（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp技术的数据采集系统软件技术研究.pdf

浙江大学硕上学位论文基于d s p 技术的数据采堡系统软件技术研究 致谢 首先我要感谢我的导师王友钊副教授，他为我们创造了良好舒适的实验室条 件，形成了锐意进耿的团队风气。在我攻读硕士学位两年半的学习和科研过程中， 指导我正确的学习和工作方法。在此谨向王友钊副教授表达深深的谢意。 同时我还要感谢马永昌老师和刘玉玲老师以及同级的王彤和王文艺同学，他 们在我的课题研究期间都给予了我诸多的帮助和大力的支持，帮助我排除了许多 困难，使我的论文能够顺利的完成。0 0 级孙武师弟和o l 级的傅卓为师弟以及其 他各位研究生以及实验室的各位师兄、师弟妹们在我做课题期间也给了我无限的 帮助和支持，在此一并致谢。 最后，我还要感谢我的家人，从小到大没有他们的全力支持我是无法完成我 的学业的，我要感谢他们对我的支持、鼓励和帮助。感谢我的朋友，在一直关心 着我，鼓励我上进。 在我即将离开工作学习了两年的实验室之际，再一次衷心的感谢所有给予我 帮助、支持和鼓励的老师、同学、朋友和亲人们! 郑国轴 2 0 0 2 年1 月于求是园 浙江大学坝l 学位论文 基于d s p 技术的数据采集系统软件技术 j f 究 摘要 本文以应用于工业测试系统的在线状念监测的数据采集卡系统的设计，讨论 了基于d s p 芯片和u s b 通讯接1 3 数据采集卡的软件系统设计的主要步骤和过程。 全文介绍了课题背景，分析了数据采集卡应用对象的特征，并提出数据采集 卡系统总体方案。全文着重叙述了d s p 软件系统的详细设计，应用到的数掘结构 以及资源分配。本文还详细介绍了t i 公司t m s 3 2 0 系列里的l f 2 4 0 7 芯片资源， 以及t m s 3 2 0 的软件集成开发环境( c c s ) ，对数据采集模块的做了代码级的全面 细致描述和分析。对数字信号处理中最经典的应用快速傅立叶变换( f f t ) 运 算，在定点d s p 芯片上的实现做了充分的分析和研究。 ， ( 通过本文，我们已经完成了基于d s p 和u s b 的数掘采集系统的所有丌发步骤， 、 并给出了完整的系统详细设计文档，还对数据采集和处理中的最重要和最主要模 块做了程序代码编写和研究。 关键字：测试系统、数据采集、d s p 、u s b 、t m s 3 2 0 、c c s 、快速傅立叶变换：f t ? t 塑坚查兰堡兰些笙兰 苎旦翌垫查塑垫塑墨篓墨竺塾堡垫查婴塑l a b s t r a c t t h et e x td i s c u s s e st h ep r i m a r ys t e p sa n dp r o c e s s e so ft h es o f t w a r es y s t e md e s i g n o fd a t a a c q u i n tc a r dw h i c hb a s e so nt h ed s pp r o c e s s o ra n du s bc o m n l u n i c a t i o n i n t e r f a c ea n di su s i n gi no n l i n e e s t a t ei n s p e c to f t h ei n d u s t r i a lt e s t i n gs y s t e m t h et e x td e s c r i b e st h i sf i e l db a c k g r o u n da n da n a l y s i s t h ec h a r a c t e r so ft h e a p p l i a n c eo b j e c to fd a t a - a c q u i n tc a r d ，t h e no f f e r s ab l u e p r i n to ft h ed a t a a c q u i n t c a r ds y s t e r m t h et e x tp u t st h ee m p h a s i z a t i o no nt h ed e t a i l e ds y s t e md e s i g no ft h e d s ps o f t w a r e ，t h ed a t a s h e e t sb eu s e da n dt h ed i s t r i b u t i n go ft h er e s o u r s e i ta l s o d e s c r i b e s c a r e f u l l y o i ll f 2 4 0 7p r o c e s s o r sr e s o u r s e sw h i c hi so n e w i d e a p p l y p r o c e s s o ro f t h et m s 3 2 0d s ps e r i e so ft e x ai n s t r u m e n tc o m p a n ya n dt h es o f w a r e d e v e l o p m e n tt o o