基于DSP芯片和以太網控制器實現風力發(fā)電機檢測分析系統(tǒng)的設計

風力發(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。風力發(fā)電機作為風力放電場的關鍵設備，受惡劣的工作環(huán)境、復雜的受力情況等的影響，其故障診斷也越來越重要。

本文設計并實現了一種采用美國德州儀器公司（TI）的32位浮點芯片TMSF320F28335（簡稱F28335）為總控芯片，并具很強的遠程檢測和分析性能的風力發(fā)電機檢測分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠脫離主機獨立運行，充分利用了F28335豐富的外設模塊以及采用專用以太網控制芯片RTL8019AS實現多種通信功能。以太網控制器RTL-8019AS具有8/16位總線模式，集成了IEEE802.3協議標準的介質訪問控制子層（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位浮點處理單元，有豐富的外設資源，包括串行外設接口SPI、串口通信接口SCI、CAN總線控制器、ADC轉換、捕捉單元CAP、多通道緩沖串行口McBSP，6個DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多達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DSP芯片，使用浮點運算芯片可以更加快速地編寫控制算法而無需在處理小數操作上耗費過多的時間和精力。

1 、系統(tǒng)硬件結構

本系統(tǒng)充分利用了F28335的外設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行預處理。將電壓范圍調節(jié)到DSP可接受的范圍后進入系統(tǒng)，在系統(tǒng)內部實現數字濾波、快速傅里葉變換等，最后通過多種通信方式與上位機進行數據傳輸。

2 、主程序結構框架

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器設置采樣時間間隔，當定時器中的值等于0時，通過中斷對模擬信號進行采樣并進行存儲，之后對采集的數據進行特征量提取，并對其進行分析，經由通信方式傳送給上位機實現故障識別，系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

3 、模擬量的采集

F28335有一個12位模/數轉換模塊，該模塊有16個通道，可配置為2個獨立的8通道模塊，分別服務于事件管理器A和B。兩個獨立的8通道模塊也可以級聯構成一個16通道模塊。兩個8通道模塊能夠自動排序，每個模塊可以通過多路選擇器（MUX）選擇8通道中的任何一個通道。在級聯模式下，自動排序器將變成16通道。對于每個通信通道而言，一旦ADC轉換完成，將會把轉換結果存儲到結果寄存器（ADCRESUILT）中。自動排序器允許對同一個通道進行多次采樣［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過模擬量輸入接口電路將相應的電壓值調整到允許范圍以內。電壓轉換電路如圖3所示，電流轉換電路如圖4所示。

在ADC模塊中，ADC的轉換結果的數字表示量為：

外部輸入為20 Hz、50 Hz、100 Hz正弦波信號組成的混頻信號，采樣頻率設定為1 000 Hz，模擬信號接口電路電平轉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）設計。該工具是Matlab信號處理工具箱專用的濾波器設計與分析工具。它通過指定濾波器的性能指標來快速設計FIR或者IIR濾波器。利用FDATool設定好參數生成濾波器，通過打開Target→Generate C header菜單欄將濾波器系數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據格式應該為單精度浮點型。把該頭文件添加到相應的CCS工程文件中，根據實際需要可以添加多個濾波器有效系數頭文件到工程文件中，程序根據實際情況及采樣頻率選擇不同的濾波器［4］。圖6為原始數據經過采樣頻率為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算法為理論依據編寫，鑒于F28335的浮點運算單元，在編寫程序時可以直接使用浮點數據進行運算，相對于定點DSP芯片可移植性更強［5］。圖7為原始采集信號經FFT變換后的頻譜圖，圖8是采樣信號經過截止頻率分別為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據信號經過帶通濾波器后，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

經過相應的數據處理后由F28335根據控制命令和現場實際情況將得出的結論經由通信協議傳輸給上位機，上位機獲得數據并對數據進行存儲和顯示，再次向DSP中寫入控制命令字。

本文主要研究了基于DSP的風力發(fā)電機遠程分析監(jiān)控系統(tǒng)。充分利用F28335的片內資源，能夠對多路數據進行采集，并對采集數據進行處理，將處理數據結果通過通信協議傳送給上位機，實現了風力發(fā)電機的遠程檢測分析。