（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的数据采集系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代监控系统复杂性的提高，对数据采集模块也提出了新的要求。在 很多控制系统中，要求数据采集模块能够对多个信号通道进行实时，高速的数 据采集与高精度的数据预处理。本文以数据采集和监控系统理论为背景，以专 为实时信号处理设计的t m s 3 2 0 系列d s p 为控制核心，采用c a n 总线通信、 v i s u a lc + + 开发的上位机监控系统组成了一个高速、实时数据采集与处理系统。 本数据采集系统以d s p 最小系统为中心，充分利用d s p 的数据输入输出 模块、模数转换模块、串行外设接口模块和c a n 控制器模块，完成数据采集系 统硬件开发，并且使该系统系统具有良好的抗干扰能力。其中c 2 4 x 系列中的 通用定时器、脉宽调制p w m 电路、a d 转换器、串行通讯接口、c a n 控制器、 看门狗等片内外设为d s p 应用于智能控制、电机控制、电力电子技术等领域提 供了丰富的资源。 开展了c a n 总线光纤通信在数据采集系统中的应用研究。合理利用d s p 豹c a n 控制器模块开发系统的c a n 总线通信模块，使系统实现多路。多现场 数据采集与监控。采用光纤c a n ( f i b e r - c a n ) 总线网络，提高c a n 总线网络 抗干扰能力，保证c a n 网络正常运行。 完成了上位机监控软件设计。上位机监控软件使用v i s u a lc + + 6 0 中 w i n d o w sa p i 编程控制串口。本系统为了实现实时数据采集系统的通信功能， 采用了一个c s c r i a l p o r t 类，里面封装了w i l l 3 2 a p i 中的标准通信函数，提供几 个简单实用接口供用户调用。可方便地支持串口通讯。 实现了d s p 高速数据采集与监控系统的硬件和软件设计，采用了合理的滤 波算法提高系统数据采集精度和实时性。设计了上位机监控软件，很好的监测 了数据的变化情况。使用了c a n 总线光纤通信，提高了系统的数据传输速率和 抗干扰能力。 关键词：数据采集与处理，d s p ，c a n 总线，监控软件 武汉理 大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t he n h a n c i n gt h ec o m p l e x i t yo fm o d e mm o n i t o r i n gs y s t e m ，i ta l s os e t t h en e wr e q u e s tt ot h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e i n m a n yc o n t r o ls y s t e m s ，r e q u e s t t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l et ob ea b l et oc a r r y0 1 1r e a l t i m e ，t h eh i g hs p e e dd a t a a c q u i s i t i o na n dt h eh i g ha c c u r a c yd a t ap r e t r e a t m e n tt om u t i l - c h a n n e l t h i sa r t i c l e t a k i n gd a t aa c q u i s i t i o na n dt h em o n i t o r i n gs y s t e mt h e o r ya sab a c k g r o u n d ，t a k i n ga s r e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n gd e s i g nt m s 3 2 0s e r i e sd s pi st h ec o n t r o lc o r es p e c i a l l y , u s i n g t h ec a nb u s c o m m u n i c a t i o n u s i n g v i s u a l c + + d e v e l o p i n gc o m p t e r m o n i t o r i n gs y s t e m ，h a sc o m p o s e dh i g hs p e e d ，r e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e m t h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt a k e st h ed s ps m a l l e s ts y s t e ma sac e n t e r , f u l l y u s e sd s p sd i d om o d u l e ，a dc o n v e r s i o nm o d u l e ，s p ii n t e r f a c em o d u l ea n dt h e c a nc o n t r o l l e r m o d u l e c o m p l e t e d t h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m h a r