（机械电子工程专业论文）基于dsp的实时监测与故障诊断系统的研究与应用.pdf

武汉理工大学硕一 ：学伉论文 摘要 本文在n - - s 碎碾机状态监测及故障诊断系统的工业试验方案的基础上 提出了产品定型的初步方案，采用双c p u 的系统结构，使d s p 芯片承担数 据处理功能，而单片机微控制器用作外设控制和i o 接1 5 1 处理机，实现优势 互补，优化了系统结构，使系统能更好地满足实际工况的需要，并且根据系 统的结构设计了相应的软件，使系统完成n s 碎碾机组实时状态监测的功 能。 首先，在硬件设计方面做出了相应的修改，仍将原系统分为信号采集模 块、信号处理模块、人机交互模块和数据通信模块这样的几部分，但在元件 的选型上根据试验中产生的问题做了改动，特别是改用了1 6 位定点d s p 处 理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 与8 0 c 5 1 的主从系统的设计方案，使t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 与8 0 5 1 充分发挥其性能优势，分别实现系统中的不同功能，c 5 4 0 2 作为数 字信号处理的核心，8 0 c 5 1 则实现系统的i o 控制功能，使双c p u 能发挥 各自的优势，系统能够较好地完成各模块的功能。 其次，在软件编写方面，除了常用的数据通信、人机交互等模块的软件 设计以外，主要是实现信号处理模块的编写，对于a d 采样后的数据，进 行f f t 变换，然后通过i i r 软件滤波器，以及自适应软件滤波器进行噪声滤 波处理，提取其频谱特性。在文中较为详细地介绍了i i r 滤波器理论，自适 应滤波器理论，快速傅立叶变换理论，它们实现的具体算法及其在c 语言 或m a t l a b 中的模拟实现，然后谈到了相关算法在t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 中 实现时应该注意到的有关问题，并将算法的模拟和在d s p 中的实现做了比 较，完成了相关的程序设计。 在本文中还介绍了数字信号处理技术方面的知识和机械故障诊断技术 的发展。 关健词t 碎碾机，状态监测，故障诊断。d s p 亟坚堡三_ 大堂堡主兰堡堡茎 b a t r a o t t h e p a p e rp u t sf o r w a r dp r e l i m i n a r y s c h e m eo f e q u i p m e n tr e g i s t r a t i o no n t h e b a s eo fc o m m e r i c a lt e s ts c h e m eo ft h es t a t u sm o n i t o r i n g & f a u l t sd i a g n o s i so f n sc r a s h g r i n dm a c h i n e i nt h es c h e m ew ea d o p td o u b l ec p u ss y s t e m s t r u c t u r et h ed s pc h i pi su s e dt o p r o c e s s d a t aa n dt h em c ui su s e da s p e r i p h e r a le q u i p m e n t c o n t r o l l e ra n di oi n t e r f a c e p r o c e s s o r t h e s c h e m e o p t i m i z e st h ea r c h i t e c t u r e a n dm a k e st h es y s t e mb e t t e rt o s a t i s f yt h e a c t u a l o p e r a t i o n a n dw ed e s i g nr e l e v a n ts o f t w a r e t oa s s u r er e a lt i m ec o n d i t i o n m o n i t o r i n go f n sc r a s h g r i n dm a c h i n e f i r s t w em a k er e l e v a n ta l t e r a t i o n so nt h eh a r d w a r ed e s i g na i m e da tt h e d e f e c t so fc o m m e r i c a lt e s ts c h e m et h es y s t e mi s y e td i v i d e d i n t o s i g n a l a c q u i s i t i o nm o d u l e ，s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，i n t e r a c t i v em o d u l ea n dd a t a c o m m u n i c a t i o nm o d u l e b u tw em a k ec h a n g eo nt h ec h o i c eo fe l e m e n t e s p e c i a l l yw ea d o p tt h el6 一b i tf i x e dd s pp r o c e s s o rt