l s ，c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) d e p e n to nt h o s e r e s o u r s e sa n dt o o l s ，t h e a u t h o r d e s i g n s a n d c o m p o s e s t h e p r o g r a m o f d a t a a c q u i n t m o d e l t h e a u t h o ra l s o a n a n l y s i s e sc a r e f u l l yt h ei m p l e m e n to ff a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，t h em o s tc l a s s i c a l a p p l i c a t i o n o nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s m e n t ，b a s e do nt h e p o i n t b i td s pp r o c e s s o e t h ea u t h o rh a sf i n i s h e da l lt h es t e p so ft h ed a t a a c q u i n ts y s t e r md e s i g nw h i c hb a s e s o nt h e t e c h n o l o g yo fd s pa n du s b t h ea u t h o r a l s o c o m p l e t e s a l lt h e d e s i g n d o c u m e n t sa n d g i v e s t h em o s t i m p o r t a n tp r o g r a m so ft h ed a t a a c q n i n ts y s t e n n s o f t w a r e k e 3 ，w o r d ： d a t a a c q u i n ts y s t e r m ，t e s t i n gs y s t e m ，d s p , u s b ，t m s 3 2 0 ，c c s ，f a s tf o u l i e r t r a n s f o r m f ft 6 6 8 浙江人学倾j ：学位论文基十d s p 技术的数摧采堡堕竺塑竺垫查堕壅 第一章：绪论 1 1 课题的领域背景 1 1 1 引言+ 随着现代工业生产水平提高，生产规模不断扩大，生产向着大型化、高速化、 自动化和连续化发展，对机械设备性能的要求越来越高，很多大型石汕、化，1 ：、 石化、电力、钢铁等部门都采用了单机、满负荷、连续性的生产操作方式，一些 大型机械成了现代化大规模生产装置中的关键设备，如果一旦出现停机故障，将 导致全厂的停产，其经济损失是十分巨大的，而且在现代化生产中，某些机械设 备一旦发生故障还可能招致重大事故。旋转机械在线监测和故障诊断技术应运而 生。 在线监测和故障诊断技术是近年来国内外发展较快的一门新兴学科，它所包 含的内容比较广泛诸如机械状态量( 力、位移、振动、噪声、温度、压力和流量) 的监测，状态特征变化的辨识，机器发生振动和机械损伤时的原因分析、振源判 断、故障防治，机械零部件使用期间的可靠性分析和剩余寿命的估计等等，都丁 机器故障诊断地范畴。 关键设备的状态监测与诊断技术是与工业企业密切结合的高科技领域，能为 企业带来巨大的经济效益，先进的工业国家在8 0 年代初已形成了状态监测与诊 断仪器这新兴产业，并在世界范围内推销产品，如瑞典s p m 仪器公司的s p m 系列，美国亚特兰大公司的m 6 0 0 0 系列，加拿大c s i 公司的c s l 2 1 15 、c s l 2 4 0 0 ， 美国本特利公司的d d m 与a d r e 等等。但国外产品的购买和维护代价极高。国 内在这一领域的研究起步虽然较晚，在企业主管部门的重视和大力推行新的管理 和维修政策的推动下，已将没备状态监测与诊断技术列入企业管理必须考虑的法 舰之内。i ：多高校、研究所1 j 食、i k 合作研制完成了不同的系统，如浙汀大学敬? 技术及仪器研究所为镇海炼化炼油厂及北仑电厂研制成功的d m 7 0 0 6 网络化人 型旋转机械实时在线状态舱测系统，在工业生产现场运行良好，在功能上基本满 足企业状态监测的需要。 浙江人学颂i - 学位论文 基于d s p 技术的数据采集系统软件技术研究 但是新兴技术同新月异，计算机软硬件、新型通讯标准和d s p 技术及弘”一匕 片集成技术的迅猛发展，状态监测系统的也出现了新的发展趋势。 】，1 2 状态监测系统的发展概况 随着信息技术，计算机技术与现代信号处理技术及单片芯片集成技术的发 展，当前该领域的发展出现新的方向： 1 状态监测与诊断仪器系统正在向网络化、智能化和丌放化方向发展， 系统的总体结构设计上正在以“虚拟仪器系统”取代传统的仪器系统， 最具代表性的产品是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 最近推出的$ 8 0 0 0 在线监测与故障诊断系统。 