d w a r e d e v e l o p m e n t ，a n de n a b l et h i ss y s t e ms y s t e mt oh a v et h eg o o da n t i j e m m i n ga b i l i t y i n c 2 4 xs e r i e sg e n e r a lt i m e r , p u l s e - d u r a t i o nm o d u l a t i o ne l e c t r i cc i r c e i t , a d ，t h es c i ， t h ec a n c o n t r o l l e r , t h ew a t c h - d o ga n ds oo n ，p r o v i d dt h er i c hr e s o u r c e sf o rd s p a p p l i e di ni n t e l l i g e n tc o n t r o l ，e l e c t r i c a lm a c h i n e r yc o n t r o l ，e l e c t r i cp o w e re l e c t r o n i c t e c h n o l o g y w bc a r d e do u tt h ec a nb u so p t i c a lf i b e rc o m m u u l c a t i o n si nt h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m a n dr e a s o n a b l yu s i n gc a nc o n t r o l l e rm o d u l ed e v e l o p m e n t s y s t e mt h ec a n b u sc o n n e c t i o nm o d u l e ，l e tt h es y s t e mr e a l i z a t i o nm u l t i c h a n n e l ， m u l t i - f i e l dd a t ag a t h e r i n ga n dm o n i t o r i n g u s i n go p t i c a lf i b c r - c a nb u sn e t w o r k e n h a n c e st h ec a nb u sn e t w o r ka n t i j a m m i n ga b i l i t y , g u a r a n t e e st h ec a nn e t w o r k n o r m a lo p e r a t i o n f i n a l l yw ec o m p l e t e dc o m p u t e rm o n i t o r i n gs o f t w a r e c o m p u t e rm o n i t o r i n g s o f t w a r eu s e dw i n d o w sa p li nv i s u a lc + + 6 0t op r o g r a mt h ec o n t r o ls e r i a lp o r t t h i s s y s t e m i no r d e rt or e a l i z et h er e a l - t i m ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m s c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n 。h a su s e dac s e r i a l p o r tk i n d ，i n s i d eh a sp a c k a g e dt h e w i n 3 2a p is t a n d a r dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ，i u s tl e a v e ss e v e r a ls i m p l ep r a c t i c a l i n t e t r a c ef o ru s c i st oc a l l b u tc o n v e n i e n t l ys u p p o r t st h es e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n w eh a v er e a l i z e dt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g no fd s ph i g i ls p e e dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e r n u s e dt h er e a s o n a b l ef i l t e ra l g o r i t h mt oi n c r e a s et h es y s t e md a t a a c q u i s i t i o np r e c i s i o n a n dd e s i g n e dc o m p u t e rm o n i t o r i n gs o f t w a r et om o n i t o rt h e c h a n g eo fd a t a i nt h i ss y s t e m ，w eu s e dt h ec a n b