基于雙DSP及VI技術(shù)的無線測控系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

現(xiàn)代化的測控系統(tǒng)中，對可靠性、測量精度、速度以及系統(tǒng)設(shè)計的微型化和輕型化的要求愈來愈高，傳統(tǒng)的模擬式測量儀表已很難滿足這些要求，必須實現(xiàn)參數(shù)采集系統(tǒng)以及整個系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化。隨著計算機(jī)技術(shù)和虛擬儀器(VIrtual Instrument，VI)技術(shù)的發(fā)展，用戶只能使用制造商提供的儀器功能的傳統(tǒng)觀念正在改變。基于Web的虛擬儀器就是虛擬儀器技術(shù)的延伸與擴(kuò)展。把DSP技術(shù)應(yīng)用到虛擬儀器中將彌補(bǔ)虛擬儀器與傳統(tǒng)硬件儀器在實時性與精確性方面的差距。

同時，為了提高測控系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)處理速度及效率，將雙DSP引入測控系統(tǒng)，提出并行FFT算法，并對其運(yùn)算效率進(jìn)行了分析。

在有線通信系統(tǒng)中，不論是基于RS 232／RS 485，還是基于現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，其潛在的缺陷是必須進(jìn)行布線工作和通信線路的維護(hù)，通信線路容易損壞工程周期的增長，而且在電磁干擾(EMI)嚴(yán)重的工業(yè)環(huán)境中，將會不可避免地造成傳輸數(shù)據(jù)的丟失和錯誤。在此種情況下，采取通過無線鏈路進(jìn)行通信的系統(tǒng)，因其高頻部分超出了EMI的頻率范圍，故能有效地解決上述難題。

將基于Web的VI技術(shù)與DSP測試及無線通信理論和ODBC數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的新型測控系統(tǒng)在工業(yè)測控領(lǐng)域必將有著強(qiáng)大的生命力，對其關(guān)鍵技術(shù)的研究具有重要的意義。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，雙DSP作為下位機(jī)實現(xiàn)雙余度A／D采樣轉(zhuǎn)換，并可提高數(shù)據(jù)處理效率。通過RS 485通信接口標(biāo)準(zhǔn)以無線通信方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)基于VI技術(shù)和可編程數(shù)據(jù)庫SQL Server技術(shù)，實現(xiàn)信號的進(jìn)一步分析處理或故障診斷、控制功能等，并可進(jìn)一步擴(kuò)展測控系統(tǒng)，將虛擬儀器技術(shù)和面向Internet的Web技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，可以滿足監(jiān)測系統(tǒng)的互聯(lián)和資源共享的需求。

2 系統(tǒng)硬件測試關(guān)鍵技術(shù)

2．1 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)下位機(jī)中的一個DSP用于實現(xiàn)A／D采樣，其無線通信的硬件電路如圖2所示。微處理器TMS320LF2407A芯片用于完成現(xiàn)場多傳感器信號采集及A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的初步處理及與上位機(jī)通信的功能。MAX485芯片完成TTL電平向RS 485電平的轉(zhuǎn)換，而后送到無線數(shù)傳設(shè)備SRWF-1進(jìn)行調(diào)制發(fā)射。上位機(jī)通信電路圖如圖3所示，通過SRWF-1可直接與RS 232串口連接，根據(jù)約定協(xié)議接收及發(fā)送數(shù)據(jù)。

2．2 DSP的A／D及SCI接口無線通信設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

在無線通信設(shè)計中，考慮現(xiàn)場一般的工業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)及要求和RS 485特點，采取基于RS 485無線通信的方案。

因DSP的SCI端口輸出的是TTL電平，與RS 485電平不匹配，因此選擇MAX485芯片將DSP的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS 485電平。MAX485是用于RS485通信的低功耗收發(fā)器。如圖2所示，其引腳1，2，3，4分別為RO，，DE，DI。R0為接收器輸出；為接收器輸出使能；DE為驅(qū)動器輸出使能；DI為驅(qū)動器輸入。DI和RO分別接DSP的SCITXD和SCIRXD引腳，通過DSP的I／O端口來使能RO和DI。無線通信模塊選擇SRWF-1可提供ISM頻段的工作頻率，無需申請頻點，且基于FSK調(diào)制，采用高效無線通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)配置可提供8個信道。提供2個串口，3種接口方式，支持有無校驗兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在軟件設(shè)計時的初始化及主程序中，需對SRWF-1的SLEEP，RESET和MAX485的和DE引腳進(jìn)行相應(yīng)配置，控制引腳電平，消除系統(tǒng)中發(fā)送部分存在的總線懸浮現(xiàn)象，控制數(shù)傳模塊的工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)包括對下位機(jī)DSP的A／D采樣和無線串口通信協(xié)議的制定；虛擬儀器與SQL Server數(shù)據(jù)庫的接口設(shè)計和基于Web的虛擬儀器的實現(xiàn)。

