基于DSP的列車應(yīng)變力測試系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：本文介紹了基于TMS320VC33 DSP芯片的應(yīng)變力測試系統(tǒng)的設(shè)計，給出了結(jié)構(gòu)原理框圖，并圍繞DSP設(shè)計了測試系統(tǒng)的中斷、復(fù)位子系統(tǒng)、存儲子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)。同時還對測試系統(tǒng)進行了信號完整性分析。
關(guān)鍵詞：測試系統(tǒng)；DSP；應(yīng)變力；信號完整性

車輪與軌道間的作用力是評價車輛運行品質(zhì)的重要因素，能否準確及時地獲取輪軌間的作用力直接影響著車輛脫軌系數(shù)等參數(shù)的計算。應(yīng)變力測試系統(tǒng)是設(shè)計列車運行狀態(tài)地面安全監(jiān)測平臺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文用DSP芯片開發(fā)的測試系統(tǒng)正是針對這一需要。

測試系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
測試系統(tǒng)以高速、高精度的DSP為核心，構(gòu)成了包括模擬信號預(yù)處理、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的實時信號測試處理系統(tǒng)。其原理框圖如圖1所示。
應(yīng)變傳感器輸出的模擬信號，經(jīng)RC濾波網(wǎng)絡(luò)初步濾去信號中的高頻成分，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，變?yōu)閿?shù)字信號。RC濾波網(wǎng)絡(luò)、A/D轉(zhuǎn)換構(gòu)成了測試系統(tǒng)的前向通道。
中央處理單元以TMS320VC33為主體，該DSP是一款高精度、大容量、寬功率范圍的浮點處理器，具有高度的并行化，以及DMA協(xié)處理器通道。同時，本設(shè)計還在系統(tǒng)中設(shè)置了1個64K×32位的數(shù)據(jù)存儲器和512K×8位的程序存儲器，與DSP共同構(gòu)成了整個系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)。
可編程邏輯(CPLD)是測試系統(tǒng)的硬件控制核心。其主要任務(wù)是控制A/D轉(zhuǎn)換、產(chǎn)生存儲系統(tǒng)的片選信號。
中斷、復(fù)位子系統(tǒng)不僅起到系統(tǒng)復(fù)位的作用，同時還用來確定系統(tǒng)應(yīng)用程序的位置。DSP根據(jù)此系統(tǒng)來裝載應(yīng)用程序并運行。
中斷、復(fù)位
子系統(tǒng)設(shè)計
在本測試系統(tǒng)中，DSP需要單獨地組成一個系統(tǒng)，因而把TMS320VC33設(shè)置為微計算機模式，此時TMS320VC33具有程序引導(dǎo)功能。當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位時，TMS320VC33監(jiān)測4個中斷管腳的狀態(tài)，根據(jù)BootLoader程序定位表來確定用戶程序的地址，然后運行自身的BootLoader程序把用戶程序下載到指定地址空間。實現(xiàn)系統(tǒng)BootLoader的復(fù)位電路如圖2所示。
時鐘電路的設(shè)計
TMS320VC33的時鐘，既可由外部提供，也可由板上的振蕩器來提供，但外部時鐘的精確度高、穩(wěn)定性好、使用方便，因而本設(shè)計中使用了12MHz的外部時鐘CLKMD0 CLKMD1=11的時鐘模式，經(jīng)內(nèi)部5倍頻后，產(chǎn)生60MHz 的系統(tǒng)時鐘。
總線驅(qū)動
由于DSP的地址總線和數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動能力有限，當(dāng)負載較大時，需要用總線驅(qū)動對其負載能力進行擴展，以保證系統(tǒng)能穩(wěn)定工作。本設(shè)計選用了TI公司的寬總線16位雙向總線驅(qū)動器SN74LVTH16245，它具有很高的集成度和性能。
存儲子系統(tǒng)設(shè)計
存儲器接口設(shè)計考慮的主要問題是：如何采用EP2ROM+高速RAM的配置方式來實現(xiàn)存儲子系統(tǒng)。
EP2ROM用來存放測試系統(tǒng)的程序和初始化數(shù)據(jù)，系統(tǒng)加電運行時，TMS320VC33自動將程序和初始化數(shù)據(jù)從低速EP2ROM裝載到高速RAM中。裝載完畢后，程序在高速RAM中全速運行。系統(tǒng)中存儲器裝載程序和初始化數(shù)據(jù)的EP2ROM起始地址為400000h。同時系統(tǒng)中還擴展了64K高速RAM，起始地址為100000h。此外，片選信號由系統(tǒng)中CPLD來實現(xiàn)。
對于TMS320VC33與EP2ROM的接口，系統(tǒng)采用一片AM29F040 (512K×8)實現(xiàn)了8位數(shù)據(jù)寬度的程序引導(dǎo)。EP2ROM占用的地址空間為400000h~47FFFFh。讀EP2ROM時插入的等待周期由軟件來控制。
TMS320VC33實時運行時的程序和數(shù)據(jù)都存放在快速RAM中，因此快速RAM與TMS320VC33必須實現(xiàn)零等待接口。根據(jù)時序要求，當(dāng)TMS320VC33工作于60MHz時鐘時，快速RAM的存取速度必須小于13ns。本測試系統(tǒng)采用的快速RAM是IS61LV6416-8T，存取速度為8ns。由于這種快速RAM的數(shù)據(jù)寬度是16位，而TMS320VC33的數(shù)據(jù)寬度是32位，因此必須采用兩片構(gòu)成32位數(shù)據(jù)寬度，并令寫使能信號與經(jīng)過譯碼的寫信號相連，輸出使能信號與譯碼后的讀信號相連。測試系統(tǒng)中的快速RAM占用的地址空間為0x100000~0x110000。
通信子系統(tǒng)
在應(yīng)變力測試系統(tǒng)中，為了把TMS320VC33對采樣信號的處理結(jié)果通過串口傳送到PC機顯示或作進一步處理，設(shè)計中采用TI 公司的TL16C550擴展異步通信芯片將DSP與PC機相連，以完成測試系統(tǒng)與PC機之間的通信。
在TL16C550與TMS320VC33的串行通信中，雖然可以通過查詢的方式工作，但這樣會降低系統(tǒng)的性能。本設(shè)計通過TMS320VC33的RXRDY和TXRDY引腳引入外部中斷，從而使系統(tǒng)工作在中斷方式，保證了TMS320VC33與PC機的高速通信。
此外，本測試系統(tǒng)利用TL16C550的串行通信接口與上位PC機完成信息的交換。此時由于RS-232電路電平與TTL電平不同，因此必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，設(shè)計中采用MAX232A來完成這一功能。
可編程邏輯器件—譯碼模塊
測試系統(tǒng)中的譯碼模塊主要用來實現(xiàn)DSP對片外存儲器、I/O設(shè)備進行管理以及根據(jù)DSP提供的地址信號，給外部存儲器、I/O設(shè)備分配不同的地址空間。對于本測試系統(tǒng)而言，編碼方式主要考慮的是TMS320VC33的接口能力問題。TMS320VC33的地址空間總?cè)萘繛?6M，采用統(tǒng)一編址也不會對存儲器容量造成太大的威脅。另外，TMS320VC33沒有專門的I/O指令和I/O端口總線，因而測試系統(tǒng)中采用的是統(tǒng)一編碼方式，并用ABLE語言設(shè)計譯碼電路。

