（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的can总线通信及监测系统的设计.pdf

基于d s p 的c a n 总线通信及监测系统的设计 捅要 本文以导师的基金项目“故障诊断仪的研究与开发”为基础，进行了基于d s p 的c a n 总线通信及监测系统的设计。采用了t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片作为本系统的主 控制芯片，以c a n 总线为底层网络，通过u s b c a n 智能接口卡与上位机进行通信，利用 图形化的编程语言l a b v i e w 进行测试软件的开发，对通信数据进行监测。 硬件方面，以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为控制核心，设计了d s p 系统的外围模块及c a n 总 线通信模块的硬件电路。通过d s p 内部集成的具有强大功能的c a n 总线控制器( e c a n ) 来传输数据，克服了传统r s - 4 8 5 总线的弊端。软件方面，在d s p 的集成开发环境c c s 下，利用c 语言，进行了软件的编程与调试。通过对c a n 总线协议的制定，实现了与上 位机的实时通信。此外，论文还详细给出了监测系统中各个功能模块的程序框图以及自 定义的c a n 总线应用层协议。 上位机的监测模块采用l a b v i e w 语言编写，简洁直观、操作简单、可靠性高、可维 护性好。该模块具有以下四个功能：即参数配置、数据传输、定时存储和实时显示等功 能。在测试过程中，通过监测界面显示出的测试信息，可了解整个系统的运行状态。模 块化设计与开发的方法，增强了系统的可靠性、稳定性，大大缩短了试验周期。 通过对本系统多次进行试验测试，该系统运行稳定，设计思路正确，实现了预期的 功能，能够实现通信功能和上位机监测功能，对于实际项目有着一定的实用价值。 关键词：状态监测，故障诊断，d s p ，c a n 总线，l a b v l e w d e sig no fc a nb u sc o m m u nic a tio na n dm o nit o r s y s t e m b a s e do nd s p a b s t r a c t c o m b i n i n gw i t hm yd i r e c t o r sf u n dp r o j e c tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ef a u l t d i a g n o s ei n s t r u m e n t i ns h a n x ip r o v i n c e ，t h i s p a p e rs t u d i e dt h ed e s i g no fc a nb u s c o m m u n i c a t i o na n dm o n i t o rs y s t e mb a s e do nd s eu s i n gt h et m s 3 2 0 f 2 812d s po ft i c o m p a n y , t h et e s t i n gs y s t e mt a k e sc a nb u sa sb o t t o mn e t w o r kt oc o m m u n i c a t ew i t hp c t h r o u g hu s b c a ni n t e l l i g e n tc o n n e c t i o nc a r d f i n a l l yi tc a r r i e so nt h em o n i t o rt ot h e c o r r e s p o n d e n c ed a t a ，a n da d o p t st h eg r a p h i c sp r o g r a m m i n gl a n g u a g el a b v i e wa st h ee x p l o i t t o o lo ft h es o f t w a r e i n h a r d w a r e ，t h ee l e c t r i cc i r c u i tf o rt h o s ep e r i p h e r a lm o d u l e sa n dt h ec a nb u s c o m m u n i c a t i o nm o d u l ew h i c ht a k e st m s 32 0 f 2 812a sc o r ec o n t r o l l e ra r ed e s i g n e d p o w e r f u l c a nb u sc o n t r o l l e r , e c a n ，i su s e dt ot r a n s m i td a t a ，w h i c hi si n t e g r a t e di nt h ed s ec a nb u s h a sl o t so fa d v a n t a g e so v e rt h er s 一4 8 5b u s 。