m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2a n dt h e 8 0 c 51o nt h eh o s t s l a v e s y s t e m s o t h et m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2a n d8 0 5lc a n s u f f i e i e n t l ye x p l o i tt h ep a r t i c u l a ro f e a c h a n da c h i e v et h ed i s t i n c tf u n c t i o n so f t h e s y s t e m ，c 5 4 0 2i su s e d a st h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc o r e ，t h e8 0 c 51i su s e dt o r e a l i z ei oc o n t r 0 1f u n c t i o n s oc p u sc a nb em a d ef u l ju s eo fa d v a n t a g e sa n d s y s t e mc a nb e t t e ra c c o m p l i s hf u n c t i o n so f e v e r y m o d u l e s e c o n d l y , w ec h i e f l ya c c o m p l i s ht h em o d u l eo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g e x c e p tf o rm o d u l e ss u c ha sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n di n t e r a c t i v em o d u l eo n t h ea s p e c to fs o f t w a r ed e s i g n t h ed a t aa f t e ra ds a m p l i n gw i l lb ee x t r a c t e d s p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i cb yt h ef f t t h e ns i g n a lw i l lb ep r o c e s s e db yt h ei i r s o f t w a r ew a v ef i l t e ra n dt h es e l f - a d a p t i v es o f t w a r ew a v ef i l t e rt of i l t e rn o i s e i n t h ep a p e r , t h ei i rw a v ef i l t e r t h e o r y , s e l f - a d a p t i v ef i l t e r i n gt h e o r ya n df a s t f o u r i e r t r a n s f o r m s ( f f t ) t h e o r ya r e d e t a i l e di n t r o d u c e d t h ec o r r e l a t i v e a r i t h m e t i c t h ei m i t a t i o nr e a l i z a t i o ni nt h ec l a n g u a g eo rm a t l a b t h er e l e v a n t p r o b l e m si nt h et m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s pr e a l i z a t i o no fc o r r e l a t i o na l g o r i t h ma n d t h eq u e s t i o n ss h o u l db ep a i da t t e n t i o nt oa r ei n t r o d u c e d w ea l s oc o m p l e t et h e c o n c r e t ea r i t h m e t i cc o m p a r eb e t w e e nd s p p r o g r a ma n di m i t a t i o np r o g r a m t h e k n o w l e d g e o nt h e a s p e c t o fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g a n dt h e d e v e l o p m e n t o nt h em e c h a n i c a lf a i l u r ea r ei n t r o d u c e di nt h ep a d e r k e y w o r d s ：c r a s h - g r i n dm a c h i n e ，t h es t a t u sm o n i t o r i n g ，f a u l t sd i a g n o s i s ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 课题来源及选题目的 1 1 1 课题来源 本课题是国家“九五”攻关项目“水泥厂料层间挤压粉磨技术及成套装 备的研究”( 9 7 5 5 9 0 2 ) 的内容之一。 