u so p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n st o e n h a n c ed a t aa c q u i s i t i o na b i l i t ya n dt h ea n t i j a m m i n ga b i l i t yo ft h es y s t e m k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，d s p , c a nb u s ，m o n i t o r i n gs o f t w a r e 独创性声明 y8 6 1 1 1 7 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：l 磕二豳日期：边z ! ! 丛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：硷= 卫垒导师签名：逝日期：艺血腰 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备，其基本任务是把信 号送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同的需要进行相应的计算和处理。 它将模拟量采集、转换成数字量后，再经过计算机处理得出所需的数据。同时， 还可以用计算机将得到的数据进行储存、显示和打印，以实现对某些物理量的 监视，其中一部分数据还将被用作生产过程中的反馈控制量。 计算机总线技术使得基于p c 机的数据采集系统在与远程监控、通讯、医 疗器械等领域有着广泛的应用。其基本思想均是由数据采集系统将模拟信号转 换成数字序列，然后再将高速处理系统或微型计算机进行处理。其中，数据采 集系统完成数据的调理、采集和控制，与计算机的数据交换由采集系统中的相 应控制芯片完成。最终的数据处理、储存与显示则由计算机完成。 为了确知某一测试对象的各项特性，我们常常要借助各种仪表和各种手段 ( 直接或遥测) 来获得各种各样的测量结果( 数据) 。但若将得到的这些数据不 加任何处理和加工就直接交给使用者使用，则是非常不适当的。因为在这些数 据中包含有变换误差、设备误差以及在传输过程中( 当采用遥测方式时) 引入 的各种干扰所造成的误差等。而且这些数据通常都很大，有意义的部分和无意 义的部分混杂在一起，如不加取舍地直接交给使用者，必然会造成使用者的极 大不便。另外，很多情况下还需要通过加工( 即将数据作某种变换) 以便给使 用者提供物理意义更加明确直观的数据形式。上述问题都要靠数据处理加以解 决。 总之，数据处理在整个科研工作中是个重要的必不可少的环节，数据处理 系统工作的质量和速度如何，对整个科研工作的影响也是很大的。从广泛的意 义上来讲，数据采集与处理的主要包括以下几个方面： ( 1 ) 数据的采集：主要是解决非电量转换为电量的问题以及多路复用、数 据的模拟形式和数字形式之删的转换问题。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 数据的记录；数据的存储是非常重要的问题。 ( 3 ) 数据处理：包括预处理、数据检验和数据分析等步骤。 不言而喻，精度要求是数据采集与处理过程中的核心问题，在我们研究采 用哪种采集方式和处理方法时，都不应忘记这个基本要求。 随着科学技术的飞速发展，对数据处理的实时性要求也愈来愈迫切。显然， 不论在哪个应用领域中，数据处理越及时则经济效益就越大。例如在实时监控 系统中，必然要求对测量数据实时处理。又如在新型飞机试飞中如能实现对某 些关键数据的实时处理和监测，就能在这些数据发生异常变化时及时发现并采 取措施，以避免机毁人亡的重大事故发生。可见，实时处理数据意义是很大的。 由于电子计算机技术的蓬勃发展，为提高数据处理的实时性提供了广阔的前景。 1 2 数据采集的基本概念 随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多的取代模拟设备，在 生产过程控制和科学研究等广泛领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要 的作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例 如温度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先 将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就 是数据采集。它是计算机在监测、管理和控制一个系统的过程中，取得原始数 据的主要手段。 数据采集就是将被测量对象的各种参量通过各种传感器元件做适当转换 后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数 据处理或储存纪录的过程【1 】。控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数 据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。 用于数据采集的成套设备称为数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 。 数据采集系统追求的主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量的 测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速度 不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范围，便于实 现动态测试。 