t h es o f t w a r ei sd e b u g g e di nt h ec c si d ea n d u s i n gcl a n g u a g e t h es y s t e mm a k e st h ef u n c t i o no fr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nw i t hp cb y c o m p i l i n ga n dc o m p o s i n gt h ea p p l i c a t i o na g r e e m e n to fc a nb u s i na d d i t i o n ，t h ep r o g r a m c h a r to fe v e r yf u n c t i o nm o d u l ed e s i g n e di nt h em o n i t o rs y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o na g r e e m e n t o fc a nb u sa r eg i v e ni nt h i sp a p e r t h em o n i t o rm o d u l ew h i c hi sc o d e dw i t hl a b v l e w l a n g u a g eh a s as u c c i n c t d i r e c t - v i e w i n gs u p e r v i s i n gi n t e r f a c e , a n di th a ss o m ea d v a n t a g e so fs i m p l eo p e r a t i o na n dh i g h r e l i a b i l i t ya n de a s ym a i n t a i n i n g t h i ss y s t e mc a np e r f o r mt h ef o l l o w i n go p e r a t i o n s ：p a r a m e t e r s c h e m e ，d a t at r a n s m i s s i o n ，f i x e dt i m es a v ea n dr e a l - t i m ed i s p l a y , a n ds oo n i nt h ep r o c e s so f t e s t , t h eo p e r a t i o n a li n f o r m a t i o ni sp r o v i d e db yt h et e s ti n f o r m a t i o no ft h ec o n s o l ei n t e r f a c e t h em e t h o dw h i c hi sd e s i g n e dm o d u l a r l yi m p r o v e sd e p e n d a b i l i t ya n de f f i c i e n c y ，a n di t r e d u c e sg r e a t l yt h ee x p e r i m e n t a lc y c l e e x p e r i m e n t si n d i c a t e ，t h i ss y s t e mi ss t a b l ea n dc o r r e c t ，a n dt h ea n t i c i p a t e df u n c t i o nh a s b e e nr e a l i z e d i tc o u l dr e a l i z et h ec o r r e s p o n d e n c ef u n c t i o na n dm o n i t o rf u n c t i o nw i t hp c ， w h i c hh a sc e r t a i np r a c t i c a lv a l u et ot h ea c t u a lp r o j e c t k e yw o r d s ：c o n d i t i o nm o n i t o r ，f a u l td i a g n o s i s ，d s p ，c a nb u s ，l a b v i e w 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：丝盔j日期： 如名产 - 2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签 名： 导师签名： 日期：垡：坐：兰重 日期：纠伊矿 中北大学学位论文 1 绪论 1 1 状态监测与故障诊断技术的研究内容 设备状态监测与故障诊断技术( c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t sd i a g n o s i s ) 是一门以设备及其群体为对象，建立在机械工程、测试技术、信号处理、计算机应用技 术、人工智能等众多理论基础上的新兴综合性科学技术1 。