3．1 通信協(xié)議

在無線發(fā)送和接收通信中，通信協(xié)議是上下位機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確通信的有效保證。在DSP實現(xiàn)的雙余度下位機(jī)和上位機(jī)通信中，如何根據(jù)下位機(jī)所設(shè)置波特率設(shè)定數(shù)據(jù)幀傳輸格式，上位機(jī)如何識別信息來源，如何控制雙DSP及根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換精度如何正確傳輸數(shù)據(jù)，這些是要解決的關(guān)鍵問題。

雙DSP采用并行工作模式，定義一DSP的ID為00，另一DSP的ID為01，定義每個DSP的通道ID為0000～1111，又由于TMS320LF2407系列DSP的A／D轉(zhuǎn)換精度為10位，因此定義通信協(xié)議如下：

每個A／D轉(zhuǎn)換的采樣數(shù)據(jù)由兩個數(shù)據(jù)幀發(fā)送，這樣具有ID號的數(shù)據(jù)被上位機(jī)接收后即可判別數(shù)據(jù)來自于哪個DSP的哪個通道。同樣，上位機(jī)控制DSP的控制信號也通過ID號反饋到下位機(jī)中需要控制的DSP。

3．2 DSP軟件設(shè)計

DSP2407包括串行通信(SCI)模塊，支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間數(shù)據(jù)通信。SCI模塊有兩個外部引腳，即發(fā)送數(shù)據(jù)引腳SCITXD和接收數(shù)據(jù)引腳SCIRXD。通過一個16位的波特率選擇寄存器(SCIHBAUD和SCILBAUD)可設(shè)置串口通信波特率。

SCI異步波特率=SYSCLK／[(BRR+1)×8]，DSP系統(tǒng)時鐘為20 MHz，若希望設(shè)置波特率為9 600 b／s，則BRR=20×106／(9 600×8)-1=259 ≈103H，所以SClHBAUD與SCILBAUD寄存器分別寫入01H與03H。

基于DSP功能模塊化的特點，其程序中有關(guān)串行通信的是：初始化設(shè)置時鐘源模塊，得到所需的CPU-CLK和SYSCLK；設(shè)置SCI模塊，初始化各SCI控制寄存器；編寫串行通信中斷服務(wù)子程序，即可完成DSP與PC之間的串行通信。其中，時鐘源設(shè)置和SCI控制寄存器設(shè)置都在主程序的初始化部分完成。SCI中斷服務(wù)子程序流程圖如圖4所示。

3．3 上位機(jī)軟件設(shè)計

3．3．1 LabVIEW與數(shù)據(jù)庫接口的設(shè)計

以數(shù)據(jù)庫為中心，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)庫的虛擬儀器系統(tǒng)已成為現(xiàn)代測試測量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

SQL工具包是利用開放數(shù)據(jù)庫互連(Open Database ConnecTIvity，ODBC)接口訪問數(shù)據(jù)庫的。0DBC是微軟公司開放服務(wù)結(jié)構(gòu)(Windows Open Services Architecture，WOSA)中有關(guān)數(shù)據(jù)庫的一個組成部分，它建立了一組規(guī)范，并提供了一組對數(shù)據(jù)庫訪問的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序編程接口(Application Program InteRFace，API)函數(shù)，這些API函數(shù)利用SQL語言來完成其大部分任務(wù)。利用SQL工具包中的動態(tài)SQL語句執(zhí)行工具，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的訪問。用LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問一般包括7個環(huán)節(jié)，如數(shù)據(jù)庫聯(lián)接、SQL準(zhǔn)備、參數(shù)個數(shù)獲取、參數(shù)類型設(shè)置、SQL語句執(zhí)行、執(zhí)行完畢、斷開聯(lián)接。圖5示出將一個浮點數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫的功能程序，說明了LabVIEW中開發(fā)SQL Server數(shù)據(jù)庫的方法。

3．3．2 基于Web的虛擬儀器軟件技術(shù)

一般解決方法是在客戶端的瀏覽器上運(yùn)行某種插件，如ActiveX或Java的Applet，利用網(wǎng)上傳輸過來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)重現(xiàn)現(xiàn)場的虛擬儀器，這種方法將需要大量的網(wǎng)絡(luò)編程工作量。為此，采用NI的DataSocket技術(shù)解決網(wǎng)絡(luò)編程問題。DataSocket建立在TCP／IP協(xié)議的基礎(chǔ)之上，可以通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)向多個遠(yuǎn)端的終端同時廣播現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

National Instruments DataSocket包括兩個組件DataSocket Server Manager和DataSocket Server。利用DS(DataSocket Server)技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)則必須在發(fā)布數(shù)據(jù)的機(jī)器上打開DataSocket Server，發(fā)布數(shù)據(jù)的程序通過它進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，輸入數(shù)據(jù)的程序找到它接收數(shù)據(jù)。

DS函數(shù)與DS服務(wù)器的通訊采用自己的傳輸協(xié)議DSTP(DataSocket Transfer Protocol)。使用這個協(xié)議時用與WWW瀏覽器相似的統(tǒng)一資源定位符URL(Uniform Resotlrce Loeator)連接數(shù)據(jù)資源，這些數(shù)據(jù)資源可以是位于DS，HTTP和FTP服務(wù)器中的數(shù)據(jù)文件，或是本機(jī)的數(shù)據(jù)文件。