1 1 2 选题目的和意义 应用在有色金属、黑色金属、水泥、化工、建材及非金属加工业中的破 碎、粉磨设备是矿物原料加工过程中的关键设备，在近代大型选矿厂中，用 于破碎、粉磨设备的生产费用，通常占全部生产费用的4 0 以上，其投资约 为总投资的6 0 左右。针对传统破碎工艺流程中存在的问题，研制新型的破 碎设备，提高磨机处理能力和粉磨效率，简化工艺流程，已成为各国实现节 能、降能目标的研究课题。 总体上传统的破碎设备主要有腭式破碎机、旋回破碎机、圆锥破碎机、 反击式破碎机、辊式破碎机这样几种，各有其优缺点。作为新型破碎、粉磨 设备的一种，北京水泥设计研究院开发研制的碎碾机系统，是由n 机( 预 碎机) 和s 机( 碾磨机) 以及选粉机共同组成的无球高效粉磨系统，其中， n 机是一种立轴打击式细碎机，利用高速旋转的主轴带动锤头在筒壁处撞碎 物料，s 机是利用塔式结构的内腔与转子的相对运动，将n 机中出来的小于 5 m m 的物料研磨至更小粒径的粉体。这套系统简化了流程工艺，降低了单 位能耗，提高了碎碾效率，样机在运行中取得了良好的生产效果，具有良好 的发展前景。 同时由于碎碾机组是最新设备，没有相关经验可以参考，因此在设计中 使用的结构参数不可能十分完善；更何况其采用料床挤压粉碎原理工作，出 现冲击、振动和磨损是十分普遍的现象。在该设备运行的时候，其内部的零 部件受到物料冲刷、切削与机械应力、热应力及振动等多种物理作用，随着 时间的推移，物理损伤的积累将使设备正常运行的技术状态不断发生变化， 武汉理工大学硕士学位论文 随之可能产生异常、故障或劣化状态。伴随着这些作用和变化，又必然会产 生相应的振动、噪声、温度以及磨损碎屑等二次效应。依据这些二次效应的 物理参数，可以定量的掌握碎碾机的运行状态，并进行故障诊断，对异常原 因、部位、危险程度进行识别和评价，确定其改善方法和运行维护技术。 本课题的研究意义就是为了确保碎碾机系统的正常运行，对该系统进行 故障诊断，从而及时、准确地了解碎碾机系统的工作状况，以便对其进行相 应的调试和维修。这对于确定其结构参数的合适与否，帮助分析问题的原因 所在是非常有帮助的。同时还可以实现工程设备的智能化管理，将计算机技 术、信息处理技术应用到水泥制造行业里来，以提高企业的经济效益，降低 工人的劳动强度。 课题研究中的目的主要有以下几点： ( 1 )实现在线监测碎碾机运行状态的功能，能及时地反应碎碾机的工作状 况，并对发生的异常现象做出分析，能够实现一定程度的诊断功能。 ( 2 ) 能够实现碎碾机状态的采集，并对采集数据进行分析，根据分析结果 保证设备的正常运行。 ( 3 ) 能够及时记录异常信号，并能将其与正常信号相比较，实现异常信号 的存储功能，为设备的维护与优化提供进一步的参考数据。 1 2 机械故障诊断技术的发展及现状乜钔旺帕 自二十世纪六十年代英国开始开展机械故障诊断技术活动以来，机械故 障诊断技术已经形成为- - f - 新型的学科机械故障诊断学。这门学科的任 务，主要是从基本理论、物理机制、数学方法、技术手段等方面，研究在有 限信号的条件下，如何判别机械装置的技术状态，作为一门新兴的学科，故 障诊断学尚处于起步发展阶段，从理论研究到技术应用，还有许多问题急需 解决。 从故障诊断技术的起源和发展来看，故障诊断技术的目的是“保证可靠 地、高效地发挥设备应有的功能”，这包括了三点：一是保证设备无故障， 工作可靠；二是保证物尽其用，设备要发挥其最大的效益；三是保证设备在 将有故障或已有故障时，能及时诊断出来，正确地加以维修，以减少维修时 武汉理j 二人学硕士学位论文 问，提高维修质量，节约维修费用，应使重要的设备能按其状态进行维修( 即 视情维修或预情维修) ，改革目前按时维修的体制。 随着超大规模集成电路、微型电子计算机、电一液控制技术的发展，光 一机一电一液一体化技术在工程机械上得到广泛应用，特别是采用电子控制 技术、液压控制技术，使其自动化程度大大提高，从而大大加速了状态监测 和故障诊断技术的发展。在国外，尤其是从美国、日本、德国和法国工程机 械的发展趋势研究表明，除了对工程机械各功能部件进一步完善外，广泛采 用了实时监测系统和电子控制，即采用先进的故障诊断仪器，借助高性能的 传感器检测机械各部位的状态。目前大多数仪器设备都具备了功能全、体积 小、重量轻、携带方便等特点。现在广泛提倡的是采用无损检测仪器实现模 块化和查卡化，各种借助于高速、高容量计算机的无损检测卡( 含有数据采 集和数据处理及接口的插卡) 正在越来越多地被应用到状态监测中来。同时 计算机技术的发展使得在线工况监视技术日益完善，在线工况监视的实现使 得视情维修制度这种科学的维修制度有了技术保障，使得实时诊断成为可 能。由此，故障诊断技术已经发展成为一门建立在故障机理、传感器技术、 信号分析技术、计算机技术及人工智能技术之上的多学科综合性技术。 在故障诊断的应用上，国内也有许多机构也开发了很多成功的在线监测 设备与故障诊断系统，其中比较有名的有北京东方振动和噪声技术研究所， 他们开发的i n v 3 0 3 3 0 6 型智能信号采集和处理分析系统是用通用微机( 台 式、便携式或笔记本式) ，通过“东方科卡”和“d a s p ”( 达世普) 、p d b 等大 型软件实现的“p c 卡泰，_ 微机卡式自动测试分析仪，集数据采集、信号处 理、故障诊断、模态分析、桩基检测、噪声与声强测量、动力有限元计算、 多功能分析于一体，在国内得到了广泛应用。 