它是通过对设备状态参数的 采集，经过仪器的分析处理并与标准参数进行对比，定量的了解和掌握设备在运行过程 中的状态，确定其整体或局部是正常还是异常，早期发现故障及其原因，并能预测故障 发展的趋势。它依赖于先进的传感器技术，涉及到信号分析和处理、人工智能和专家系 统、计算机应用等方面的知识，并随着人们对设备可靠性的要求和对设备现代化维修、 管理的需要迅速发展起来。 设备的状态监测与故障诊断包含两方面内容：一是对设备的运行状态进行监测；二 是在发现异常情况后对设备的故障进行分析、诊断。所谓状态监测，就是通过对运行中 设备的各种状态变量及信息进行检测、测量，对得到的信息进行分析和判别，并结合设 备的运行条件和历史数据对设备的工作状态给出评价的过程。同时，它为进一步的故障 诊断作必要的信息及数据上的准备，是故障诊断系统运作的前提及实现自动化测试、诊 断的基础。而故障诊断，则是通过状态监测所得到的数据来判断设备是否正常，即识别 设备是否发生了故障，并根据故障理论确定故障的性质、类别、原因，乃至说明发展的 趋势及影响等，为预报：控制、维修提出依据，是诊断技术的关键1 。 设备状态监测与故障诊断即有区别又有联系，在生产过程中，有时将二者统称为设 备故障诊断。实际上，没有监测就没有诊断，监测是手段，诊断是目的。监测是诊断的 基础和前提，诊断是监测的最终结果。状态监测通常是监视和测量设备或部件运行的状 态信息和特征参数，并以此来判断其状态是否正常。设备故障诊断不仅要检查出设备是 否正常，还要对设备发生故障的部位、产生的原因、故障的性质和程度给出深入的分析 和判断，即要做出精密诊断。这就不仅仅要求对状态监测和故障诊断理论有比较系统的 中北大学学位论文 了解，更重要的是对设备本身的结构、特征、动态过程、故障机理以及故障发生后的后 续事件有比较清楚的了解。从这一角度来看，故障诊断技术与状态监测系统有比较大的 区别，有着十分不同的专业倾向u 1 。 总之，状态监测和故障诊断技术是通过掌握设备过去和现在运行中的状念量，判明 设备运行状态的优劣、是否安全、有无异常以及预测设备将来的可能状态，从而确定必 要对策的技术。 1 2 课题研究的目的和意义 近年来，随着现代化大生产的发展和科学技术的不断进步，工业设备的发展日益趋 于大型化、高速化、系统化，其结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来 越高。不仅同一设备的不同部分之间相互关联，紧密耦合，而且不同设备之间也存在着 紧密的关系，在生产过程中形成一个整体。这一方面虽然满足了提高生产率、降低生产 成本、提高产品质量等客观要求。但另一方面由于许多无法避免的因素影响，有时设备 会出现各种故障，引起链式反应，导致整个设备损坏甚至整个生产过程不能正常进行， 轻则引起产品的质量或产量下降，重则造成巨大的经济损失，灾难性的人员伤亡并产生 恶劣的社会影响。例如，1 9 8 5 年山西大同发电厂2 号机组联轴器螺栓断裂，经济损失约 达亿元以上。而1 9 8 6 年4 月前苏联切尔诺贝利核电站四号机组因发生严重振动而造成 核泄露，致使2 0 0 0 多人死亡，直接经济损失高达3 0 亿美元，对整个社会环境更是造成 了难以修复的影响。这些灾难性事件的不断发生，使得人们对工业设备运行的安全性和 可靠性提出了越来越高的要求。 如何提高设备的可靠性，保障设备安全、稳定地优质运行，防止和消除设备故障， 对设备进行全寿命管理，已成为工程界亟待解决的课题。自六十年代开展起来的设备状 态监测与故障诊断技术，从理论到工程应用都取得了重大进步，为设备的管理和维修提 供了重要的依据，取得了巨大的经济效益。实践证明设备状态监测能及时的、正确的记 录设备在运行过程中的各种状态数据，经过初步运算，可以为工作人员提供必要的信息， 从而为故障的预测及诊断提供了原始参数。实时预警、报警系统的应用使工作人员能够 在设备将要出现故障或已经出现故障的情况下及时采取各种措施进行维修保养，对保证 2 中北大学学位论文 设备运行的安全性和可靠性，确保生产的连续性，避免重大事故的发生起到了积极的作 用。可见，设备故障诊断、监测技术在现代工业生产中起着非常重要的作用，开展设备 故障诊断技术的研究具有重要的现实意义。近年来已在设备的合理使用、安全运行、事 故分析、性能评价，特别是预知维修中获得了广泛的应用1 4 - 5 。 本课题的目的是为工业设备状态监测系统的开发提供一种比较通用的通信及监测 平台。该平台是一个基于d s p 的c a n 总线通信及监测系统，利用d s p 强大的数字运算能 力，将其采集到的数据通过c a n 总线实时传输至上位机，并在l a b v l e w 监测界面中显示、 存储，以备进一步的研究。本系统在硬件和软件上都具有一定的通用性和可扩展性，能 够为开发人员提供比较友好的人机交互方式和良好的应用程序接口，从而可以降低开发 的难度并缩短开发周期。而且将d s p 与c a n 总线相结合，系统的可靠性和实时性能也得 到了很大的提高。 1 3 国内外研究动态和趋势 状态监测与故障诊断技术起源于美国，产生的背景是在2 0 世纪6 0 年代由于航天、 军工方面发生的事故造成了严重后果，为避免这些灾难性的后果，迫切需要装备系统的 稳定性，安全性，可靠性和故障预知性。近几十年来各国都在大力开展有关设备故障诊 断技术的研究，并已取得了显著的成效，获得了巨大的经济效益【6 l 。 智能仪器大多数都是在单片机系统基础上开发的，随着现代工业的发展，生产规模 不断扩大，对设备运行保护的要求越来越高。