（信号与信息处理专业论文）基于dsps的智能诊断系统的数据采集与处理.pdf

摘要 油燃机等往复机械，是动力、交通、舰船、石化等重要部门的关键设备。因此，成 为近年来国内外诊断领域研究的热点方向。但是此类复杂机械非稳态的多源激励特性、 时变的传递路径特性以及复杂运行机理影响而相互关联变化的非平稳振生等动态信号 、 反映形式，使得这一研究方向具有相当的难度。4 本文在分析国内外内燃机状态监测与故障诊断研究现状的基础上，给出了一种通 过油管压力信号来诊断内燃机燃油系统故障的总体设计方案。这类机械设备油管压力 诊断突出的两个技术特征：一是运行状态的非平稳性导致各种动态运动及油压信号的 非平稳性；二是设备结构及其运行机理复杂，机械内部激励源和故障振声源大量的增 加，呈现为复杂路径、多振源特性。这两个技术难点给这类机械的油管压力信号诊断 增加了相当大的难度，以至于至今尚无完善、准确的诊断系统问世。因此，在这一方 向的理论和方法上的任何进展，都具有重要的理论意义和现实应用价值。 ，工给出通过油管压力信号来诊断内燃机燃油系统故障的总体设计方案的同时。对诊 断系统的各个部分做了详细的分析与介绍。这几个部分包括：油压信号放大电路的设 计； d 转换的基本原理、类型、技术规范及其有关接口的一些技术特点；d s p ( d i g i n t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片的接口特点及其功能特点；f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 滤波器的设计及其用d s p s ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ) 实现的方法；油压信号功率 谱估计及其d s p 芯片实现同时根据定点d s p 芯片的特点，本文也特别强调了程序设 计时应当注意数的定标问题。 根据系统设计的要求本文详细地介绍了i n x l 5 0a d 转换器( a n a l o gt od i g i t a l c o n v e r t e r ) 的特点与工作模式。并且结合t 船3 2 0 f 2 0 6 外部时序的特点，阐述了两者接 口时应注意的时序配合等问题。并用硬件电路完成数据采集及其程序的设计同时， 详细论述了对采集刭的现场披据在d s p 芯片内部进行滤波和功率谱估计以及用d s p 芯 片实现的方法，并在论文中给出了现场采集到的油压信号处理后的波形。 其中创新性的工作有：提出一种合理的内燃机燃油系统的诊断方法；用定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 0 6 和m a x i s o 实现时序的配合：定点d s p 芯片的定标问题得以明确的论 述；在实验的基础上总结出适合油压信号滤波的方法。 由于水平和时间有限，本课题中仍存在诸多不足，如对于滤波方法的应用等方面， 一些理论水平较高的小波滤波等方法未被采用，自适应滤波也仅做了理论探讨，并对 系统提出一种改进的思路：此外油压信号功率谱估计采用的为经典功率谱估计的方法， 一， 而对频率分辨力更高的现代谱估计的研究尚不细致还有许多课题有待深入研究“ 关键j 司：模数转换数字信号处理叠滤波曩功率谱密度 2 a b s t r a c t s t h er e s e a r c ho nt h ed i a g n o s i so fr e c i p r o c a t i n gm a c h i n e r ys u c ha sg a se n g i n e sa n d c o m p r e s s o r s i sb e i n g p a i dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o nr e c e n t l yb e c a u s eo f i t si m p o r t a n c ei nt h e e s s e n t i a li n d u s t r i a lb r a n c hs u c h p o w e r , t r a n s p o r t a t i o n s h i p p i n g , p o t r o c h e m i s t r ye t c b u t t h eu n s t a b l em u l t i - s o u r c e se x c i t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t i m e v a r y i n gt r a n s f e rb e h a v i o u ra n d m u t u a l l yr e l a t e d - v a r y i n g n o n s t a t i o n a r y v i b r o a c o u s t i c a l