1 3 本系统监测与诊断的对象与参数选择 1 3 1 监测与诊断对象 本课题的监测对象是由n 机( 预碎机) 和s 机( 碾磨机) 以及选粉机 共同组成的无球商效粉磨系统，属于旋转机械的一种。 武汉理工火学硕士学位论文 1 3 2 参数的选择 1 3 2 1 旋转机械的故障特点分析。” 根据设备运行时各种参数的变化来获得故障信息是广泛应用的一种方 法。因为机械运行时各部件的运动必然会有各种信息，这些信息参数可以是 温度、压力、振动或噪声等，它们都能反映机器的工作状态，在运转的设备 中，振动是最重要的信息来源，在振动信号中包含了各种丰富的故障信息， 任何机器在运转时工作状态发生了变化，必然会从振动信号中反映出来。对 于旋转机械来说，目前国内外应用最普遍的方法是利用振动信号对机器状态 进行判别。从测试手段来看，利用振动信号进行测试也是最方便、实用的， 要利用振动信号来对故障进行判别，首先应从振动信号中提取有用的特征信 号，即利用信号处理技术对振动信号进行处理。目前应用最广泛的处理方法 是进行频谱分析，即从振动信号中的频率成分和分布情况来判断故障。其他 如噪声、温度、压力和变形等参数也是故障信息的重要来源。 碎碾机系统作为旋转机械的一种，其参数与分析也是有其特点的。 旋转机械中的振动可分为两种形式：其一为同步振动，又称强迫振动， 主要由转子的不平衡、联轴器的不对中、安装不良等造成的。另一种振动的 形式是亚同步振动，又称自激振动，其振动频率低于转子的回转频率。由于 这种差异而在转子和定子中产生交变应力，而且这种振动常常在某个转速下 ( 大于临界转速) 突然发生，因而对旋转机械具有极大的危害性。 检测参数有以下几种： 1 一振幅：表征振动的严重程度，可用位移、速度和加速度表示。 2 一振动烈度：近年来国际上已统一使用振动烈度作为描述机器振动状 态的特征量。 3 一相位：它对于确定旋转机械的动态特征、故障特征及转子的动平衡 等具有重要的意义。 4 一轴心位置：指在稳定情况下，轴承对于转轴轴颈中心的位置。在正 常工况下j 转轴在油压、阻尼作用下在一定的位置上浮动。在异常情况下， 由于偏心太大，会发生轴承磨损的故障。 5 一轴向位置 4 武汉理j i ：大学硕士学位论文 6 一差胀 7 一对中度 8 一温度 9 一润滑油压 1 3 2 2 本系统可能产生的典型故障类型 根据样机的运行情况，该碎碾机组的典型故障有以下几种情况： ( 1 ) 喂料量过多或过少 喂料量的多少对磨机的运行状态和产品的质量有很大的影响。喂料量过 大，则磨机的负荷增大，物料的粉碎质量不够好，粉磨效率降低。喂料量过 小则生产能力降低，破坏了原生产线的物流平衡；同时能耗和铁耗也增大。 根据项目合作主体方的专家经验：检测喂料量较为简单的方法就是检测主电 机在正常工作下的电流值( 非启动电流) ，如果电流值大，就说明磨机的负 荷比较大，喂料量过多；如果电流值小，就说明磨机的负荷小，喂料量过少。 因此本次设计以监测主电机的电流值为主的方法监测喂料量的多少。 ( 2 ) 旋转件失衡 碎碾机是一种大型旋转设备，在其运行中，主要工作方式是砸碎和磨碎 物料。由于其旋转件材质的不均匀，以及物料物性、粒度、流量的不均匀和 运转过程中不可避免的振动，会造成旋转件的不均匀磨损并失衡。这是一种 偏心运动，其表现特征是在转子转频基础上以及其主要倍频上振动量过大。 因此本次设计利用振动加速度传感器测量转子振动加速度，通过快速傅立叶 分析其在转频以及转频的主要倍频上的振动值的增大和减小来判断旋转件 失衡的程度。 ( 3 ) 机械松动现象 象碎碾机这种强冲击、大功率的机械设备容易出现机械松动 ( m e c h a n i c a l l o o s e n e s s ) 现象，国内外很多资料都证明了这一问题。针对这 种设备的结构特征，其机械松动主要出现位置为： 衬板松动( 碎碾机的衬板为可拆卸衬板，由连接件连接在主体上) 基础连接件及基础本身松动 机械松动的主要特征是在转频和倍频之间会出现半频波成份。同时系统 武汉理工大学硕士学位论文 _ 。_ 一 的低频段会出现系统的某一个固有频率的半波现象。本次设计把速度传感器 安装在设备基础上，利用速度传感器频段窄、灵敏度和性噪比高的特点来监 测半波现象。 ( 4 ) 轴承润滑不良或散热不良 如果润滑泵出现问题造成轴承润滑不良或由于其它原因造成轴承散热 不良，则轴承温度会显著提高。本次设计中共使用了4 个温度传感器安装在 主轴承的轴承座内，通过监测轴承温度来判断是否存在这一故障。 因此，根据碎碾机组的现场应用、机械设备的特点，再结合工作中会出 现的典型故障，我们选取了主电机的电流信号，动态参数方面选择了速度、 加速度，静态参数方面选择了温度作为信号采集与处理的对象，作为拟定的 监测信号。 1 4 本课题的主要研究内容： 基于故障诊断技术的发展和实际的需要，本课题任务就是工业试验的基 础上实现所开发实时故障诊断仪的产品定型，这种实时故障诊断仪与前面提 到的诊断仪器相比具有结构简单实用，价格便宜的优点。本文的主要研究内 容有： ( 1 ) 对于工业试验系统在硬件方面的改进与完善 工业试验系统是在d s k 板上扩展完成的，在工业试验过程中发现实际 使用上的缺点，根据这一问题，针对用户的要求和产品定型的需要，在系统 硬件的设计方面做出了改进，完善系统的整体功能，使其能有利于现场的实 际使用。 ( 2 ) 信号的采集 针对前面对于监测对象所做的分析，以及由此选定的参数，在实际工作 中实现采集功能对采集到的模拟信号要进行模数转换，将转换后得到的数 字信号进行存储，作为后续的处理程序的对象，而对采集到的数字信号( 如 温度和电流等) 直接进行下一步的分析。 ( 3 ) 数据处理及故障判断 对于模拟信号，将模数转换后得到的数据进行时域和频域分析，讨论 6 武汉理工大学硕士学位论文 f f t 变换在d s p 器件的快速实现问题，对分析后的数据进行软件滤波，降 低工作现场的外部噪声的干扰，设计多种类型的软件滤波器，以适应不同的 情况的需要，滤波后提取其特征值，将其与设定的预警值、报警值进行对比， 判断设备是否正常工作。 对于数字信号( 温度、电流) 直接将其同预警值和报警值进行对比，一 旦超标就预警，提示调整工艺参数，或报警，对碎碾机发出停机的命令。若 超出了报警值，根据提取的特征值进一步判断属于那种类型的故障。 ( 4 ) 数据通信 实现监测设备与微机之间的通讯，将监测系统在实际工作中采集到的原 始数据下载到微机中，实现对信号的进一步分析与处理，为以后该类型设备 的设计提供参考数据。 ( 5 ) 系统集成 将各个功能模块组成一个系统，完成可靠性的工程测试。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章数字信号处理技术 2 1 数字信号处理的实现方法呻m 钔 数字信号处理的实现方法一般有5 种： ( 1 ) 在通用的计算机上用软件( 如f o a r a n 、c 语言) 实现，可用于d s p 算法的模拟； ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的处理器来实现，专用性强； ( 3 ) 用通用的单片机( 如m c s 一5 1 、9 6 系列等) 实现，这种方法可以用于 一些不太复杂的数字信号处理，如数字控制，适合于实现简单的d s p 算法； ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片来实现，与通用单片机相比，d s p 芯片具 有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可以用于复杂的数字 信号处理算法： ( 5 ) 在一些特殊的场合，要求的数字信号处理速度极高，用通用d s p 芯 片很难实现，因此要采用专用的d s p 芯片实现，例如专用于f f t 、 数字滤波、卷积、相关等算法的d s p 芯片，这种芯片将相应的信号 处理算法在芯片内部用硬件实现，无须进行编程，专用性强。 上述的几种方法各有特点，视其要求与条件来选用。本系统中将这几种 对比后，采用第4 种方法。 2 。2 专用数字信号处理芯片d s p 芯片跚m 小跏 d s p 芯片( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，即数字信号处理器，是一种适用 于实时数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数 字信号处理算法。实时处理是指必须在规定的时间内完成对外部输入信号的 处理运算。其处理速度比最快的c p u 还快1 0 5 0 倍。 为了快速实时地完成数字信号处理运算，d s p 芯片一般应具有这样一些 特点：( 1 ) 快速的运算速度：( 2 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次 加法运算，即硬件乘法累加操作( m a c ) ；( 3 ) 程序和数据空间分开，可以同 武汉理工大学硕士学位论文 一一 时访问指令和数据：( 4 ) 片内有快速r a m ，通常可以通过独立的数据总线 访问；( 5 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；( 6 ) 快速的中断处 理和硬件i o 支持：( 7 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；( 8 ) 可以并行执行多个操作；( 9 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作 可以重叠执行。d s p 执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作数和执行 几个阶段。在d s p 中，采用流水线结构，在程序运行过程中这几个阶段是 重叠的，将指令周期较低到最小值。 d s p 芯片可以分为定点d s p 芯片、浮点d s p 芯片两大类，这是根据 d s p 芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的d s p 芯片被称 为定点的d s p 芯片，如t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列、 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中的t m s 3 2 0 c 6 2 x x 等。数据以浮点格式工作的d s p 芯 片被称为浮点的d s p 芯片，如t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 x 4 x ，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中的t m s 3 2 0 c 6 7 x x 等。此外，按照d s p 芯片的用途来分，可分为通用 型d s p 芯片和专用型d s p 芯片。专用型d s p 芯片已将算法固化在芯片中， 完成特定的功能，如f f t 算法等。而通用型d s p 芯片是用户可编程的，可 以用来实现各种数字信号处理的算法。 