而单片机采用的是冯诺伊曼总线结构， 乘法运算速度慢，在运算量大的实时控制系统中很难有所作为。数字信号处理器( d s p ) 技术的快速发展，以及对数据强大的分析处理功能，使其在实时状态监测技术方面的应 用越来越广泛。采用高速d s p 作数据处理单元，可简化装置硬件结构，使其成本降低、 集成度更高，在工程实际应用方面具有广阔的前景。 状态监测和诊断技术与工业企业密切相结合，能为企业带来巨大的经济效益。先进 的工业国家在8 0 年代初就已形成了状态监测与诊断仪器这一新兴产业，并在世界范围 内推销其产品。如德国s c h e n c k 公司的p o r t 5 0 0 0 系列，瑞典s p m 仪器公司的s p m 系列，美国b e n t l y 公司的a d r ef o rw i n d o w s 2 0 8d a i u 便携式故障诊断系统等等。进 3 中北大学学位论文 入9 0 年代后，国外一些著名的设备状态监测仪器生产厂家已经相继推出计算机网络化 的在线状态监测系统，特别是以美国n i 公司推出的虚拟仪器为典型代表，使得仪器系 统设计思想发生了重大改变。通过这些设计方法，我们可以很容易地做到在距离现场很 远的办公室，就像操作一台电子仪器一样对现场的信号进行实时监测【7 0 1 。 在国内这一领域虽然起步较晚，历史不长，但发展很快。特别是近2 0 年来，得到 了前所未有的重视和发展，其应用领域也十分广泛。国内开发的系统，在功能上与国外 系统的差距已不明显，特别是性价比普遍高于国外系统，但国内系统的可靠性同国外系 统相比还有较大的差距，这是我们今后需花大力气解决的问题。其中，比较有名的有北 京东方振动和噪声技术研究所开发的i n v 3 0 3 3 0 6 型智能信号采集和处理分析系统，集 数据采集、信号处理、故障诊断、多功能分析于一体，在国内得到了广泛的应用。浙江 大学开发了基于a r m 7 的d m - - 6 0 0 3 测试分析仪，具有初步测试和数据分析功能。深圳长 乐科技基于d s p 的发动机启动分析仪r p 8 0 3 0 ，但功能不够强大，特别是涉及密集计算的 数据分析功能有待改善。山东工业大学的潘贞存等采用a d 公司的高速数字信号处理器 a d s p 一2 1 8 1 作为c p u 组成采集系统，可以完成多种测量和监控功能，并且具有较高的测 量精度。孟昭勇等人采用了t i 公司t m s 3 2 0 c 2 5 型号的d s p 来实现高性能的电力监控仪 f l i - t 3 。 从单片机巡检与诊断，到上下位机式的主从式结构，直到今天的以网络为基础的分 布式结构，状态监测与故障诊断系统结构越来越复杂，实时性越来越高。一切监测诊断 技术最终都要落实到实用的状态监测与故障诊断系统中去，并且基于网络的在线监测与 诊断技术也在不断的运用于现代生产中，这些都是故障诊断技术发展的必然趋势 1 4 - q 6 】： 在系统结构方面，将以分布式网络化监测方式为主，数据采集由智能前端装置实现，状 态监测和故障诊断将由中央计算机完成，实现系统结构分布化，监测层次化；在计算机 硬件平台技术方面，功能强大的工作站、服务器和网络将综合在一起形成网络系统，许 多先进的硬件技术得到广泛应用，如现场总线技术、大容量高速硬盘技术、高速图形显 示技术以及多媒体技术等；在计算机软件方面，高性能的u n i x 和w i n d o w sn t 等实时多 任务操作系统、优良的图形用户接口、动态数据交换、网络通讯、实时数据库、面向对 象的编程语言等先进软件系统及技术将得到应用，并为故障诊断系统软件的开发和运行 4 中北大学学位论文 提供一个开放的优良环境；在系统软件功能方面，将向人机自然语言接口、实时多任务 全过程在线监测、诊断过程自动组态等方向发展。 近十几年来，国家对该项技术极为重视，投入了大量的人力、物力，相信在不远的 未来，我国的设备状态监测与故障诊断技术水平一定能够赶上世界其他国家。 1 4 本论文所要完成的主要工作 随着计算机及网络技术的发展，设备状态监测与故障诊断在网络结构上有了很大的 改进。主从式结构在功能上把数据采集和数据处理分开，由下位机专门负责对相关设备 进行现场数据的采集，大大提高了数据采集的实时性和可靠性。而数据的存储及进一步 分析、处理和故障诊断则由上位机来负责。上下位机相互协作，共同完成对设备的状态 监测与故障诊断。主从式结构由于其采集速度快，可扩展性强，可靠性高、技术成熟等 特点在大型设备或密切协作设备群的状态监测与故障诊断中得到了广泛的应用，成为现 有监测诊断系统的主流结构。目前，基于d s p 的便携式状态监测与故障诊断系统已成 为国内外相关领域研究的热点。 本论文正是基于此种情况下，将d s p 数据采集系统与l a b v l e w 上位机监测系统通过 c a n 总线通信有效的结合起来，具有传输速度快、可靠性高、抗干扰能力强等特点。本 论文研究的主要内容有： ( 1 ) 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的外围电路及c a n 总线通信模块的设计。包括d s p 芯片的选型、 电源模块、模数转换模块、频率采集模块、外部存储器扩展模块及c a n 节点模块的硬件 电路设计。 ( 2 ) 通信系统的软件设计。