如對圖6所示曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，其DataSocketConnection設(shè)置如圖7所示。

運(yùn)行服務(wù)器程序和客戶端程序可看到，隨著服務(wù)器波形數(shù)據(jù)的變化，客戶端界面的波形數(shù)據(jù)也隨之變化。同樣地將客戶端的控制按鈕值賦予服務(wù)器的控制按鈕，則可以控制服務(wù)器采集工作的進(jìn)行。圖8即為圖6數(shù)據(jù)曲線在遠(yuǎn)程瀏覽器上顯示的結(jié)果。

利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地理位置的虛擬測量分析儀器相聯(lián)系，使測量、分析數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資，提高了效率。重要的數(shù)據(jù)實行多機(jī)備份，提高了系統(tǒng)的可靠性。

4 雙DSP的FFT并行算法

在數(shù)字信號處理領(lǐng)域中，高效的時一頻域變換關(guān)鍵是快速傅里葉算法(FFT算法)。FFT算法是進(jìn)行高速卷積、數(shù)字濾波、相關(guān)處理、功率譜運(yùn)算的核心算法，許多復(fù)雜算法都基于FFT算法。盡管現(xiàn)代的DSP處理器的核心運(yùn)算單元支持單周期的乘加運(yùn)算，可以快速實現(xiàn)FFT運(yùn)算，但在許多實時性要求高，精度高，運(yùn)算數(shù)據(jù)長度長的應(yīng)用場合，單個DSP處理器己經(jīng)不能滿足要求，因此根據(jù)需要提出采用兩個DSP進(jìn)行并行FFT運(yùn)算。

一維離散時間序列的傅里葉變換為：

式中：yk，xk均屬長度為N的復(fù)雜序列；為旋轉(zhuǎn)因子。如果進(jìn)行直接運(yùn)算，運(yùn)算量為0(N2)，任務(wù)量非常繁重。

FFT算法大大減小了離散傅里葉變換的運(yùn)算量，如基2FFT算法，運(yùn)算分log2N=n步完成，每個運(yùn)算步進(jìn)行N／2個蝶形運(yùn)算，則運(yùn)算量降低為O(nN／2)。

當(dāng)在單個處理器上進(jìn)行FFT運(yùn)算時，設(shè)每個蝶形運(yùn)算的時間為tcomp，則N長度FFT運(yùn)算的時間為：

當(dāng)在2個處理器上進(jìn)行并行FFT運(yùn)算，采用循環(huán)分配方式把N個數(shù)據(jù)分配到這兩個處理器上，即先把2個數(shù)據(jù)依次分配給2個處理器；然后再將接下來的2個數(shù)據(jù)依次分配給2個處理器，…，依次下去，直至數(shù)據(jù)分配完畢為止，則第i個處理器上分配到的數(shù)據(jù)為2i處理器存放的數(shù)據(jù)x(i+2r)(r=O，1，…，N／2-1；i=0，1)。在這種分配模式下，前l(fā)og2(N／2)=n-m個運(yùn)算僅要求局部數(shù)據(jù)，而后m個運(yùn)算步要求訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，共要進(jìn)行m次處理器間的數(shù)據(jù)通訊，且后m個運(yùn)算步的通訊距離不一。每次數(shù)據(jù)互換的內(nèi)容是一個處理器的偶數(shù)序數(shù)據(jù)與另一個處理器的奇數(shù)序數(shù)據(jù)進(jìn)行互換，數(shù)據(jù)通訊量為N／4。若處理器間具有雙向的全連接網(wǎng)絡(luò)，而且每個處理器上有足夠的存儲空間，允許后m個運(yùn)算步的數(shù)據(jù)交換同時進(jìn)行。兩個處理器進(jìn)行直接數(shù)據(jù)傳輸時，傳輸單位數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時間為tcomp，每步數(shù)據(jù)交換要花費(fèi)的時間為(N／4)tcomp。FFT并行運(yùn)算的運(yùn)行時間為：

5 結(jié)語

針對工業(yè)測控的現(xiàn)狀和需求，提出新型測控方案，并對其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究和開發(fā)。采用雙DSP工作模式，實現(xiàn)雙余度數(shù)據(jù)采集及處理，提出雙DSF，并行FFT算法，并對其運(yùn)算效率進(jìn)行了分析。利用RS 485無線通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制信號的發(fā)送、接收。在上位機(jī)中用LabVIEW開發(fā)平臺實現(xiàn)信號的接收與發(fā)送，在平臺之上開發(fā)ODBC數(shù)據(jù)庫接口，還可進(jìn)一步建立專家知識庫，開發(fā)故障診斷專家系統(tǒng)等。同時將虛擬儀器技術(shù)和面向Internet的Web技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，利用有效的網(wǎng)絡(luò)資源與技術(shù)，滿足監(jiān)測系統(tǒng)的互聯(lián)和資源共享的需求。