2 状态监测与诊断系统正在发展成现代化管理系统。它不仅包含了现代 企业设备的实时监测，状态分析，故障诊断与预报等已有的功能，而 且正在扩充到以设备全过程经济管理为技术核心的巨大的模块化程序 软件包，使状态监测与诊断系统成为在企业现代化管理系统工程中不 可缺少的主要手段之一。 3 运用网络通信技术实现数据运程共享与远程诊断。i n t e r n e t 的飞速发展 让世界各地的专家随时随地都能网络会诊。 4 状态监测系统的前端数据采集模块在新型的通讯总线标准和只益强大 的单片集成技术下向小巧化、便携式、易安装易组态、高集成度和通 用化发展。模块的独立性和功能同时提高。 1 2课题的提出 本实验室丌发设计的d m 7 0 0 6 网络化大型旋转机械实时在线状态j l 测系统足 一套功能比较完整的在线监测解决方案，已经在国内多家化工、i 乜力产业的著稆 工厂现场应用。 本系统是一个分布式嵌入式微机数据采集、多机并行处理、监测站远程分析临测、 服务器集中数掘并提供w e b 仪器软面板发自i 的网络化多级式实时应 j 系统。 小系统丌发时针列r t q ) l j 户是镇海炼化公司炼油厂，为其新催化装钙3 的人怛机川玎 发套竹：线舱测装置。在系统丌发的过程中，结合用户的需求爿：考虑剑软什d 0 通川 浙江大学硕t ：学位论文基于d s p 技术的数据再堡系笾墼然丝查堕窒 性，在实际设计时着重注意了软件的组态功能，模块化和实时系统的要求，以提高 系统的适应性，将其产品化。 本系统采用虚拟仪器结构设计。虚拟仪器系统思想是仪器系统以通用计算机及 图形化虚拟仪器软件为核心，加上相应的硬件设备( 数掘采集卡、r s 2 3 2 串行li 通信设备、g p i b 并行通信设备和v x i 总线设备) 构成。针对各种测试测量和控 制领域，软件平台提供为数众多的硬件驱动程序、数据分析处理函数和建立仪器 化人机界面构件。用户可以根据自己的需求，选择相应的硬件设备，在软件平台 上以数据流程图方式构建自己的仪器系统；然后，用户操作这台计算机，就象是 操纵一台他自己专门设计的传统的电子测量系统。虚拟仪器思想是美国n i 公司 首先提出的，它提供的编程环境一l a b v i e w 是目前最为流行的虚拟仪器丌发平台。 虚拟仪器系统彻底打破了传统仪器功能完全由厂家定义，仪器操作面板完全固 定、功能单一的状况，极大地提高了仪器系统的“柔性”。图2 1 为虚拟仪器系 统结构示意图。 虚拟仪器软件平台 检测 对象 堡兰塑堡卜+ l 竺塑墨叁主卜 亘堕亟 叫巫 厂丽而石丽函 v x i 仪器 图2 1 虚拟仪器系统结构示意图 l e b v i e 啦用程序 仪器驱动程序 v i s 程序库 懂 但是，在新技术不断发展今天，其原采用的i s a 总线插槽基于c 5 1 芯片数掘采 集卡d m 9 0 0 3 军i 信号调理板d m 9 0 0 2 在不断增长的客户需求和故障诊断要求下，已反 映出其功能结构及可升级更新的局限性。 1 2 1i s a 接口基于c 5 1 芯片数据采集卡的局限性 一、c 5 1 的局限性 采用c 5 1 作为系统的主要控制芯片来控制振动信号的采集、处理，县有成小 的外围接口电路简单等优点，但同时它也存在着指令速度慢、总线带宽窄的缺点， 频谱分析( 如f f t ) 的是时间较长( 。卜几到几十秒，每通道) ，使得那些采用单片 机做主控制芯片的状态监测系统只能进行有限的通频峰峰值监测，而无法到达实 塑翌查堂竺! 兰些堡兰 兰兰! ! ! 垫查竺垫塑墨壅墨竺墼苎垫查里堕l 旦 质性的实时频谱监测分析。很多旋转机械早期的故障往往表现在各阶倍频矢量的 变化上，而很难在通频上得到及时反映，所以对频谱中各倍频成分的幅值和相位 变化的实时监测是状态监测系统的最基本功能要求。 二、i s a 总线的局限性 虽然i s a 总线传输速度能到达十几兆每秒，但对 s a 总线标准的改进和发展已 经停止，无法为今后越来越高的传输速度需求。i s a 插槽在新型的计算机体系结 构中已经遭到淘汰，继续采用原有板卡将对d m 7 0 0 6 系统上位机系统结构的组成增 加难度。同时，i s a 总线的板卡对上位机的资源占用过多和一台上位机中的 s a 插槽数目有限影响了上位机的运行性能和资源利用率。i s a 总线板卡的安装和拆 卸十分不便，尤其相对于需要固定紧密的工控机。 1 2 2带u s b 接口基于定点d s p 的高速数据采集卡的优点 鉴于c 5 1 和1 s a 的局限，以及专用信号处理芯片d s p 和新型通讯总线标准 u s b 及单片集成技术的发展，我们提出研发带u s b 接口的高速d s p 数据采集卡， 采用c p l d 或f p g a 实现主芯片外围电路的时序和逻辑控制，研制一套功能强大， 灵活轻便，外置式数据采集卡系统。 一、d s p 的优点 基于信号处理技术的d s p 芯片由于其具有极快的指令速度( 一般小于3 3 n s ) 、 适合信号处理的指令系统、较大的总线带宽( 至少1 6 位，6 4 k 的寻址空恻) 及强 大的外设控制功能( 比如内置模数转换器a d c ) 、极短的频谱分析时i 、日j ( 一般 2 5 6 点的f f t 只需2 m s 至 3 m s ) ，十分适合实时频谱分析。