包括编写c a n 节点的软件设计，以及通过参考c a n 总线通信 协议，制定针对本系统的具体的应用协议信息。 ( 3 ) 上位机监测系统的设计。包括对所选择的开发工具l a b v i e w 的介绍，上位机与d s p 模块之间的连接，以及监测界面的设计。 ( 4 ) 对系统的调试。包括c a n 总线通信的有效性测试和监测系统的有效性测试。 全文共分为六章，第一章绪论，简要介绍了选题的背景及意义，概述了当前国内外 设备状态监测与故障诊断技术发展的现状及论文所要完成的内容。第二章系统的硬件设 计，阐述了d s p 技术的发展、d s p 系统外围电路及通信模块的硬件电路设计。第三章通信 5 中北大学学位论文 系统的软件设计，详细说明了c a n 总线通信的技术规范，应用层协议的制定，以实现数 据信息的有效传输。第四章l a b v i e w 监测界面的设计，将d s p 采集到的数据通过c a n 总线 实时有效的传输到上位机监测界面并显示出来。第五章系统的综合调试，通过试验证明 了该系统的真实性、可靠性。第六章是本文的结论部分，对全文所做工作的经验教训进 行了总结，指出了需要进一步深入研究的内容，并对今后系统平台的发展方向进行了展 望。 6 中北大学学位论文 系统的硬件设计 设备状态监测与故障诊断系统必须满足信号的实时动态分析的要求，因此采用d s p 作为主处理器，并结合c a n 总线构成通信系统平台，具有明显的优势。 2 1 d s p 技术概述 d s p 是d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 和d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 的通用简称。前 者是数字信号处理技术，指将模拟信号通过采样数字化后的信号进行分析、处理，侧重 于理论、算法的实现，是- n 涉及多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。后者是 数字信号处理器技术，是实现数字信号处理技术的硬件支持【1 7 1 。数字信号处理器( d s p 芯片) 是数字信号处理技术与数字信号处理应用之间的桥梁和纽带。随着计算机和信息 技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。当2 0 世纪8 0 年代初 世界上第一片可编程d s p 芯片诞生时，理论研究结果才广泛应用到低成本的实际系统中， 并推动了新的理论和应用领域的发展。d s p 芯片的诞生及发展对近2 0 年来通信、计算机、 控制等领域的技术发展起到了十分重要的作用。 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片是目前最有影响、最为成功的d s p 系列处理器【1 9 1 。其价格 较低，具有较高的数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制能力， 特别适合用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化、智能化仪器仪表、电力电 子技术应用及电机控制系统等。 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片， 才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯片的选择应根据实际 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 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择d s p 芯片时应主要考虑如下因素 2 1 - 2 4 ：( 1 ) 运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择时所需要考虑的一个主要因素。 ( 2 ) 不同的d s p 芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内r a m 的数量，外部可扩展 的空间，i o 接口等，可适应不同的需要。( 3 ) 在d s p 系统的开发过程中，如果有功能 7 中北大学学位论文 强大的开发工具的支持，包括软件和硬件的开发工具，则开发的时间就会大大缩短。在 上述诸多因素中，d s p 应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的d s p 芯片的基础。 运算量小则可以选用处理能力不是很强的d s p 芯片，从而可以降低系统成本。相反，运 算量大的d s p 系统则必须选用处理能力强的d s p 芯片，如果d s p 芯片的处理能力达不到 系统的要求，则必须用多个d s p 芯片并行处理。 2 2 系统硬件设计总体框架 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行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1 2 s 1 。考虑到本设计的速度 要求以及系统未来更新升级的需要，选用了d s p 芯片。 