现代数据采集系统具有如下主要特点： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率 等大为提高，也节省了硬件资源。 ( 2 ) 软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 ( 3 ) 数据采集与数据处理相互结合的日益紧密，形成数据采集与处理系统， 可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。 ( 4 ) 数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需 要；对于通用数据采集系统一般希望有尽可能搞的速度，以满足更多的应用环 境。 ( 5 ) 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越 来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。 ( 6 ) 总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术对数据采集系统结 构的发展起着重要作用。 1 , 3 数据采集系统的基本组成 数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可以分为模拟部分和 数字部分。图1 - 1 是硬件基本组成示意图1 2 】。下面简单介绍一下数据采集系统的 多 计 路 叫至 _ 怔三卜 算 开 机 关 接 口 图1 - 1 数据采集系统基本组成 传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量，例如使用热电偶、热电 阻可以获得随温度变化的电压：转速传感器常把转速转换为电脉冲等。通常把 传感器输出到a d 转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。 放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号比较小，因此需 要加以放大，以满足大多数d 转换器的满量程输入5 - 1 5 v 的要求。此外，某 些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到了阻抗变换器的作用 3 武汉理工大学硕士学位论文 来缓冲输入信号的共模分量，就产生了各种差分放大器、仪用放大器和隔离放 大器；为了使不同数量级的输入电压都具有最佳变换，就有量程可以变换的程 控放大器；为了减少放大器输出的漂移，则有斩波稳零和激光修正的精密放大 剐3 】【4 1 。 1 4d s p 与c a n 总线相关技术的发展 1 4 1d s p 的广泛应用和发展 在许多检测和控制系统中，数据采集模块都是很重要的组成部分，数据采 集模块完成对大量原始的现场数据和信息的采集与预处理，并通过建立与上位 机的实时通信，向系统提供数据。对于数据采集模块，通常要求其能对多通道 进行并处理，具有较高的实时性并有一定的数据处理能力。 随着现代检测与控制系统复杂性的提高，对数据采集模块也提出了新的要 求。在很多控制系统中，要求数据采集模块能够对多个信号通道进行实时、高 速的数据采集与高精度的数据预处理。传统的数据采集处理模块多以单片机为 中央处理器，结合外围的信号调理电路，a 仍转换电路，以及控制电路来完成 数据采集过程。8 位的5 1 单片机对数据的运算和处理能力有限，难以适应高精 度数据采集与处理的要求。因此，对于高精度，高速度的数据采集与处理系统， 需要使用更高端的处理器，例如1 6 位的单片机，3 8 6 处理器等。使用高端的处 理器的数据采集系统组织较为复杂，开发周期长，而且由于其指令的通用性， 数字信号处理算法如数字滤波，f f t 等实现困难，对处理器的利用率不高。单 片机从本质上说属于事物密集型的处理器，使用传统的单片机难以满足该数据 采集系统对于数据运算方面的要求。 数字信号处理器( d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是数字信号处理理论与超 大规模集成电路( v l s i ) 技术融合的结晶。目前，d s p 技术已经广泛地应用于 仪器仪表、通信、图像处理、频谱分析、电机控制等领域，在推进信息处理数 字化方面发挥着越来越大的作用。与传统的单片机相比，d s p 放弃了冯诺伊 曼结构，代之以程序和数据分开的哈佛结构，可以同时访问指令和数据空间， 允许数据在程序存储器和数据存储器之间进行传输，高度的操作“并行性”大 4 武汉理工大学硕士学位论文 大提高了处理速度，指令周期多为n s 级，比普通单片机快了3 个数量级。d s p 还支持流水处理，提高了程序运行的速度。新型d s p 不仅具有数据处理功能， 而且集成了越来越多的其他部件，为d s p 应用于智能测控、电机控制、电力电 子等领域提供了资源条件，并可以组成新型的d s p 嵌入式应用系统l 研。 本文中的设计为某集中式稳定控制系统中的数据采集模块。该数据采集系 统主要包括：数据采集模块，通信处理模块，上位机监测控制模块等。数据采 集模块用来采集各种传感器的信号值，包括电流、电压模拟量，开关量等等， 并对这些值进行计算分析，并将处理结果发送给上位机。上位机对当前各传感 器状态作出判断，采取相应的控制策略，使系统持续稳定工作。 在该稳定控制系统中，数据采集模块实质上是一个实时数据采集与处理系 统。除了完成实时的数据采集外，还完成对数据的处理，包括数字滤波，转换 等。