使用专用数字信号处 理：芯片，可以确保f f t 实时性。集成振动信号慢变信号的采集和处理，可实现多 种类型工业信号的采集和处理。这也正是近年来d s p 技术迅猛发展的主要原因。 、u s b 的优点 通用串口总线( u s b ) 标准是近几年不断发展，应用日益广泛的新型通讯协 议，几乎所有的计算机低高速外设都可以使用u s b 作为传输接口，比如u s b 鼠 标键盘、u s b 扫描仪打印机、甚至u s b 光驱硬盘。这些都是因为u s b 特性所决 定的。u s b 标准提供了一种低成本的外设连接到p c 的解决方案，完全的热f j = i 拔 和即插即用，无需 j 户于涉；u s b 定义了一种简单的连接器，可自d 捣2 卸设舒， 鲨兰查兰塑! 堂堡堡兰 苎主! 塑垫查塑垫塑墨堡墨竺竺壁塑互型坐蔓_ 旦 随意改变外设体系结构，支持多到1 2 7 个外设的接入；u s b 协议提供了从低速 到高速多种传输速度的解决方案，单u s b 标准1 1 版就提供有低速和全速模式， 分别支持1 5 m b p s 和1 2 m b p s 的传输速率，而最新2 0 版协议，全速模式最大带 宽达到4 8 0 m b p s ，完全可以满足大容量、高实时性的数据传输要求：u s b 设备 自带数据线供电，自动电源保护及错误检测和恢复，保证设备的安全可靠运行。 三、c p l d f p g a 的优点 由于使用d s p 芯片和u s b 控制芯片，数据采集卡的外围逻辑控制电路将趋 向复杂化，仍使用分列式元器件将增大板卡面积。使用单片集成度高的逻辑可编 程器件不但缩小板卡面积，利于携带和安装，而且其可编程性使得系统具有极大 的升级和扩展潜力。同时，元器件数目和种类的减少提高了板卡硬件的可靠性和 稳定性，延长了产品的使用寿命，提高了经济效益。 1 3 新技术的出现 数字处理技术的发展日新月异，随着集成电路技术和软件技术的不断发展和 解决复杂问题能力的不断提高。d s p 技术和u s b 技术的出现使得数据采集系统结 构清晰，流程简洁，功能越来越强大。 1 ，3 1d s p 技术 d s p 芯片是专门完成各种实时数字信息处理用的，它是建立在数字信号处理 的各种理论和算法基础上的。第一个d s p 微处理器i n t e l 2 9 2 0 出现在1 9 7 6 年， 接着是1 9 8 2 年的a m 0 2 8 1 l ，n e c “p d 7 7 2 0 ，德州仪器公司的t m s 3 2 0 l o 。2 8 和 7 7 2 0 两者都有片上阵列乘法器，都有可编程r o m 和相对小的数据和程序寻址窄 问。3 2 0 1 0 是第一个可全速从片外r a m 执行指令的微处理器，且容纳的程序也比 7 7 2 0 大一个数量级。第一阶段的d s p 具有下列特点：指令流水，有效的寻址模 式，有子程序调用和地址传递协议；使用h a r v a r d 结构，可同州取指令和数抓； 特殊的d s p 相对寻址模式( 如变址计算任意数的模式) ，对于f i r ( f i r 】j t 。一j _ j 1 9 ih 1 m p u l s cr e s p o n s e ) 的滤波器自动循环队列或数据移动，对于陌i 、的比特反转： 附加的寻址a l u ；对于特殊应用的接口( 如对于通信编码的串行接) 。i ) s i ，系统 主要由分立元件组成，包括线性电路模拟前端、模拟数字转换器和外h l 界晰i u 踏、 塑垩查兰堡：! 兰垡笙苎 苎主望! ! 垫查堕塑塑墨茎墨竺竺型：垫查盟窒旦 一大堆的组合电路、可编程的阵列逻辑( p a l ) 及可编程只读存储器( p r o m ) 、存 储器及个别处理器。 当时的d s p 技术在医疗电子、生物电子、应用地球物理等领域获得应用。进 入8 0 年代，随着数字信号处理技术应用范围的扩大，要求提高处理速度，到1 9 8 8 年出现了浮点d s p ，执行浮点算术运算和乘累加，如a t & td s p 3 2 c ，m o t o r o l h d s p 9 6 0 0 2 ，t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 0 等，同时提供了高级语言的编译器。这种d s l 是一种专用的综合性微处理器，能够告诉输入和输出数据，专门处理以运算为主 的信号处理应用系统。如电话p c m 传输和程控交换中大量使用的语音处理，数掘 传输用的调制解调器，计算机的硬盘驱动器等。到了9 0 年代，d s p 技术发展十 分惊人，以d s p 作为主要元件，再加上外围设备和特定功能单元综合成的单一芯 片，加速了d s p 解决方案( d s ps o l u t i o n d s p s ) 的发展，同时产品的价格降低， 运算速度和集成度获得提高，9 0 年代d s p 揭开了计算机、通信、消费类、汽车、 军事等电子市场的新纪元，这些技术也反过来促进了数字信号处理器的发展和 需求。 当前的d s p 多数基于r i s c 结构，且进入v l s i 阶段，如t i 公司的t m s 3 2 0 c 8 0 代表了d s p 的新一代芯片集成技术，它将4 个3 2 位的d s p 、】个3 2 位的r i s c 主 处理器、1 个传输控制器、2 个视频控制器和5 0 k b s r a m 集成在一个单片上。