选择d s p 芯片是设计d s p 应用系统时非常关键的指标，主要包括：( 1 ) d s p 芯片的运算速度；( 2 ) d s p 芯片的运算精度；( 3 ) d s p 芯片的软、硬 件资源；( 4 ) d s p 芯片的功耗。其中，d s p 芯片的运算速度是d s p 芯片的 一个最重要的性能指标，也是选择d s p 芯片时所需要考虑的一个主要因素， 一般采用m i p s ( 即每秒执行百万条指令) 来表征。选择d s p 芯片是设计 d s p 应用系统时非常主要的环节，应根据实际的应用系统需要而确定。不同 的d s p 应用系统由于应用场合、应用目的等不尽相同，对d s p 芯片的软、 硬件资源，d s p 芯片的运算精度，d s p 芯片的价格，d s p 芯片的开发工具， d s p 芯片功耗等的要求不同。此外，还应考虑封装形式、质量标准、供货情 况、生命周期等。在上述的诸多元素中，一般而言，定点d s p 的价格较为 便宜、功耗较低，但运算精度稍低，而浮点d s p 芯片的优点是运算精度高， c 语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗也较大。 2 i3t i 的t h s 3 2 0 c 系列d s p 芯片简介咖盯 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1t i 系列的d s p 芯片概貌 t i 公司在2 0 世纪8 0 年代初成功推出第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其 系列产品之后，相继推出了t m s 3 2 0 c 2 5 为代表的第二代d s p 芯片、第三代 d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 x 、第四代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 x x 、第五代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 5 x 5 4 x 、第二代d s p 芯片的改进型t m s 3 2 0 c 2 x x 、集多片d s p 芯 片于一体的高性能d s p 芯片以及目前速度最快的第六代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等。t i 目前常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即： t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 0 x c 2 4 x c 2 8 x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列 ( 包括t m s 3 2 0 c 5 4 x 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0系列( 包括 t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x ，6 4 x ) 。如今t i 公司的系列d s p 芯片已经成为当今世界上 最有影响的d s p 芯片。 2 3 2t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列简介 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列d s p 芯片目前包括了t m s 3 2 0 c 5 4 x 和t m s 3 2 0 c 5 5 x 两大类，这两大类芯片的软件完全兼容，所不同的是t m s 3 2 0 c 5 5 x 具有更 加低的功耗和更高的性能。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 是t i 公司与1 9 9 6 年推出的为实现低功耗、高性能而专门 设计的定点d s p 芯片，主要应用在无线通信等应用系统中。它采用先进的 修正哈佛结构，片内共有8 条总线( 一条程序存储器总线，三条数据存储器 总线，四条地址总线) 、c p u 、在片存储器和在片外围电路等硬件，加上高 度专业化的指令系统，使得t m s 3 2 0 c 5 4 x 具有功耗小、高度并行等优点。 该芯片的内部结构与t m s 3 2 0 c 5 x 不同，因此指令系统和t m s 3 2 0 c 5 x 互不 兼容。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 的主要特点如下： ( 1 ) 运算速度快。 运算速度为3 0 5 3 2 m i p s 。 ( 2 ) 优化的c p u 结构。 内部有1 个4 0 位的算术逻辑单元( a l u ) ，2 个4 0 位的独立累加器，2 个4 0 位的加法器，1 个1 7 x 1 7 的乘法器和1 个4 0 位的桶形移位器，比较、 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 选择、存储单元( c s s u ) ( 用于加法仁e 较选择) 。有4 条内部总线和2 条地 址产生器，包括8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器算术运算单元( a r a u ) 。 