2 2 1 d s p 系统的典型结构 d s p 系统可能由一个d s p 及外围总线组成，也可能由多个d s p 组成，完全取决于系 统对d s p 处理的要求。其主要任务是将前向通道输出的信号按照一定的算法进行分析、 处理，然后将处理的结果以数据流的形式输出给后向通道。后向通道主要由d a 、f v 、 平滑滤波器及功率放大等部分组成。大多数d s p 系统还有通信、人机接口等部分，系统 可以通过p c i ，i s a ，v x i 等总线插在计算机上工作，或通过c a n 、l o nw o r k s 等现场总 线将整个系统作为整个现场系统中的一个节点。整个系统的协调运行主要依靠正确的地 址分配、逻辑控制等电路设计，可以用c p l d 等可编程逻辑器件完成。由于d s p 芯片及 其中的c p l d f p g a 等都是可编程的并且在保密性上具有优势因此整个系统灵活性高， 适应性强，保密性能好【2 i j 。典型的d s p 系统构成如图2 1 所示： 8 中北大学学位论文 图2 1d s p 典型系统 在前向通道中，先通过传感器将各种信号转化为一定幅值的电信号，再将这些信号 进行带限滤波和抽样，然后进行a d 变换将信号变换成数字比特流。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 ) 。数字处理是d s p 的关键，最后经过处理 后的数字样值再经d a ( d i g i t a lt oa n a l o g ) 变换转换为模拟样值，之后再进行内插和 平滑滤波就可得到连续的模拟波形。 2 2 2 系统节点硬件设计选择 一般而言，定点d s p 芯片的价格便宜，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，且c 语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗也较大。综合考虑 各种因素，本设计选择目前开发已经比较成熟的低功耗低成本且具有相当集成度的定点 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主处理器。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司最新推出的低价格、高性能的3 2 位定点d s p 数字信号处理 器，是到目前为止用于数字控制领域性能最好的d s p 芯片。它是在t m s 3 2 0 c 2 8 x 为内核 的基础上扩展了相应的存储器并集成了大量的片内外设而成的新一代适用于工业控制 的d s p 芯片。这种芯片最高速度可达1 5 0 m i p s ，可以在单个指令周期内完成3 2 * 3 2 位的 乘累加运算。其本身具有1 2 8 k b 的f l a s h ，外部r a m 可以根据需要进行扩充。此外，f 2 8 1 2 9 中北大学学位论文 还具有高性能的1 2 位模数转换能力，改进的通信接口和1 m b 的线性地址空间，同时代 码和指令与f 2 4 x 系列完全兼容，这就保证了项目或产品设计的可延续性。 软件方面，f 2 8 1 2 开发既可使用c 2 8 x 汇编也可使用a n s ic c + + 语言，t i 公司提供 的集成开发环境c o d ec o m p o s e rs t u d i 0 2 2 为用户提供了c c + + 编译程序、汇编程序、 连接程序以及基于w i n d o w s 的调试程序。c c s 通过主机和实时分析工具使用户更加方便 的对d s p 目标进行完整的分析，可加速系统的开发和测试。 2 2 3 系统外围电路设计 2 2 3 1 电源模块设计 一般集成电路板上的器件都是+ 5 v 供电，f 2 8 1 2 则为+ 3 3 v 驱动，可以用电平转换 芯片来驱动，但是系统中的数模转换器等器件对驱动电压要求高一些。如果将+ 5 v 提高 至l j + 1 5 v ，那么驱动电流将大大的降低，会影响器件的工作，甚至不能驱动。所以我们设 计的电源电路有4 个电压输入，分别为+ 1 5 v ，1 5 v ，+ 5 v 和g n d 。使用4 个插针的插 口，电源由特定的变压器来实现。 f 2 8 1 2 芯片的一大特点就是采用了内核电压和i o 电压分开的双电源供电方式，这 有效的降低了芯片的功耗。其中一路电源电压为+ 3 3 v ，为g p i o 、f l a s h 、r o m 和a d c 提供工作电压，这样可以直接与外部低电压器件连接，而不需要额外的电平转换电路； 另一路电源为+ 1 9 v ，主要为c p u 内核提供能源，即为该器件的内部逻辑提供电压。因 此，在设计系统电路时，需将+ 5 v 电源变换为+ 3 3 v 和+ 1 9 v 给d s p 供电，这就需要设 计一个专门的电压转换电路。电压转换电路如图2 2 所示： lo 中北大学学位论文 + 1 5 v 司_ 一! ! ! ：! il 1 5 v 司h “十li _ t 兰! 图2 2 电压转换电路 本文选用的是t i 公司的t p s 7 5 7 3 3 芯片将+ 5 v 电压转换为+ 3 3 v 。它是属于l d o 类 型的电压转换芯片，输入电压为+ 5 v ，输出为+ 3 3 v ，最大输出电流为3 a ，完全满足系 统需要。