由于 数字信号处理系统愈来愈先进，高科技含量愈来愈高，系统性能愈来愈强大，现 在的d s p 芯片制造商随d s p 芯片提供系统的解决方案d s p s 。d s p s - d s p * 混合信号 处理电路+ 系统软件+ 软件。d s p s 可包括其它半导体器件，如逻辑电路、存储器 及a s i c 。系统技术包括设计工具、技术支持及产品信息。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的 d s p 是t i 公司的高端d s p 产品，它包揽了许多高性能的芯片，是具有先进的v l i w 的高度并行类r i s c 结构的指令集。业界可以得到的最高性能的d s p 芯片该系 列芯片的发展蓝图中有高至5 0 0 0 m 1 p s 、3 g f i 。o p s 的处理性能。也是唯一的一利一4 - 定点和浮点芯片指令级兼容的d s p 芯片系列，同时该系列芯片是面向c 编译器f i 设计的，c 语言的编译效率较高。 自从德州仪器( t i ) 1 9 8 2 年推出第一个通用可编程d s p 芯片以来，p s i ，技术 带来了决定数字技术未来的突破性应用。艇整15 年，t i 一直存d s i ，技术l 侦 胍骚。在此期间，r i 的i ) s i ，芯片性能山最仞的每秒5 0 0 条指令增枷剑1 6 亿条 塑坚苎堂塑! 兰丝笙兰 苎主堕! 垫查竺塑塑墨堡墨竺竺壁苎盔! 堕l 旦 指令，也就是说，从互联网上下载软件的时间由1 0 分钟缩短到了5 秒钟以下。 与此同时，d s p 芯片的价格却由8 0 年代的数百美元，下降到了目前的5 美元， 甚至还可以更便宜。t i 公司为不同应用领域提供了不同的解决方案，持续丌发 了t m s 3 2 0 c 1 x ，t m s 3 2 0 c 2 x ，t m s 3 2 0 c 3 x ，t m s 3 2 0 c 5 x ，t m s 3 2 0 c 6 x 等系列d s p 器件， 其中c 2 x x 以其低廉的价格，低功耗和高性能等特点被广泛应用于国内的数据采 集系统中，以c 2 x x 系列内核为基础的新一带d s p 器件t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 不仅继承了 上述优点，同时增加了数字马达和运动控制功能，内置采样最小问隔5 0 0 n s 、j 0 位采样长度的高速a d 和片内r o m ，最高运算速度达到3 0 i m i p s ，其一系列特点完拿 满足一般工业控制领域的数据采集要求。本文所涉及的数据采集系统即建立在 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的基础上，它的详细特点和解决方案将在以后的章节中洗明。 1 3 2u s b 技术 u s b 总线是自1 9 8 0 年来串口和并口技术出现以来，最重要的计算机外设互联 标准之一。它追求的是对外设的高速度和高通用性，于1 9 9 4 年由i n t e l 等7 家 公司推出协议标准，专门用于中低速的计算机外设。它迅速被应用在视频会议的 摄像采集、扫描仪、监视器、p c 电话设备、人机交互设备如键盘、游戏设备等， 在国内也逐渐应用在工业数据采集系统中。u s b 具有易用、真正的热插拔、高性 能和系统造价低廉等优点，也正是由于这些优点是它从书面的协议变成产品只用 了不到两年的时间。 u s b 总线是一个星型总线结构，它相对与以往的计算机外设总线如 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等具有一下优点。 速度快。u s b 有高速和低速两种模式，主模式为高速模式，速率为1 2 i b p s ， 同时为了适应某些对速率要求不高的外设如键盘、鼠标等的要求，u s b 也提供低 速模式，速率为1 5 m b p s 真诈的热插拔。大家一定有以下的经历，为了给计算机换一个新避盘或 块新的数采卡，你必须结束当前的任务，关闭机器，换卡，然后启动机器，不幸 的是痛苦j 冈0 刚) t 始，然后系统会提示你新硬件的驱动，接着你安装正确( f | ! 】! 定 你完全懂得这套) ，还是重起，然后。现在有了u s b 外没，你f 1 也小川 j j i ：机衍，在也不要丌关机，也不用装什么驱动( 也许你本不知道它址 f 么) 。j 系统刘其进行自动配置，一切变的那么简单，只有拔掉和插上的动作。 塑坚查堂堡土兰些堡皇 苎三里! ! 垫查竺墼塑墨堡至竺竺壁! 堑! 型兰l 旦 易于扩展。u s b 通过h u b 可扩展至最多1 2 7 个设备，标准u s b 电缆长度为3 米( 低速5 米) 。通过h u b 或中继器可使外设距离达到3 0 米。 能够采用总线供电。u s b 总线提供最大5 v 电压，5 0 0 m a 电流。 使用灵活。u s b 共有4 中传输模式，控制传输( c o n t r 0 1 ) ，同步传输 ( s y c h r o n i z a t i o n ) ，批量传输( b u l k ) ，中断传输( i n t e r r u p t ) 。