測試系統(tǒng)軟件設(shè)計
測試軟件算法的優(yōu)劣直接關(guān)系著整個測試系統(tǒng)的性能。本測試系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。
測試程序首先進行整個系統(tǒng)的初始化工作。在完成系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)處于查詢狀態(tài)，查詢是否完成新的數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)采樣程序在中斷程序中完成。當(dāng)系統(tǒng)完成一次A/D轉(zhuǎn)換后，向TMS320VC33申請中斷，TMS320VC33響應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)程序中讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果并設(shè)置標志：EXINT=1，通知主程序采樣完成。主程序在查詢到EXINT=1后，對數(shù)據(jù)進行處理，處理結(jié)果通過TMS320VC33的并行口經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換送給PC機的串口，并把標志EXINT設(shè)定為0，開始下一輪采樣等待。

信號完整性分析和
電磁兼容性設(shè)計
考慮到系統(tǒng)運行的環(huán)境比較惡劣，軌道線路的電磁干擾比較強，因此設(shè)計中要考慮信號完整性和電磁兼容性等問題。
表1總結(jié)了高速數(shù)字電路中常見的信號完整性問題與可能的原因和解決方法。
電源EMI是影響系統(tǒng)抗干擾能力的一個主要因素。簡單的方法是在每一個芯片的供電引腳上并聯(lián)一個電容進行電源濾波。影響系統(tǒng)抗干擾能力的另外一個因素是電路板上信號的走線質(zhì)量，應(yīng)盡量減少印制導(dǎo)線的電感量，導(dǎo)線盡量短而粗。同時要注意抑制印制板導(dǎo)線之間的串?dāng)_和避免高頻信號通過印制導(dǎo)線時產(chǎn)生的電磁輻射，此外，還要注意合理地安排電源地等。

結(jié)語
本文提出并設(shè)計的以DSP為核心的列車應(yīng)變力測試系統(tǒng)，有效地解決了實際工程應(yīng)用中的技術(shù)問題，并就測試系統(tǒng)的信號完整性分析和抗電磁干擾能力進行了考慮。從而為數(shù)據(jù)采集與處理領(lǐng)域提供了一個良好的參考方案