同时，f 2 8 1 2 的内核电压为1 9 v ，这里采用的是t i 公司的t p s 7 6 8 0 1 q 电压转 换芯片，通过一个3 0 k q 和一个1 8 k q 电阻的分压，输出电压得到1 9 v 电压，最大输出 电流为2 a 。 对于实际的d s p 应用系统，特别是产品化的d s p 系统，可靠性是一个不容忽视的问 题。由于d s p 系统的时钟频率较高，在运行时极有可能发生干扰和被干扰的现象，严重 时系统可能会出现掉电或死机现象。因此，在本系统中采用了t p s 3 8 2 3 - 3 3 芯片设计复 位电路。t p s 3 8 2 3 - 3 3 芯片是t i 公司生产的电源监测电路芯片，可以为d s p 及其系统提 供电路的初始化和定时监测，具有手动复位、低电平触发复位以及看门狗定时器等功能。 复位电路如图2 3 所示： 中北大学学位论文 图2 3 复位电路 f 2 8 1 2d s p 有两个复位源：外部复位引脚和看门狗定时器溢出。复位引脚为一个i o 引脚，如果内部复位时间( 看门狗定时器) 发生，则该引脚被设置为输入方式，并且被 拉为低电平，向外部电路表明d s p 正在自己复位。 1 ) 2 8 1 2 芯片的引脚x r s 是复位信号输入端，通常需要一个宽度为几个纳秒的有效低 电平脉冲使芯片复位，并需要一个宽度为s y s c l k 时钟周期的脉冲，以保证器件识别复 位信号。在设计复位电路时，一般应从两种复位的需要去考虑，一个是上电复位；另一 个是工作中的复位。在系统刚接通电源时，复位电路应处于低电平以使系统从一个初始 状态开始工作。这段低电平应该大于系统的晶体振荡器起振时间，以便于避开振荡器起 振时的非线性特性对整个系统的影响。工作中复位则要求复位的低电平至少保持6 个时 钟周期，以使芯片初始化能够正确的完成。 2 ) 看门狗定时器复位：看门狗电路在实际应用中是必不可少的，主要用来检测软件和 硬件的运行状态。如果看门狗定时器上溢，或者有一个不正确的值写入看门狗密钥寄存 器或写入看门狗控制寄存器，就会产生一个看门狗定时器复位信号，使c p u 复位，程序 从系统软件的开始执行。通过这种方式，有效地提高了系统的可靠性。 2 2 3 2 模拟数字转换模块设计 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部集成有一个1 2 位带流水线的模数转换器，总采样速率为 1 2 5 m s p s 。它有1 6 个通道，可配置为2 个独立的8 通道模块。两模块能够自动排序， 每个模块可以通过多路选择器选择8 通道中的任何一个通道。在级联模式下，自动排序 1 2 中北大学学位论文 器将变成1 6 通道。f 2 8 1 2d s p 的电压输入范围是0 3 3 v ，而外部模拟输入电压的范围 为+ 5 v ，因此，我们需要使用l t l 6 3 1 芯片将输入电压转换成可接入d s p 的电压值。a d 转换电路如图2 4 所示： 图2 4a d 转换电路 其中，l t l 6 3 1 是凌特公司生产的运算放大器，其内部集成了4 个运算放大电路， 可将+ 5 v 的电压范围缩小至+ 3 3 v 以内接入d s p 芯片，从而保护了芯片的a d 采集电 路，不会因电压超出测量范围而烧毁。并且，输入模拟信号中会夹杂许多随机干扰信号， 很容易对系统检测的信号产生抑制。而传感器、硬件信号处理电路本身也含有热噪声及 随机噪声，因而可以采用软件编程的方法对信号进行滤波处理。 2 ，2 - 3 3 频率采集模块设计 本系统中对转速等信号的测量主要通过d s p 控制器的捕获单元来实现，f 2 8 1 2 的事 件管理器总共有6 个捕获单元。通过初始化程序对捕获单元的各个控制寄存器进行配置 后，捕获单元即可工作。当选定捕获单元在捕获引脚上出现了指定跳变边沿时使能触发。 所选通用定时器的计数值被装入到相应的f i f o 栈。与此同时，相应的中断标志位被置 位，如果该中断标志没有被屏蔽，则外设中断将产生一个中断请求信号，如果使用了捕 获中断，则可以从中断服务子程序中读取捕获到的计数值。如果没有使用捕获中断，则 可以通过查询中断标志位和f i f o 堆栈的状态位来确定是否发生了捕获事件，若已发生 捕获事件则可以从相应捕获单元的f i f o 堆栈中读取捕获到的计数值。 本系统中选用了4 个捕获单元，作为频率信号输入接口，其频率采集电路设计如图 2 5 所示： 1 3 中北大学学位论文 图2 5 频率采集电路 要对输入信号进行频率测量，必须将此信号调理成方波信号，然后将此信号送至 d s p 的捕获口，由d s p 内部的捕获单元对其进行频率采集。输入信号f i n o 通过r c 低 通滤波器滤除信号中的谐波成分，以避免测量结果受谐波影响，然后经过由l m 3 1 l 构 成的电压过零比较电路，转换成方波信号，输出为c a p l ，然后到d s p 的捕获口c a p l ， 进行频率的测量。l m 3 1 1 芯片是飞利浦公司生产的电压比较器，可将输入电压从+ 1 5 v 的范围降低到+ 3 v 以内，输出则与d t l 、1 1 l 等电路相匹配。试验表明，用此电路通 过捕获口测量的频率有着较高的精度，能满足系统的指标要求。 