基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

0 引言
    現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，朝著大型化、高速化、自動(dòng)化和連續(xù)化的方向發(fā)展。因此對(duì)機(jī)械設(shè)備性能的要求也越來越高。很多大型石油、化工、石化、電力、鋼鐵等部門都采用了單機(jī)、滿負(fù)荷、連續(xù)性的生產(chǎn)操作方式，其中的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械就成為了現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備。一旦出現(xiàn)停機(jī)故障，將導(dǎo)致全廠的停產(chǎn)，其經(jīng)濟(jì)損失是十分巨大的。同時(shí)還有可能招致重大的傷亡事故。由此，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。而如何獲得大量而廣泛的狀態(tài)量(振動(dòng)、力、位移、噪聲、溫度、壓力和流量等)是其中的關(guān)鍵。本文介紹的基于TMS320F2812的多功能同步數(shù)據(jù)采集卡，利用卡上的DSP控制芯片不僅可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的采集，還可以對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)處理，大大地提升了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

1 TMS320F2812體系結(jié)構(gòu)
    TMS320F2812是TMS320C28X系列芯片中性能最好的一種，最高頻率為150MHz，處理速度可達(dá)150MIPS，指令周期為6．67ns。
    同TMS320C2000TM平臺(tái)中前代產(chǎn)品相比，F(xiàn)2812的程序總線包括22位的地址總線和32位的數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線包括32位的地址總線和32位的數(shù)據(jù)總線。較之C24X／C240X的16位地址總線，F(xiàn)2812大幅提高了可尋址范圍。同時(shí)，32位的數(shù)據(jù)總線可以實(shí)現(xiàn)單周期的32位指令。其片內(nèi)的32×32位MAC具有處理64位數(shù)的能力，可用于處理高精度的數(shù)字運(yùn)算，完全可以替代其它更貴的浮點(diǎn)數(shù)處理器。在振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析中，這種優(yōu)勢就更為明顯了。在中斷響應(yīng)方面，F(xiàn)2812自動(dòng)保存上下文的功能加快了中斷響應(yīng)速度，用戶可以在更短的時(shí)限內(nèi)完成更多的異步事件，這在多路信號(hào)采集系統(tǒng)中大幅提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
    在外設(shè)方面，F(xiàn)2812也有不少新特點(diǎn)。除了保留前代產(chǎn)品的4個(gè)16位通用定時(shí)器以外，F(xiàn)2812又增加了3個(gè)32位的定時(shí)器?？筛奖愕貙?shí)現(xiàn)大范圍轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集，以及提供更為靈活的數(shù)據(jù)采樣模式。F2812內(nèi)部擁一個(gè)12位的增強(qiáng)型A／D轉(zhuǎn)換器，其A／D轉(zhuǎn)換速率高達(dá)80ns。而其中的兩個(gè)獨(dú)立的8路模擬開關(guān)給用戶提供了同時(shí)采集不同種類信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法。在片內(nèi)存儲(chǔ)器方面，F(xiàn)2812包括128K字的FLASHMEMORY、1K字的0TPMEMORY和18K字的片上RAM和4K字的BOOT ROM。豐富的片上存儲(chǔ)資源可滿足用戶處理大量數(shù)據(jù)的需求。在安全方面，F(xiàn)2812采用128位的密碼來保護(hù)用戶的程序。

2 數(shù)據(jù)采集卡的硬件實(shí)現(xiàn)
    數(shù)據(jù)采集卡的硬件實(shí)現(xiàn)利用F2182的眾多新特性，數(shù)據(jù)采集卡可以處理：16路異步或同步模擬信號(hào)、16路數(shù)字信號(hào)、6路轉(zhuǎn)速信號(hào)。采用PCI接口與上位機(jī)相連。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集的實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場中旋轉(zhuǎn)機(jī)械的實(shí)際情況，數(shù)據(jù)采集卡采集的轉(zhuǎn)速范圍一般為30～18000r／min(周期范圍為33ms～2s)。如此大的轉(zhuǎn)速范圍對(duì)定時(shí)器的計(jì)數(shù)脈沖和計(jì)數(shù)位數(shù)都提出了要求。若定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖過大，則分辨率降低；但是如果計(jì)數(shù)脈沖太小，則需要計(jì)數(shù)器的位數(shù)足夠大。
    C2000TM系列的前代產(chǎn)品內(nèi)置16位定時(shí)器很難滿足要求，一般常用多個(gè)定時(shí)器級(jí)連來達(dá)到要求，而F2812新增的3個(gè)32位定時(shí)器則彌補(bǔ)了前系列DSP產(chǎn)品的不足。
    F2812的事件管理模塊EV共有6個(gè)捕獲單元，每個(gè)單元的施密特觸發(fā)器可以捕獲到相關(guān)引腳的跳變。可監(jiān)測的跳變可以是上升沿、下降沿或者兩者都監(jiān)測。利用捕獲單元的中斷功能和定時(shí)器就可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速周期的測量，并且為轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測試提供采樣的基頻。其測量流程如圖2。