r e s p o n s e m o d u l a t e d b y t h e m a c h i n e s c o m p l e xw o r k i n gm e c h a n i s mm a k e st h i s d i r e c t i o nf a c i n gm a n yc h a l l e n g i n g p r o b l e m s t ob es o l v e d o nt h ek n o w l e d g eo f d o m e s t i ca n da b r o a dr e s e a r c hp r o g r e s sa b o u ti n t e r n a l - c o m b u s t i o n e n g i n ef a u l td i a g n o s i s ，ac o l l e c t i v i t yd e s i g ni sg i v e no u t ，w h i c hd i a g n o i s e sf u e ls y s t e mo f t h eg a se n g i n eb yt h es i n g n a lo f t h ev i t t ap r e s s u r e i na d d i t i o n ，e v e r ya s p e c to f t h ed i a g n o i s i s s y s t e m i s d e t a i l e d l yd e s c r i b e da n di n t r o d u c e d t h e s ea s p e c t sa r e a sf o l l o w s f i r s t l y ，v i t t a p r e s s u r em a g n i 匆c i m u i t i s d e s g i n e d f u r t h e r m o r e ，t h ea n o l o g t o d i g i t a l c o n v e r t e r s k e y s t o n e ，s p e c i e s ，t e c h n i c c r i t e r i o na n di n t e r f a c e a s p e c t s a f ea l s o l i s t e d t h e n ，t h e c h a r a c t e r i s t i co fi n t e r f a c ea n df u n c t i o no fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r si sg i v e nt o o f i n a l l y ， f i n i t ei m p u l s er e s p o n s ef i l t e ri sd e s i g n e da n dt h es i g n a lo fv i t t ap r e s s u r ei sf i l t e r e da n di t s p o w e ri s e s t i m a t e db yd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s a to n et i m e 。t om e e tw i t ht h ea c q u i r eo f f i x e dp o i n td i g i n t a ls i g n a lp r o s e s s o r s c h a r a c t e r i s t i c ，t h ep a p e re s p e c i a l l ye m p h a s i z e do nt h e p r o b l e mo f s c a l i n g a c c o r d i n g t ot h ea c q u i r eo ft h ed i a g n o i s i cs y s t e m ，t h ep a p e rn o to n l yd e s c r i b e st h e c h a r a c t e h s t i ca n dw o r km o d eo fm a x l 5 0b u ta l s os o l v e st h et i m i n gp r o b l e mw h e n m a x l 5 0a n dt m s 3 2 0 f 2 0 6i n t e r f a c e a n dah a r dw s r ec i r c u i ti s d e s i g n e dt of i n i s hd a t a c o l l e c t i o n ，w h o s ep r o g r a mi s a l s od e s i g n e d a tt h