对于数据采集模块，必须选择一个高速的中央处理器，使具备实时事务处 理能力和数据处理能力，能够高速完成数字信号处理算法。本课题采用了1 r i 公司d s p 作为核心处理器件。1 1 公司的各种型号的d s p 专为实时信号而设计， 在其各种型号的d s p 中，t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列d s p 将实时信号处理能力和控制 器外设功能集于一身，为本数据采集系统提供了一个非常理想的解决方案。基 于该数据采集系统对于速度，功耗，成本等方面豹考虑，本课题采用了 t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列d s p 中的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为数据采集系统的中央处理器。 1 m s 3 2 0 u 毪4 0 7 的指令执行数度高达3 0 m i p s ，作为控制器应用它具备良好 的实时控制能力；它的供电电压为3 3 v ，与单片机相比，具有更低的控制器功 耗；它的指令系统提供了丰富的“乘累加”，“循环寻址”等指令，这使得实时 信号处理中的数字滤波，可以方便快速的实现。1 m s 3 2 0 i 砣4 0 7 集成了丰富的 片内存储器和控制器外设，它具备片上3 2 k 的f l a s h 存储器，这对于数据采集 过程中的数据缓冲非常方便1 6 】。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 采用两级中断结构，具备强大 的中断处理能力，同时，它还具备两个事务管理模块，能实时管理1 6 个输入通 道的a d 转换器，4 个1 6 通道定时器以及4 个捕获单元。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 还具 备通用的r s 2 3 2 通信接口，可以与p c 机等具备u a r t 接口的系统进行实时通 信，交换数据，这对于数据采集系统的调试非常方便i 7 j 1 8 j 。 采用t m s 3 2 0 u 吃4 0 7 作为本数据采集系统的核心处理器件，充分利用d s p 的片上资源，可以实现对数据采集过程的高效管理，高速实现对数据进行滤波 等运算，满足数据采集系统的各种要求。 5 武汉理1 2 大学硕士学位论文 1 4 2o n 总线技术的应用和发展 c a n 总线在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比决定了它在 许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。大型仪器设备系统复杂，对多种信 息进行采集、处理、控制、输出等操作。如医疗器械c t 断层扫描仪，为保证 其可靠工作，在数据通信上要求功能块间可随意进行数据交换、通信能以广播 方式进行、简单经济的硬件接口、通信线尽量少、抗干扰能力强、可靠性高并 能自动进行故障识别和自动恢复。但是，这些要求长时间未能得到很好的解决， 直至c a n 总线技术出现才提供了一个较好的解决方法。在广泛的工业控制领 域，c a n 总线可作为现场设备级的现场总线，与其它总线相比，具有很高的可 靠性和性价比。这必将是c a n 技术开发应用的一个主要方向。在以往的国内测 控领域，由于没有更好的选择，大多采用b i t b u s 或r s - 4 8 5 作为通信总线。其 不足主要有：一主多从，无冗余；数据通信为命令响应，传输率低；错误处理 能力弱。采用c a n 总线技术后即可解决上述问题。c a n 网络上任何一个节点 均可作为主节点主动地与其它节点交换数据；c a n 网络节点的信息帧可以分出 优先级，这对于有实时性要求的控制提供了方便；c a n 的物理层及数据链路层 有独特的设计技术，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高。c a n 的上述特点使其成为诸多工业测控领域中首选的现场总线之一。 根据国内外资料报道，c a n 技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建 设中，如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点可以随机访 问，通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量都很少。适当的网关 如c a n 与t c p i p 协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场c a n 信息 转变为i n t e r a c t 的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为 c a n 的形式，此即实现了所谓的远程控制。 1 5 本文研究的主要内容 ( 1 ) 充分熟悉t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x d s p 硬件概况、内部资源、c 语苦库函数、 c 语言编程与调试环境及其各个子模块的接口c 语言程序。完成d s p 输入，输 出模块、模数转换模块、串行外设接口模块和c a n 控制器模块的设计与应用。 6 武汉理】：大学硕士学位论文 ( 2 ) 在充分了解d s p 中c a n 控制器模块的功能的前提下，研究c a n 总 线在数据采集系统的应用，c a n 总线的传输介质要使用光纤接口和双绞线接口 两种方案，便于系统调试，提高系统抗干扰能力和数据传输速率。