以方便对不同的 设备和不同的数据类型采用不同的传输模式。 1 3 3 选片 在芯片选择上，我们综合考虑功能和价格，选择了性价比高的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 做d s p 主控芯片，选择u s b n 9 6 0 3 做u s b 控制芯片。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是一款应用于工业测试和控制领域的芯片，类属于 t m s 3 2 0 c 2 x x 系列。它具有较高的集成度，主频高达3 3 m h z ，它内嵌了数字马达、 位移控制功能，运算速度3 3 m i p s 。具有3 2 k 字的f l a s h 存储空间提供了高性价 比的可重编程的解决方案，并内嵌了2 5 6 字大小的引导r o m 以方便对电路进行 编程。内带高性能的1 0 b i t 的a d ，提供1 6 路模拟信号输入、最小转换时间5 0 0 n s ， 其中a d c 的自序功能可以让最大1 6 路转换一个循环事务( s e s s i o n ) q a 完成而增加 c p u 的负担。内嵌一个串口通讯接口( s c d ，可以和系统的其他设备进行异步通讯， 同时还提供了一个现场总线( c a n 2 0 ) 2 0 标准。为了开发调试方便，它同时带 了j t a g 接口，同时还可提供c 语言编译器，完全可以用c 语言编程。 u s b n 9 6 0 3 是一个功能较强的芯片，支持u s b l 1 协议，能实现1 2 m b p s 的 高速传输，通过对m o d e 0 和m o d e l 的设置，能以复用并行接口( i n t e lm o d e ) 、 非复用并行接口( m o t o r o l am o d e ) 、m i c r o w i r e 等不同方式受控于m c u 。u s b n 9 6 0 3 还具备适用于与外设进行大量高速数据传输的d m a 功能。u s b n 9 6 0 3 内部有7 个f i f o ，分别是e n d p o i n t 0 到e n d p o i n t 6 。其中e n d p o i n t 0 是双向f i f o ，e n d p o i n t l 、 e n d p o i n t 3 、e n d p o i n t 5 为发送f i f o ，e n d p o i n t 2 、e n d p o i n t 4 、e n d p o i m 6 为接收f i f o 。 e n d p o i n t l 、e n d p o i n t 2 、e m p o i n t 3 、e n d p o i n t 4 深度为3 2 字节，e n d p o i n t 5 和e n d p o i n t 6 深度为6 4 字节。u s b n 9 6 0 3 片内有5 2 个寄存器( 包括7 个f i f o ) 。 浙江人学顾l j 学位论文基于d s p 技术的数据采叁系缝堑壁垫查啦塑 第二章：课题的对象及总体方案 2 1 本课题数采卡系统的应用对象及其特征 本数采卡是为石化、电力行业中大功率高速旋转的大型机组的运行状态的在 线监测、信号分析和故障诊断系统提供所需的前端原始数据采集和处理的硬件采 集系统。在线状态监测系统需要监测的信号类型通常包括以下几利t ： 连连 j 接大型旋转机械的机组轴承接 齿齿 轮轮 厂、 u 甲，一l 甲f 一。一i i 图2 1 信号源在机组中的位置分布 2 1 1 转速脉冲信号 用来作为监测系统的外触发同步采样与振动分析时的相位基准。一般机组转 速在1 8 0 0 0 转分( 3 0 0 h z ) 以内。稳态运行时，石化行业的机组转速按各机组的 功率不同，跨度比较大，在1 0 0 0 转分( 1 7 h z ) 到1 1 0 0 0 转分( 1 8 3 h z ) ，不超 过1 5 0 0 0 转分( 2 5 0 h z ) ：电力行业的机组一般是稳定在3 0 0 0 转分( 5 0 1 z ) ，波 动不超过币负1 0 转。在试车、丌机和关机等特殊情况下为升降速运行态，机组 的转速要在短时间内( 一般在1 5 秒内) 从接近停机状态的1 8 0 转分( 3 1 i z ) 口 商剑的稳态运行的转速( 按机组刈稳念运行的转速要求不同i m 小嗣) ，般的4 0 速变化率是能到达一秒内变化3 0 0 转，高的可能达到6 0 0 8 0 0 转秒。在机纽f f 删 敞障时的异常态运行时，转速将以未知的高速运转，不过极少能高于】5 0 0 0 转 分o i i z ) 。转速的测定般是使用计数器记录转速的脉冲信号来确定。在高速p ， 浙江大学颂十学位论文基于d s p 技术的数埋墨叁墨堕墼壁垫查竺壅 采集转速的脉冲信号，由计数器记录给定的脉冲信号个数( 比如1 0 个，1 6 个脉 冲) 并测定所需时间，计算出转速。在低速下，通过采集一个转速周期的两个脉 冲信号，确定所需的时间，计算出转速。所以，转速信号的采集主要是通过硬件 上的设计来实现，当然，也需要软件来控制采集的开始和结束以及读取转速值。 