es a l t l et i m e , t h em e t h o df i l t e r i n gt h e 3 c o l l e c t e dd a t aa n di t s p o w e re s t e m a t i n g i n d i g i t a ls i g n a lp r o s e s s o r s a r ei n t r o d u c e d d e t a l l e d l y a n dt h es i g n a lw a v e s a r eg i v e ni nt h e p a p e r a f t e rt h e yh a v eb e e np r o s e s s o r e d k e y w o r d s ： a dd s p sf i l t e r 4 一、绪论 1 1 国内外机械状态监测与故障诊断技术的现状旧2 “” 机械设备状态监测与故障诊断技术是一门近几十年发展起来的新学科，是一涉及 与融合机、电、计算机、数学、力学、声学、系统论与信息论等多学科内容的新技术。 美国六十年代初期开始执行阿波罗计划后出现的一系列严重设备故障，导致1 9 6 7 年在 美国宇航局的倡导下，由美国海军研究室主持成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) ， 积极进行诊断技术的研究与开发；航天、军工等方面的迫切需要为其奠定了发展基础。 这一学科得以普及应用的前提条件是六、七十年代信号处理技术、振动力学与声学测 试技术及计算机应用技术的成熟和实用化( 如六十年代f f t 快速付里叶变换的实用化， 微型计算机技术的普及应用等) ，七十年代英园皇家机械健康监视组织与状态监测协会 ( u k 姗眦c l i a ) 主席r a c 0 1 l a c o t t 出版的著作( m e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i sa n d c o n d i t i o nm o n i t o r i n g 为这一新兴应用学科的形成莫定了基础。随着现代机械设备 的不断复杂化、高速化、自动化及高可靠性发展，机械设备的维修越来越受到人们的 重视。为使维修达到最佳经济效益，与机械设备维修技术的不同发展阶段相对应，机 械设备状态监测与故障诊断技术的发展也经历了以下几个阶段： 基于故障事件的故障诊断阶段 机械设备在运行中突然发生故障被迫停机维修；则这一阶段的维修称为事后维修。 其相应的故障诊断目的就是迅速查找故障发生的部位为机器的迅速修复提供依据， 相应的诊断手段多是通过对机器的解体分析及经验判断来进行在此情况下，设备某 些运行参数的适用余量已经用尽，是一种落后的维修方式 基于故障预防的故障诊断阶段 这一阶段的维修策略是以机械设备的可靠性为出发点。制定出其最佳维修周期：故 5 称之为预防维修。这种维修方式立足于将故障隐患消除在故障发生之前，因此具有足 够的可靠性，是近代工矿企业主要的维修方式。当然它不可避免地形成了一定程度上 的过剩维修，造成相当程度的损失和浪费。这一阶段的诊断手段主要是一些简单的状 态测试仪，设有少量运行参数的报警值可以对突发性故障进行较为简单的预测和报 警。 基于故障预测的故障诊断阶段 这一阶段以设备实际运行状态的动态监测及故障预报为中心内容；其维修策略是通 过定期的设备运行状态监测和故障分析，以决定是否对机器进行维修、何时应对机器 何部件进行维修这就避免了过剩维修的缺陷，极大地降低了维修成本，提高了设备 的生产效益，因此称为预测性维修。这时的诊断目的是对机器的运行状态进行动态监 测和故障预报，从而决定机器运行参数适用余量的大小，为有计划的预测维修提供依 据。这种维修方式具有非常重要的研究和应用价值。目前，这- - i 程应用学科在欧美、 日本等发达国家已经以不同形式获得了推广应用，成为国际上一大热门研究课题。 1 2 内燃机状态监测与故障诊断研究现状。”删 根据社会生产力发展的需要和生产实践的要求而发展起来的机械设备诊断与状态 检测技术，于八十年代末就形成了容机械、电子、计算机等多种学科技术为一体的综 合性新学科。进入九十年代以来，有关内燃机的状态监测与故障诊断为愈来愈多的专 家学者所关注，成为相应研究的热点与难点。这主要是由于作为主系统的内燃机的结 构的复杂性及作为其子系统的各机构功能、运作方式的不同，使得在内燃机的故障诊 断与状态监测过程中，仅借助于单一信息源提供的信息以及采用传统方法难以实现诊 断目标。因此，充分利用各种检测手段以获得各种状态信息，形成集成与融合的综合 信息诊断，不失为完成内燃机全方位整体工作状态的诊断与监测的有效途径 用于内燃机故障诊断与状态监测的监测方法多种多样主要包括性能参数监测、振 声监测、磨损残留物监测、油管压力监测等几个方面。