使系统能够 通过c a n 总线和其它子系统相互通信。 ( 3 ) 用v i s u a lc + + 6 0 中的w i n d o w sa p i 编程开发上位机监控软件，软 件要求能对各通道数据进行实时监控，并且能够连接数据库，保存所采集的数 据，以便对数据进行分析，监测系统状态和性能。 7 武汉理【大学硕士学位论文 第2 章d s p 数据采集系统总体设计方案 2 1 数据采集系统基本要求 本系统是专为某现场数据采集而设计的。该现场需要对多个传感器进行数 据采集，并且对多个设备进行开关控制。该系统要求对各个通道数据进行实时 高速的采集与处理，保证采集速率要快，采集结果精度高。同时能够通过开发 上位机监控软件，对采集的数据进行分析，并做出判断，给出控制策略和相应 的调节。 2 2 数据系统总体结构设计 本设计采用了d s pt m s 3 2 0 i f 2 4 0 7 作为核心处理器，在其基础之上扩展数 据输入输出模块、模数转换模块、串行通信接口模块和c a n 控制器模块1 6 】， 完成数据采集系统硬件开发，并针对系统要求使用v i s u a lc + + 6 0 开发了上位机 监控软件。其结构图如图2 - 1 所示。 图2 1d s p 数据采集与处理系统结构框图 ( 1 ) 模数转换模块主要是在处理器的基础上扩展d 转换芯片来完成与传感 的连接，并将模拟信号转换成数字信号。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 串行通信接口模块主要是用来实现处理器与上位机的串行通信，保证处 理器能与上位机进行实时、快速通信。 ( 3 ) c a n 控制器模块是将本数据采集系统设成一个c a n 总线上的一个节 点，通过c a n 通信与其它子系统进行通信。 ( 4 ) 上位机监控软件的设计很好的实现对采集数据的实时监控，使用户能够 通过数据实时的做出判断，对现场的各个模块进行相应的调整。 2 2 1 核心处理单元的选择 在整个数据采集与处理系统设计过程中，对核心处理单元的选择，我们开 始制定了两种方案：方案一是由5 1 单片机来作为系统核心处理单位，方案二是 由d s p 来作为核心处理器。但是经过比较，有各种原因使我们最终选择了方案 二，也就是d s p 来作为整个数据采集与处理系统的核心处理单元。 图2 2 两种方案的结构框图 虽然单片机已经从8 位，1 6 位向3 2 位发展，而且价格低廉，结构简单， 但是它的两个最大的不足之处在于，首先，单片机的数学运算能力差；其次， 就是它的运算速度慢，实时性很差。而d s p 芯片则完全弥补了单片机的这两点 9 武汉理工大学硕士学位论文 不足。d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法 器，广泛采用了流水线操作，提供了特殊的d s p 指令，可以快速的实现数字信 号处理1 9 j 。 在众多d s p 系列中，t m s 3 2 0 系列d s p 的体系结构专为实时信号处理而设 计，该系列d s p 控翎器将实时处理能力和控制外设功能集于一身，为控制系统 应用提供了一个理想解决方案。该系列d s p 具有以下众多优点使得我们选择了 它：灵活的指令集、灵活的内部操作、高速的运算能力、改进的并行结构和较 低的成本。 2 2 2c a n 总线通信模块的设计 在现场总线的设计过程中，我们考虑过用r s - 4 8 5 的基于r 线构建分布式 控制系统。但是较之目前许多r s 4 8 5 基于r 线构建的分布式控制系统而言，基 于o 总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性。 首先，c a n 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优 先权( 取决于报文标识符) 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数 据，且c a n 协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不 同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得c a n 总线构成的网络各节点之 间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的 灵活性。而利用r s 4 8 5 只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询 的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。 其次，c a n 总线通过c a n 控制器接口芯片8 2 c 2 5 0 的两个输出端c a n h 和c a n l 与物理总线相连，而c a n h 端的状态只能是高电平或悬浮状态，c a n l 端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在r s 4 8 5 网络中，当系统有 错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些 节点的现象。而且c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使 总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点 出现问题，使得总线处于“死锁”状态。 