此外，内部还集成了维特比加速器，用于提高维特比编码的速度。先进的 d s p 结构可高效地实现无线通信系统中的各种功能。 ( 3 ) 低功耗方案。 t m s 3 2 0 c 5 4 x d s p 核可以在3 3 v ，2 5 v ，1 8 v 甚至1 2 v 的低电压下工 作，三种低功耗方式( i d l e i ，l d l e 2 和i d l e 3 ) 可以节约d s p 的功耗， t m s 3 2 0 c 5 4 x 特别适合于无线移动设备。 ( 4 )1 9 2 k 字可寻址存储空间( 6 4 k 字程序存储器一有的可寻址1 m 字程 序空间、6 4 k 字数据存储器以及6 4 k 字i o 空间) 。 片内r o m 可以配置为程序数据存储器。片内双寻址r a m ( d a r a m ) 。 ( 5 ) 智能外设。 除了标准的串口和分时复用( t d m ) 串行口外，还提供了自动缓冲串行口 b s p ( a u t o b u f f e r e ds e r i a lp o r t ) 和与外部处理器通信的h p i ( h o s tp o r t i n t e r f a c e ) 接口。b s p 可提供2 k 字数据缓冲的读写能力，从而可以降低处 理器的额外开销，指令周期为2 0 n s 时，b s p 的最大数据吞吐量为5 0 m b i v s ， 即使在i d l e 方式下，b s p 也可以全速工作。h p i 可以与外部标准的微处理 器直接接口。 ( 6 ) 总线结构 t m s 3 2 0 c 5 4 x 片内有八条1 6 位的总线：4 条程序数据总线和4 条地址 总线，这些总线的功能如下： 程序总线( p b ) 传送取自程序存储器的指令代码和立即操作数。 3 条数据总线( c b 、d b 、e b ) 将内部各单元( 如c p u 、数据地址生成 电路、程序地址生成电路、在片外围电路以及数据存储器) 连接在一起。 c b 和d b 传送读自数据存储器的操作数。 e b 传送写到存储器的数据。 4 个地址总线( p a b 、c a b 、d a b 、e a b ) 传送执行指令所需的地址。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 可以利用两个辅助寄存器算术运算单元( a r a u 0 和 a r a u l ) ，在每个周期内产生两个数据存储器的地址。 p b 能够将存放在程序空间( 如系数表) 中的操作数，传送到乘法器和 f i 武汉理工人学硕士学位论文 加法器，以执行乘法累加操作，或通过数据传送指令( m v p d 和r e a d a 指令) 传送到数据空间的目的地。此种功能，连同双操作数的特性，支持在 一个周期执行3 操作数指令( 如f i r s ) 。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 还有一条在片双向总线，用于寻址在片外围电路。这条总 线通过c p u 接口中的总线交换器练到d b 和e b 。利用这个总线读写，需 要2 个或2 个以上周期，具体时间取决于外围电路的结构。 2 4 典型d s p 系统的构成瞪町 图2 1 给出了一个典型d s p 应用系统。图中的输入信号可以有各种各 样的形式，例如它可以是麦克风输出的语音信号也可以是电话线来的已调数 据信号，可以是编码后在数字链路上传输或储存在计算机上的摄像机图像信 号等。 图2 1 典型的d s p 系统框图 输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行模数( a n a l o g t od i g i t a l ， a d ) 变换将模拟信号变换成数字比特流。根据香农抽样定理，为保持信息 的不丢失，采样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2 倍。 d s p 芯片的输入是a d 变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，d s p 芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作 ( m a c ) 。最后，经过处理后的数字样值再经数模( d i g i t a l t o a n a l o g ，d a ) 变换将数字比特流转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连 续的模拟波形。 2 5d s p 应用程序的设计过程哺明 第一步，在设计d s p 系统之前，必须根据应用系统的目标确定系统的 性能和信号处理的要求，通常可以用数据流程图、数学运算序列、正式的符 武汉理【大学硕士学位论文 号或自然语言来描述。 第二步，根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系 统的最终目标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导 致不同的系统性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处 理方法，即数字信号的算法，因此，这一步也称算法模拟阶段。在这一阶段 还可以初步确定相应的参数。 第三步，软硬件设计阶段。在完成第二步之后，接下来就可以设计实时 的d s p 系统，实时d s p 系统的设计包括硬件的设计和软件的设计这两方面。 