这几方面所使用的监测方法不 同首先是获取诊断信息的方式不相同：其次所用的识别技术不同；故障诊断与监测 的结果也分别反映了内燃机在工作和使用中的不同侧面性能参数监测是指通过监测 内燃机是否具有应有的动力，来判断其工作状态与运行情况，实际上其动力就成为决 定其是否需要维修或更换的重要依据，也是其他各故障的综合反映，即在现场原位条 件下准确测定内燃机的实际功率并确切指出其下降的原因目前此种方法已取得了较 大的发展，各种手段也较多，在实际生产中得到了广泛的应用：振声监测是指通过监 测内燃机某一部位的振动发出的振声信号，通过一定的信号分析手段，根据信号的特 性来判断内燃机运行状态；磨损残留物监测是指通过对内燃机润滑油磨损残留物中的 各成份的分析，来确定内燃机各部分的磨损状况，并且判断其运行状况，但这些方法 周期长，人力物力消耗大不适合现场监测与诊断，因此其应用受到一定的限制。 油管压力监测是指通过监测压力传感器产生的油管压力信号，并采取一定的信号 处理手段，来分析油压信号的特点，依次来分析判断内燃机的燃油系统的故障与运行 情况。本课题就是通过油压信号检测来对内燃机的燃油系统进行不解体的状态监测与 故障诊断。 1 3 本课题的依据和目的 简单激励、平稳时不变机械系统的动力学理论及分析方法正在日益成熟，并且成 为目前机械故障诊断研究与应用的主要手段，以此为基础的各种故障分析与诊断方法， 也在实际工程应用中产生了巨大的经济效益。但对于内燃机等往复机械，相应的动力 学分析理论尚未成熟而其复杂的机械结构以及能量转换过程所导致的复杂多激励性、 非平稳性等都给其故障诊断与状态监测带来一定的难度。同时由上面我们分析的内燃 机故障诊断与状态监测的现状，可以看到目前用于内燃机故障诊断与状态监测的监测 方法多种多样，这些方法虽然能在某些方面反映内燃机某些故障与状态，但也的确存 7 在较大的缺点。首先对于性能参数监测，此过程一般要使内燃机停止正常的工作，因 此带来不必要的经济损失：其次是磨损残留物，此种方式虽较有效，但此过程往往是 在实验室完成的，因此监测周期较长，很难做到实时监测。振生监测虽然也取得了一 定的成果，但由于其受环境干扰较为严重，因此监测结果并不是理想的。本系统所采 j 用的油管压力监测方法，是在总结各种方法的优缺点基础上提出的，并且由于在监测 过程中采用了d s p s ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ) 技术，使监测的过程能达到实时性 的要求；而且能够得到高信噪比的油管压力信号，当然这是与其它监测方法相比而言 的，使内燃机状态监测与故障诊断系统的研制成为可能 1 4 本课题研究的重要意义 由内燃机状态监测与故障诊断的研究现状可以看出。本文研究的内燃机等往复机 械，是动力、交通、舰船、石油化工等重要部门的关键设备，同时也是目前国内外诊 断领域研究的热点方向。这类机械设备油管压力诊断突出的两个技术特征：一是运行 状态的非平稳性导致各种动态运动及压力信号的非平稳性；二是设备结构及其运行机 理复杂，机械内部激励源和故障振声源大量的增加，呈现为复杂路径、多振源特性。 这两个技术难点给这类机械的油管压力信号诊断增加了相当大的难度，以至于至今尚 无完善、准确的诊断系统问世。因此，在这一方向的理论和方法上的任何进展，都具 有重要的理论意义和现实应用价值 1 5 内燃机燃油系统状态监测与故障诊断系统哪” 内燃机燃油系统状态监测与故障诊断系统的结构 由于本系统是一种应用于现场的状态监测与故障诊断系统，实时状态监测是本诊 断系统的一个重要特点，它不仅要连续不断地监视状态数据还要对大量数据进行动 态管理和分析 8 数据采集与处理部分的功能是完成数据采集、处理，并向诊断部分提供必需的信 息数据。数据采集与处理部分的结构如图卜5 - 1 所示，主要由传感器模块、信号调理 模块、采集保持模块、a d 转换模块、d s p s 处理模块等模块组成。 图1 - 5 - 1 内燃机燃油系统故障诊断系统的总体结构示意图 本系统共分两大部分，第一部分为信号的采集与处理部分( 这一部分是由d s p 芯片 来完成的) ：第二部分为系统诊断与分析部分( 这一部分由p c 机来完成的) 。 诊断系统各部分功能的简介 传感器：传感器的主要作用是把油管压力这种非电量转化成电量。在满足测量精度。 动态响应的条件下尽量选用性能价格比高，安装、使用方便的传感器。 信号调理：信号调理的功能是为了提高传感器所产生的电信号的质量，使其能够满 足 d 转换器对输入信号的要求。信号调理主要包括信号的变换、放大、整形、去噪、 滤波等其中，信号的放大和整形最为常用。 a d 转换：信号调理后的信号可分为两类：数字信号和模拟信号。数字信号可以直 接输入d s p 芯片，但模拟信号必须先转化数字信号后才能被d s p 芯片处理 数字滤波：滤波过程是通过一定的滤波算法在d s p 芯片内完成的 频谱分析：用经典的谱估计方法对油压信号进行功率谱估计这一步也是用d s p 芯 片完成的 9 奎型塾薹主兰留鳃_ 一一 p c 机诊断分析部分：诊断分析程序主要由四大部分组成：参数超限报警模块。关联 度计算与模式识别模块，故障模式库和故障分析模块。 