(jīng)FFT變換后的頻譜圖，圖8是采樣信號經(jīng)過截止頻率分別為35 Hz和70 Hz的帶通濾波器濾波后的波形頻域圖。

從圖中可以看出原始數(shù)據(jù)信號經(jīng)過帶通濾波器后，其中20 Hz和100 Hz頻率分量被濾除，只剩下50 Hz的頻率分量。

6 、通信傳輸

經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后由F28335根據(jù)控制命令和現(xiàn)場實(shí)際情況將得出的結(jié)論經(jīng)由通信協(xié)議傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)獲得數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示，再次向DSP中寫入控制命令字。

本文主要研究了基于DSP的風(fēng)力發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程分析監(jiān)控系統(tǒng)。充分利用F28335的片內(nèi)資源，能夠?qū)Χ嗦窋?shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理數(shù)據(jù)結(jié)果通過通信協(xié)議傳送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的遠(yuǎn)程檢測分析。