硬件设计首先根据系统运算量的大小，对运算精度的要求、系统成本限制、 体积、功耗以及系统的各项功能是用软件还是硬件实现来进行初步分工，例 如在本系统中用到的f f t 算法、i i r 滤波器、自适应滤波器，是用专门芯片 来实现还是在d s p 芯片中用软件来实现，通过以上的这些要求选择合适的 d s p 芯片。然后设计d s p 芯片的外围电路及其他电路。软件设计和编程主 要是根据系统要求和所选的d s p 芯片编写相应的d s p 汇编程序，如系统的 运算量不大且有高级语言编译器支持，也可用高级语言( 如c 语言) 编程。 由于现有的高级语言汇编器的效率还比不上手工编写汇编语言的效率，因此 在实际应用系统中采用高级语言和汇编语言的混合编程的方法，即在算法运 算量大的地方，用手工编写的方法写汇编语言，而运算量不大的地方则采用 高级语言。采用这种方法，就可以缩短软件开发的周期，提高程序的可读性 和可移植性，又能满足系统实时运算的要求。 第四步，硬件调试和软件调试阶段。d s p 硬件和软件设计完成以后，就 需要进行硬件和软件的调试。软件的调试一般借助于d s p 开发工具，如软 件模拟器、d s p 开发系统或仿真器等。调试d s p 算法时一般采用比较实时 结果和模拟结果的方法，如果实时程序和模拟程序的输入相同，则两者的输 出应该一致。应用系统的其他软件可以根据实际情况进行调试。硬件调试一 般采用硬件仿真器进行调试，如果没有相应的硬件仿真器，且硬件不是十分 复杂，也可以借助于一般的工具进行调试。 第五步，系统集成和测试阶段。系统的软件和硬件分别调试完成以后， 就可以将软件脱离开发系统直接在应用系统上进行。当然。d s p 系统的开发， 特别是软件开发是一个需要反复进行的过程，虽然通过算法模拟基本上可以 l3 武汉理一r 人学硕十学位论文 指导实时系统的性能，但实际上模拟环境不可能做到与实时系统环境完全一 致，而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能够实时运行的问 题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行，则必须重新修改或简化算 法。 2 6 集成开发环境c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d io ) 口 通常，d s p 的开发工具都局限于一些单独的工具，在大多数情况下，这 些工具都是分开使用的，不能共享数据，而要求开发者不停地在不同的应用 间切换。并且，实时系统的调试也是很烦人的过程，为了了解它们在实际条 件下的应用表现，开发者希望能在不停止执行的情况下，跟踪程序的流程。 但典型的调试环境只允许断点之间单步运行的静态调试。当多个实时代码段 集成在一起时，代码段之间的复杂的相互作用会产生新的问题。如果没有适 当的工具协助开发人员，就可能推迟开发的进度，甚至将问题带到出售的产 品中。 为t i 的t m s 3 2 0 系列而设计的c o d ec o m p o s e rs t u d i o 是一个高度集成 的开发环境，可以满足复杂的d s p 应用的要求： 1 ) 将编辑、调试、项目管理、分析和探测点集成在一个环境里： 2 ) c 编译器、汇编优化器和连接器( 代码生成工具) ； 3 ) 指令集仿真器； 4 ) 实时的基础软件( d s p 仍i o s ) ； 5 ) 主机和目标机之间的实时数据交换( r t d x ) ： 6 ) 实时分析和数据可视化： 7 ) 目前可用于w i n 9 5 和n t 4 ，即将支持w i n 9 8 和u n i x ： 8 ) 紧密集成允许同时插入主机和目标机，使开发者扩展其开发环境； 9 ) 板卡厂商的插件可以使目标机硬件的配置更容易： c c s 具有以下特点： 1 ) 数据可视化 2 ) 实时d s p 环境 3 ) 实时数据交换( r 1 d x ) 武汉理r 大学硕士学位论文 4 ) 实时分析 5 ) 集成的丌发环境 6 ) 集成的源代码编辑器 7 ) 交互式分析 8 ) 程序的高效编译和建立 9 ) 注入和提取数据信号 1 0 ) 多目标调试 1 1 ) 定制测试与自动测试 茎坚翌王查堂堡：生堂丝堡墨 第3 章 t m s 3 2 0 c 5 4 x x 扩展精度| lr 滤波器的设计与实现 3 1 数字滤波器的设计魄m 帕 数字滤波器在数字信号处理的各种应用中发挥着十分重要的作用，它是 通过对抽样数据进行数学运算来达到滤波的目的。目前所采用的数学运算通 常有两种实现方式：一种是频域法，即利用f f t 快速运算对输入信号进行 离散傅立叶变换，分析其频谱，然后根据所希望的频率特性进行滤波，再利 用傅立叶反变换快速算法恢复时域信号，这种方法具有较好的频率选择特性 和灵活性，并且由于信号频率与所希望的频谱特性是简单的相乘关系，它比 计算等价的时域卷积要快的多。另一种方法是时域法，这种方法是对离散抽 样数据做差分数学运算来达到滤波目的。 数字滤波器和模拟滤波器都具有一定的频率选择特性。但不同的是，数 字滤波器是针对离散采样信号或离散序列设计的，通常由专用集成电路 ( a s i c ) 或数字信号处理器( d s p ) 实现。 与模拟滤波器相比，数字滤波器具有可靠、正确、灵活、对温度和增益 的敏感度低等优点，并且数字滤波器能满严格的幅度和相位特征。采用数字 信号处理器实现数字滤波时，通过修改参数就可方便地改变滤波器的带宽、 频响，甚至是滤波器类型。 采用数字信号处理器实现的数字滤波器，信号输入在数字信号处理器 前，现有a d 转换器对模拟信号采样，得到离散的输入样值，再由数字信 号处理器完成数字滤波，最后经d a