1 6 课题已做的工作 对内燃机燃油系统智能诊断系统做出整体的设计。 完成数据采集的过程，其中包括传感器的选择、信号放大电路的设计、a d 转换电路 的设计等硬件电路及其程序的设计。 信号处理的过程其中包括滤波过程和信号频谱分析过程，这一步也是通过d s p 芯片 来实现的。 二、d s p s 的基本知识 可编程d s p s ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ) 是一种具有特殊结构的微处理器，为 了达到快速进行数字信号处理的目的，d s p 芯片一般都具有程序和数据分开的总线结 构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指 令集。将首先介绍d s p 芯片的基本结构，然后介绍本系统采用的t m s 3 2 0 f 2 0 6 芯片的特 征。 2 1d s p 芯片的基本结构m ” 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结构。下 面以t m s 3 2 0 系列为例介绍d s p 芯片的基本结构 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的基本结构包括：( 1 ) 哈佛结构：( 2 ) 流水线操作；( 3 ) 专 用的硬件乘法器；( 4 ) 特殊的d s p 指令；( 5 ) 快速的指令周期 这些特点使得 1 y $ 3 2 0 系列d s p 芯片可以实现快速的d s p 运算。并使大部分运算( 例 1 0 如乘法) 能够在一个指令周期内完成。由于t m s 3 2 0 系列d s p 芯片是软件可编程器件， 因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。下面分别介绍这些特点是如何在 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片中应用并使得芯片的功能得到加强的。 2 1 1 哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯诺曼( y o nn e u m a n ) 结构的并行体系结构，其主要 特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相 互独立的存储器。每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中 设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺曼 结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供 的地址来区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐 率低。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能 完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，t m s 3 2 0 系列d s p 芯片在基本哈佛 结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接 使用增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器( c a c h e ) 中，当执行此指令 时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。如t m s 3 2 0 c 3 0 具有 6 4 个字的c a c h e 2 1 2 流水线 与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时问，从而增强了处 理器的处理能力t 惦3 2 0 系列处理器的流水线深度从2 6 级不等第一代t 惦3 2 0 处 理器采用二级流水线。第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级流水线也就是 说，处理器可以并行处理2 6 条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段图2 - i 一1 所示为一个三级流水线操作的例子 取指! ：!j ! 兰 1 译码0 兰0 j l 盟l 0 一 ， 执行卜止l o l _ - l - 图2 - 1 - 1 三级流水线操作 4 在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理这可使指令执行 能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同 的阶段。