2 2 3 4 外部存储器扩展模块设计 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是一款高性能的d s p 芯片，其内部己集成了1 2 8 k 字节的f l a s h 用 作程序存储器，还有1 8 k 字节的r a m 用做数据存储器。一般来讲，这些配置对于大部 分控制应用环境已足够使用。但是，在对运算速度要求很高的处理程序中，通常将经常 访问的程序段读入内部r a m 再运行，这样能大大提高运行速度。而f l a s h 的烧写次 数是有限制的，当程序位于f l a s h 中时，也没有办法通过设置断点的方式进行调试， 因此，在一般的调试中，还需要将程序写入r a m 中运行。为了该使平台有能力存储不 问断的采集数据和分析结果，必须外扩一定容量的数据存储器。 基于对系统以后的扩展和软件升级的考虑，我们采用c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 0 4 1 静态r a m 作为扩展f 2 8 1 2 的外部存储器，其扩展电路图如图2 6 所示： 1 4 中北大学学位论文 a 0 45 柚1 0 0 7d 0 0 加3 ii o l 8d 0 1 a 0 23 31 0 2 9d 0 2 d l 2 ”1 0 3 l od 0 3 b , 0 01 i o 1 3d 0 4 0 j4 4 j1 0 5 l d 0 5 a 0 6 3 m 1 0 6 l j d 0 6 a 0 72 71 0 7 1 6 d 0 7 a 0 82 7 柚1 0 8 2 9 d 1 3 a 0 9 2 6 a 9 1 0 9 3 0d 1 2 a 1 0 2 j i ol o l o 3 1 d l l a l l2 4 l l1 0 i l 3 2 d l o a 1 22 l 1 2l o l 2 3 j d 9 a 1 32 0 1 3i o l 3 3 6 d 8 a 1 41 9 l 1 0 l 3 7d 1 4 a 1 51 8 1 5i o l 5 3 8d l j a 1 62 2 1 6 a 1 72 3 1 7 i e x z c s 26 ，、 弭n e1 7xc e x r dl = w e o=o e l3 9=b h e b l e l u 图2 6 外部存储器扩展电路 c y 7 c 1 0 4 1 是一款高性能c m o s 型存储器，其容量大小是2 5 6 k * 1 6 位。具有如下 特点：一是如果这个器件没有被选择，它便处于低功耗状态，这就减少了电源损耗。二 是速度快，工作电压为+ 3 3 v ，可以直接与d s p 芯片相连接，满足d s p 的读写周期，不 需要额外增加等待状态，因此简化了硬件设计电路。由于d s p 采样用统一寻址方式， c y 7 c 1 0 4 1 即可作为程序存储器，也可作数据存储器。图2 6 中，用x z c s 2 来选通它， 外部存储区域2 ，其映射地址为：o x 8 0 0 0 0 o x c 0 0 0 0 。 2 3 t m s 3 2 0 f 2 8 12 的c a n 总线通信模块的设计 在工业控制领域中，随着技术的发展，自动化程度越来越高，工业生产的规模不断 扩大，在上位机状态监测与故障诊断开发系统和现场终端设备之间需要有一种容错性和 可靠性更强的智能化设计。而且，各子系统必须通过网络连接起来，以便于各种信息资 源共享。由于c a n 总线具有实时性好、可靠性高、抗电磁干扰能力强、传输距离远、通 信速度快、采用短信息帧结构和多主随机通信方式以及可使用多种通信介质等许多优 点，在各种工业自动化控制系统中都得到了广泛的应用【2 6 1 。 设备监测主机通过c a n 总线从各个子系统获取现场数据信息，监测整个系统的工作 状态，控制各模块的启动和退出，完成人机对话，响应近端或远端的操作。各个子系统 之间以及子系统与监测主机之间通过c a n 总线连接通信，通信网络拓扑结构采用总线式 1 5 中北大学学位论文 结构。 随着t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的大量推广使用，基于e c a n 的c a n 总线通信方式得到了广泛的 应用心7 1 。e c a n 模块是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 片上的增强型c a n 控制器，其性能较之已有的 d s p 内嵌c a n 控制器有较大的提高，在进行c a n 总线通信时，数据传输更加灵活方便、 数据量更大、可靠性更高、功能更加完备。 本模块是一个以d s p 为核心的通用c a n 总线数据通信系统，属于c a n 总线的一个最 小系统节点，结构设计保证了在性能稳定的情况下，具有通用性、实用性和可扩展性等 特点。据此，系统的c a n 总线通信电路主要由微控制器d s p 和c a n 总线收发器组成，其 通信结构图如图2 7 所示： 图2 7c a n 总线通信结构图 2 3 1 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的e c a n 模块的功能及特点 c a n 总 线 目前广泛使用的c a n 总线器件有两大类：一类是独立的c a n 控制器，如8 2 c 2 0 0 ， s j a l 0 0 0 及i n t e l8 2 5 2 6 8 2 5 2 7 等；另一类是带有c a n