[!--empirenews.page--]

2．2 模擬信號(hào)采集的實(shí)現(xiàn)
    TMS320F2812芯片中集成了一個(gè)偽雙12位A／D轉(zhuǎn)換器模塊。該模塊內(nèi)部實(shí)際上只有一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，在內(nèi)部邏輯的控制下它可以很快的速度連續(xù)采樣轉(zhuǎn)換兩次，相當(dāng)于兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。用戶可以同時(shí)啟動(dòng)這兩個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，也可以啟動(dòng)某個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，讓它連續(xù)采樣兩次。
    同傳統(tǒng)A／D相比，嵌入式A／D具有如下的特點(diǎn)：在A／D模塊的硬件資源配置好了之后，用戶可以用軟件指令隨時(shí)啟動(dòng)A／D采樣，并獲得A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。同傳統(tǒng)A／D不同的是，采集功能單元的硬件資源配置還有一部分是通過軟件完成的。
    利用F2812內(nèi)部增強(qiáng)型A／D可以在一塊采集卡上實(shí)現(xiàn)對(duì)同步、異步模擬信號(hào)的采集和A／D轉(zhuǎn)換。其示意圖如圖4所示。

    在F2812片內(nèi)有兩個(gè)獨(dú)立的8路模擬開關(guān)，既可以單獨(dú)使用也能級(jí)連使用。如圖4所示同步信號(hào)送入ADCINA模塊，其它信號(hào)直接送入ADCINB模塊，然后由DSP內(nèi)部的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。用戶還可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)外部采樣電路進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同的要求。
    運(yùn)用TMS320F2812片內(nèi)集成的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。程序首先對(duì)A／D進(jìn)行初始化，當(dāng)A／D非常忙時(shí)，啟動(dòng)16個(gè)A／D通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，主程序進(jìn)入死循環(huán)；當(dāng)A／D正常轉(zhuǎn)換完畢后，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。中斷服務(wù)程序?qū)?6個(gè)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入數(shù)組al[16]中，并再次啟動(dòng)16個(gè)A／D通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如此循環(huán)往復(fù)。程序設(shè)計(jì)使用C++語言編寫源程序。A／D初始化子程序框圖如圖6所示。中斷服務(wù)子程序流程如圖7所示。

[!--empirenews.page--]

2．3 數(shù)字信號(hào)采集的實(shí)現(xiàn)
    數(shù)字信號(hào)可以利用F2812的數(shù)字I／0直接獲得。F2812共有多達(dá)56個(gè)I／0共享引腳。多數(shù)I／0既可以作為普通的I／0引腳，也可以作為其它功能引腳。通過對(duì)I／0控制寄存器編程可以指定這些共享引腳是I／0還是其它功能引腳。當(dāng)引腳為I／0時(shí)，讀出I／0模塊的數(shù)據(jù)和方向寄存器相應(yīng)位的結(jié)果就可以得到所測數(shù)字信號(hào)的值了。如果讀出的結(jié)果為0，則相應(yīng)引腳為低電平；結(jié)果為l，則相應(yīng)引腳為高電平。

3 數(shù)據(jù)采集卡的軟件模塊
    數(shù)據(jù)采集卡上的軟件主要分為系統(tǒng)配置、轉(zhuǎn)速采集、模擬信號(hào)采集轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和上位通信等模塊。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需求進(jìn)行配置。

4 結(jié)束語
    該開發(fā)平臺(tái)運(yùn)用于石油化工領(lǐng)域內(nèi)的煙氣輪機(jī)振動(dòng)故障檢測中流量、溫度、壓力、密封差壓、各點(diǎn)振動(dòng)位移、催化劑含塵量等參數(shù)的模擬數(shù)據(jù)采集，通過分析可以看出因?yàn)門MS320F2812芯片內(nèi)包含了A／D和SRAM，SRAM代替了價(jià)格昂貴的FIFO，所以這種采集方法可以大大提高采樣速度和精度，并且可以降低硬件設(shè)計(jì)的成本和時(shí)間，為下一步基于DSP實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理和分析設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。