2 1 24 路一组的轴振动信号 轴振动信号是分析汽轮发电机组转予振动状态的主要信号，每个旋状轴两端 分别安装相互垂直的x 、y 二个径向传感器，共4 路轴振动信号。轴振动信号按 转速分，包括正常态稳速轴振动信号，异常态未知转速轴振动信号，启停机态升 降速轴振动信号；按传感器类型分，包括轴振动位移信号，轴振动速度信号，轴 振动加速度信号；按获取幅值的类型分，包括峰峰值信号，单峰值信号和有效值 信号。一路的轴振动信号的采样点数般为6 4 点周，采样总长度可自由设定， 不过，为了方便频谱分析中的f f t 计算，一般分为2 5 6 点、5 1 2 点、1 0 2 4 点和 2 0 4 8 点。轴振动信号的采样触发方式可以是外触发或内触发。其中外触发方式 包括：由实时采集到的转速来设定采样时间间隔和触发采集：由手工设定的固定 采样时间间隔和按键触发。内触发指软件设定采样时问间隔和软件触发采集。采 样方式中还有自由采样，即以a d 的最高采样速度无限制采样一定时间段或一 定采样长度。所以轴振动信号的数据量大、数据类型多，数据传输要求稳定可靠 速率高，信号的处理和传输的实时性要求高，是采集卡采集和处理的主要对象。 2 1 3 慢变量信号 慢变量信号主要包括温度，压力，流量和电功率。般慢变量信号的实时性 要求是秒级或几十个毫秒级。慢变量信号通过不同的传感器和前端调理电路，一 般得到的是标准电流信号或标准电压信号，其中电流信号取值范围在4 m a 2 0 m a 或o m a 一1 0 m a 之间，电压信号取值范围在l v - 5 v 或0 v - 1 0 v 之间。 2 2由此计算出的数采卡技术参数要求 2 2 1 本数采卡的通道数 a ) 4 组4 路一组的轴振动信号通道，即共1 6 通道轴振动信号。 b ) 4 路转速信号，分别控制4 组轴振动信号的同步。 c ) 1 6 路慢变量信号。 塑坚叁堂堡! ：兰丝笙苎 苎主里! ! 垫查竺墼塑墨生! 墅壅墼竺丝查鲨茎旦 2 2 2 为达到实时性要求必须的数采卡技术参数 m 按最高转速1 8 0 0 0 转分( 3 0 0 h z ) ，每周6 4 点采样，每路通道的最大采 样频率约2 0 k h z ( 3 0 0 h z + 6 4 ) 。 e ) 满负荷运行，即1 6 通道一起采样时，需要的同步, a d d 的最大采样频率 为3 2 0 k h z ( 1 6 + 2 0 k ) 。 n 按晟大点数做f f t 处理，即做2 0 4 8 点的f f t 时，要求在1 0 7 m s 内完成 f 2 0 4 8 ( 6 4 + 3 0 0 h z ) 】。 2 2 3 为达到数据量要求必须的数采卡技术参数 g ) 一路通道的振动量信号最大采集2 0 4 8 点的波形数据，产生1 0 2 4 点的f f t 频谱数据，还要包含属性配置数据和提取的特征值数据约1 2 8 点，所以 一路通道采集到的数据量为3 2 0 0 b y t e ( 此处b y t e 根据1 6 位定点d s p 理 解为1 6 b i t ) 。 1 6 路通道采集到的数据量为约5 0 k ( 其中i k = 1 0 2 4 b y t e ，1 6 + 3 2 0 0 b y t e ) ， 接受工控机或p c 下传的振动量配置数据约为5 1 2 b y t e ( 3 2 b y t e + 1 6 通道) 。 i ) 4 路转速信号几乎不占空问。 i )对于1 6 路慢变量通道，接受工控机或p c 下传的配置数据与振动通道相 同，也为5 1 2 b y t e ( 3 2 b y t e + 1 6 通道) ，需要采集的数据量根据保存时问的 长短而有大小，最大数据量为1 5 3 6 b y t e ( 9 6 b y t e 1 6 通道) 。 二、传输速率的技术参数，由以上实时性和数据量的计算参数可以得出 曲完成l 路振动通道的最大长度f f t 实时计算，即2 0 4 8 点的f f t 的实时 计算的时j 、白j 内，也就是约1 0 7 m s 内，接收所有振动和慢变量通道所需的 配置数据并上传采集和处理得到的1 6 路慢变量信号数据和1 6 路振力通 道的波形频谱特征值数据，系统即达到数据传输的实时性。 b ) 需要接收的配置数据总量约为：1 0 2 4 b y t e ( 5 1 2 + 5 1 2 ) ，即1 k 。需要f j 传 的1 6 路慢变量信号数据总量为：j 5 3 6 b y t e 。需要上传的1 6 路振动通道 的波形频谱特征值数据总量为5 0 k 。 c ) 所以，总的传输数据量为5 25 k ( 1 k = 1 0 2 4 b y t e ，l b y t e = 1 6 b i t ) ，那么鼗求 达到的传输速率为8 4 0 0 k b i t s ，按1 b y t e = 8 b i t 计算，传输速率为1 0 5 m b p s 。 传 感 器 信 号 浙江大学硕t 学位论文基于d s p 技术的数据采堑堕丝壁垫查业塑 2 3 数采卡的总体系统方案 国内的在线监测系统进入信号一般来自b e n t l y 公司的7 2 0 0 或3 3 0 0 现场监视 仪相应的输出端，也可以从传感器前置器的输出端直接获取。