而且，c a n 具有的完善的通信协议可由c a n 控制器芯片及其接口芯片来 实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协 议的r s 4 8 5 所无法比拟的。另外，与其它现场总线比较而言，c a n 总线是具 1 0 武汉理： 大学硕士学位论文 有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现 场总线。这些也是目前c a n 总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的 重要原因i ”1 。 由于本系统只是整个现场主控制系统中的一个子系统，需要与主系统其他 子系统进行通信，并且相互能够进行实时的数据传输和处理。而c a n 具有独特 的设计思想，良好功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强，结构简单， 只有两根线与外部相连，通信方式灵活，可以点对点、点对多点及全局广播方 式发送和接收数据等等优点【1 1 】，我们选择使用d s p 本身就具有的c a n 总线控 制器模块来完成于其它子系统的通信。具体框图如图2 3 所示。 图2 - 3 子系统间c a n 通信框图 每个子系统负责的工作各不相同，但是又相互联系。子系统针对自己采集 的数据，做出判断，提出控制策略，发送信号给另一个子系统，使该子系统能 完成相应的控制工作，保证整个现场各个部分的协调、稳定的运行。 2 2 3 上位机监控软件设计 w i n d o w s 环境下编程最大特征之一就是设备无关性，它通过设备驱动程序 将w i n d o w s 应用程序与不同的外部设备隔离。由于v c + + 6 0 的基础类库( m f c ) 封装了w i n 3 2 a p i 中的标准通信函数，可方便的支持串口通讯。它很容易地实 现了w i n d o w s 下p c 机与d s p 的串行通信，并使系统具有更强的通用性和可移 植性。w i n d o w s 9 x n t 2 0 0 0 中的a p i 一般都支持3 2 位的操作，因此又称为w i n 3 2 a p l 。由于用于串行e l 通信的w i n 3 2 a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) 非 武汉理工大学硕士学位论文 常庞大，而且使用起来也很困难。它包含了一个很长的函数列表，再加上几个 内容相当多的数据结构，而且还没有更为明确的方法使用户所需的功能综合在 一起。 本系统为了实现上位机与下位机的实时通信，采用了一个c s e r i a l p o r t 类， 里面封装了w i n 3 2 a p i 中的标准通信函数，只保留简单实用的接口供用户调用， 可方便地支持串口通讯。在对话框类c c o m m t e s t d l g 中调用c s e d a l p o r t 类及其 它类的成员函数，就完成了微机通信软件的设计任务。在程序工程中，添加多 个对话框，实现对数据的采集与监控、端口通信配置、数据存储等功能。 2 3 本章小结 本章简单概述了d s p 采集系统的基本构成，比较了d s p 和单片机的优缺 点，讨论了为什么用d s p 作为核心处理器件。针对系统要求，选择c a n 总线 通信来完成本数据采集系统与其它子系统通信的功能。本文在后面的章节将详 细的介绍系统硬件设计，c a n 总线在数据采集系统中的应用以及如何用v i s u a l c + + 开发上位机监控软件。 武汉理l 大学硕士学付论文 第3 章数据采集系统硬件设计 3 1 数据采集系统硬件设计 d s p 是一种特殊结构的微处理器。其内部采用程序和数据分开的哈佛结构， 可快速实现各种适用于数字信号处理的算法。它具有速度快、调试方便、集成 容易、稳定性好、精度高等优点，适用于各种数据采集系统1 1 2 1 。本数据采集系 统以d s p 最小系统为中心，外围扩展数据输入通道，其功能是对输入的模拟信 号进行滤波和整形，数据输入通道的后端是a d 转换器件。a d 转换电路使用 了t l c 2 5 4 3 完成对模拟信号的采样和转换，s c i 接口电路用来实现d s p 与p c 机之间的串行通信。系统结构框图如图3 1 所示。 图3 - 1d s p 数据采集系统结构框图 硬件电路设计包括以下几个部分： ( 1 ) d s p 最小系统 ( 2 ) 模拟量采集通道 ( 3 ) s c i 接口电路 ( 3 ) s c i 接口电路 3 塑堡兰盔堂堡堂鱼鲨塞 ( 4 ) 数据输入输出模块 3 2d s p 模块 3 2 1 功能强大的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在第一章绪论部分曾初步的介绍了t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，本节将从硬件系统的需 求角度，详细的介绍这款芯片。 3 2 1 1t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列的d s p c o r e 的内部结构 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片属于德州仪器公司c 2 4 x 系列定点d s p a c 2 4 x d s p ，主 要面向基于控制的应用。c 2 4 x 系列d s p 芯片集成一个高性能的d s p 内核 ( d s p c o r e ) a c 2 4 x d s p 相对于过去的1 6 位的微处理器和微控制器，提供了超 强的性能f 1 3 i 。 