1 6 路轴振动信号 经过的端模拟电路调理模块的放大积分滤波，进入同步保持器和程控放大器等待 d s p 主控芯片的a d c 采样，d s p 对采集到的数据再经数字滤波和实时频谱分析 和处理，存放到大容量双端口r a m 提供给u s b 控制芯片向上位机传输，也t i 】- 再系统上扩展键盘和l c d 显示，组合成简单的便携式频谱分析仪。同样的，u s b 控制芯片和上位机u s bh o s t 组成的u s b 设备系统可以从上位机组态的配置和 控制数采卡的各通道的数据采集，构成一套灵活可变的在线监测系统。 以下为方案中框架设计图： b e n t l y 7 2 0 0 7 3 0 0 现场 监测 仪表 u s b h o s t u s b 数据线 其他u s b 设备 带u s b 接口d s p 数采卡 6 路轴振动信号 1 6 路慢变量信号 4 路转速信l 前端 调理 电路 模块 可扩展键盘 和l c d 显示 模块 d s p 主控芯片 ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 矧2 2 方案总体框架图 双 端 口 存 储 器 u s b 芯j ( u s b n 9 6 0 3 c p l d f p g a 时序雨 逻辑控制芯片 塑翌叁兰塑：! 兰垡鲨兰 墨三里! ! 垫查塑墼塑墨整墨堕鳖壁垫查型壅一一旦 由此，总体系统方案划分为三大块：u s b 设备体系的构成，基于d s p 芯片 结合c p l d f p g a 的数据采集卡硬件电路系统设计和基于d s p 芯片指令系统的 数据采集与处理软件系统设计。其层次关系如图2 3 所示： p c 中的u s b 驱动程序和相关软件模块 u s b 体系中的h o s t 端 u s b 体系中的 f u n c t i o n 端 基于d s p 芯片指令系统的数据 采集与处理软件系统 基于d s p 芯片结合c p l d f p g a 的数据 采集卡硬件电路系统 图2 3 三大模块的层次关系图 2 3 1u s b 设备体系的主要开发任务 在u s b 设备体系中逻辑上抽象成由客户软件、u s b 系统软件、u s b 总线物 理结构三层组成，如图2 4 所示。所以，u s b 设备体系的主要开发任务也就包 括：应用层分析测试软件；系统u s b 主机驱动程序；硬件层d s p 下微机汇编程 序。 u s b 协议层主要是通过u s b n 9 6 0 3 这个u s b 接口芯片，实现u s b 协议要求 的操作，在数据采集和h o s t 之间建立一个数据通讯的通道。u s b 协议层的软件 丌发既涉及u s b n 9 6 0 3 与下微机d s p 芯片的接口驱动的固件( f i r e w a l l ) 程序， 也涉及u s b 协议在p c 主机操作系统中的u s bh o s t 设备驱动程序的丌发。 在与d s p 的接口中，u s b 设备体系的开发偏重于与d s p 软件系统中的数捌 结构和实时性需求保持致性，必须在规定时问内完成相应容量的数钎接受，h 时必须最优先的保证上微机对组念配置的及时反应并驱动d s p 软件系统蜓段川 应配置，且变动上微机的数据和控制。 侄与p c 操作系统的接口中，u s b 设备体系偏重于w i n d o w s2 0 0 0 的w d m 驱 动体系门：发。主要是u s bh o s t 在新型操作系统中的驱动体系结构和州j 丑j ：发 1 具。利用成熟的w d m 驱动体系，包装上u s b 协议，完成大容啭的采集毅州 塑坚叁兰塑生兰些笙兰苎里! ! 垫查塑墼塑墨墨墨竺竺燮业塑竺 的分析和鉴别，并组织成更容易理解和可读的数据结构提供给相应应用软件的调 用。当然，对数据采集卡的功能测试和调试也附加在其中。详细的u s b 设备体 系的丌发和实现请参考王文艺的硕士毕业论文高速串行总线( u s b ) 在d s p 数据采集系统中的应用与研究。 图2 4u s b 设备体系的系统结构图 2 3 2 数据采集卡硬件电路系统的主要任务 采集卡硬件电路系统主要包括电源模块，模拟调理模块，逻辑控制模块，多 路通端选择和控制模块等，如图2 5 所示。 其中，电源模块主要完成5 v 和33 v 电压之间的转换和稳压，为数掘采集* 系统提供多种电压选择，解决板上某些3 3 v 芯片与5 v 程控放大器件的不同需 求。 模拟调理模块主要是对模拟电信号积分放大和滤波，初步调理信号，过滤 定的噪声，为后来的数字电路提供较理想的模拟信号。多路选择和控制模块紧跟 凋删模块，为多路通道信号进行分类并控制进入后继的保持和采样f 乜路。 逻辑控制模块为硬件系统的主要组成部分。主要是围绕d s p 主控：占片，为系 统的r a m 、r o m 及扩展i o 做控制逻辑。同时，连接t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 与 浙江人学坝i 学位论文 基十d s p 技术的数据采集系统软件技术研究 u s b n 9 6 0 3 之间的接口通讯。还为将来的键盘和l c d 显示做预留接1 5 1 。逻辑控 制模块主要由c p l d f p g a 芯片等可编辑逻辑器件为核心，需要灵活可变硬件编 程语言，要求较高的硬件逻辑基础和软件