图3 - 2c u p 的输入定标器、中央算术逻辑单元和乘法单元 c 2 4 x 系列d s p 芯片在执行速度上：单周期指令的执行时间为3 3 纳秒( n s ) ， 即每秒能运行指令3 0 m 条。其代码兼容性强，源代码与所有c l x ，c 2 x 向下兼容， jc s x 向上兼容。存储器可寻址存储空间1 9 2 k ( 6 4 k 字程序空间、6 4 k 字数 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 据空间、6 4 k 字i o 空间) ，三条独立的寻址总线，使程序寻址、数据寻址和外 设空间都互不干扰，加快程序执行时间。片内4 k 程序数据r a m ，3 2 k 程序 f l a s h 存储器，完全满足一般的数据采集或简单控制系统的编程代码需求。 在c p u 核中有一个3 2 - b i t 算术逻辑单元( c a i1 j ) ，一个3 2 - b i t 累加器 ( a c c ) ，1 6 1 6 b i t 并行乘法器，3 个定标移位器，8 个1 6 - b i t 辅助寄存器、带 有数据存储器间接寻址用的专用算术单元。具体结构如图3 2 所示。 在程序控制上拥有4 级流水运算、8 级硬件堆栈和用户禁止中断线；但指 令操作的指令集，单周期乘法，累加指令，存储器块搬移指令以便更好地管理程 序和数据，有检索寻址能力。 带片上扫描逻辑电路j t a g 口( m e e1 1 4 9 1 标准) ，十分方便地用于仿真 和调试阶段，使调试可视化，大大地加快调试过程，缩短调试周期。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 器件继承了c 2 4 x 系列d s p 芯片具有较高的所有特征，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 0 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。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 器件还拥有丰富 的外设资源l l “。 3 2 1 21 m s 3 2 0 u 恐4 0 r 7 丰富的外设资源 r i m s 3 2 0 u 咤4 0 7 器件的主要外设接口如下： ( 1 ) e v e n tm a n a g e r ：事件管理器，主要包括定时器和p w m 发生器。 ( 2 ) c a n 接口：与c a n 2 0 ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 标准兼容，有6 个 邮箱。 ( 3 ) a d ：1 6 b i t ，1 微妙，8 通道的模数转换器。 ( 4 ) s p i ：串行外设接口一同步串口。 ( 5 ) s c i ：串行通讯接口一异步串口( u a r t ：u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r a n dt r a n s m i t t e r ) 。 ( 6 ) 看门狗定时器：没有实时中断功能。 ( 7 ) g p l 0 ：通用双向数字l o 管脚。 外设与c p u 内部内存之间通过外设总线( p b u s ，p e r i p h e r a lb u s ) 接口相联 接。c p u 对所有片上外设的存取都通过p b u s ，除了看门狗定时器外，所有的 外设都由c p u 的时钟来驱动。它有2 6 个位选数字1 0 口，大多数这些1 0 口是 1 5 武汉理1 犬学硕士学位论文 和其他功能复用的，如事件管理器，串行通讯口，中断等。当设备复位时，大 多数数字i o 复用口的缺省作为输入管脚【”1 。 图3 - 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 外设资源结构图 其中，事件管理器( e v e n tm a n a g e r ) 模块和模拟数字转换器( a d ) 模块 在数据采集软件系统中的数据采集模块中起到硬件的主要支撑层。数据采集模 块的编程主要就是针对这两大硬件模块的操作和控制。 3 2 1 3 独特的内存管理 除了作为c p u 内核一部分的的双向可存取r a m ( d a r a m b o ，b 1 。b 2 ) 外，还包括一个片上可编程f l a s he p r o m 。它包括一个6 4 k 字大小的程序空间， 一个6 4 k 大小的数据空间( 3 2 k 本地数据空间加上3 2 k 本地全局数据空间) ， 一个6 4 k 大小的i o 空间。c 2 4 x 的设计是基于增强型哈佛结构，它通过三个并 行的总线读取内存：程序地址总线( p a b ：p r o g r a ma d d r e s sb u s ) ，读数据地址 总线( d r a b ，d a t a - r e a da d d r e s s b u s ) ，写数据地址总线( d 1 m r ，d a t a - w r i t ea d d r e s s b u s ) 。在d s p 运算的不同阶段，这三个总线操作不同的内存地址空间。因为这 些总线的操作是相互独立的，所有可以同时操作程序和数据总线。在一个给定 的机器周期内，c a l u 可以执行三个并发的内存操作指令。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的地址空间被分成三个独立的可选空间，如图3 4 所示。 ( 1 ) 程序空间( 6 4 k 字) ：包括将要执行的指令和指令执行中马上将要