例如，在第n 个指令取指时，前一个指令即第n - 1 个指令正在译码，而第n - 2 个指令则正在执行。一般来说。流水线对用户是透明的。 2 1 3 专用的硬件乘法器 在一般形式的f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 滤波器中，乘法是d s p 的重要组成 部分。对每个滤波器抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，d s p 处理器 的性能就越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多 个指令周期来完成。相比而言。d s p 芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。在 t m $ 3 2 0 系列中由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。从最早 的t m s 3 2 0 1 0 实现f i r 的每个抽头算法可以看出。滤波器每个抽头需要一条乘法指令 m p y ： l t；装乘数到t 寄存器 d i d o vi 在存储器中移动数据以实现延迟 m p yl 相乘 a p a c；将乘法结果加到a c c 中 1 2 其他三条指令用来将乘数装入到乘法器电路( l t ) ，移动数据( d m o v ) 以及将乘法结 果( 存在乘积寄存器p 中) 加到a c c 中( a p a c ) 。因此。若采用2 5 6 抽头的f i r 滤波器， 这四条指令必须重复执行2 5 6 次，且2 5 6 次乘法必须在一个抽样间隔内完成。在典型 的通用微处理器中每个抽头需要3 0 4 0 个指令周期，而t m s 3 2 0 1 0 只需4 条指令。 如果采用特殊的d s p 指令或采用t m s 3 2 0 c 5 4 x 等新一代的d s p 芯片，可进一步降低f i r 抽头的计算时间 2 1 4 特殊的d s p 指令 d s p 芯片的另一个特征是采用特殊的指令。d m o v 就是一个特殊的d s p 指令，它完 成数据移位功能。在数字信号处理中。延迟操作非常重要，这个延迟就是由d m o v 来实 现的。t m s 3 2 0 1 0 中的另一个特殊指令是l t d ，它在一个指令周期内完成l t 、d m o v 和 a p a c 三条指令。l t d 和m p y 指令可以将f i r 滤波器抽头计算从4 条指令降为2 条指令。 在第二代处理器中，如t m $ 3 2 0 c 2 5 ，增加了2 条更特殊的指令，即r p t 和i a c d 指令， 采用这2 条特殊指令可以进一步将每个抽头的运算指令数从2 条降为i 条： r p t k2 5 5；重复执行下条指令2 5 6 次 m a c d；l t ，d m o v 。m p y 及a p a c 2 1 5 快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令再加上集成电路 的优化设计，可使d s p 芯片的指令周期在2 0 0 n s 以下t m s 3 2 0 系列处理器的指令周期 已经从第一代的2 0 0 n s 降低至现在的2 0 n s 以下快速的指令周期使得d s p 芯片能够 实时实现许多d s p 应用 2 2t m s 3 2 0 f 2 0 6 的基本知识呻”州 t m s 3 2 0 f 2 0 6 是继t m s 3 2 0 c 2 x 和t i i s 3 2 0 c s x 之后出现的一种低价格、高性能定点d s p 芯片。t m s 3 2 0 f 2 0 6d s p 芯片具有如下优点： ( 1 ) 处理能力强。指令周期最短为2 5 n s ，运算能力达4 0 m i p s ： ( 2 ) 片内具有较大的闪烁存储器。闪烁存储器具有比r o w 灵活、比r a m 便宜的特点。 t m s 3 2 0 f 2 0 6 片内具有3 2 k 字的闪烁存储器和4 5 k 字的r a w 。利用闪烁存储器存储 程序，不仅降低了成本，减小了体积，同时系统升级也比较方便； ( 3 ) 功耗低。t m s 3 2 0 f 2 0 6d s p 芯片在5 v 工作时每个n i p s 消耗1 9 m a ，在3 3 v 工作时 每个m i p s 消耗1 i m a 。使用d s p 核的省电模式可进一步降低功耗； 2 2 1 t n s 3 2 0 f 2 0 6 的基本特征 指令周期：l o o n s 片内掩膜r o m ：4 k 字 片内r 埘；5 4 4 字，分b 0 、b l 和b 2 三块 程序和数据空间均为6 4 k 字 具有8 级硬件堆栈、8 个辅助寄存器 具有全静态双缓冲串行口，可与许多串行器件直接接1 ：3 与低速片外存储器通信的等待状态插入 采用h o l d 操作的d m a f f t 变换用的比特反转寻址 扩展精度算术和自适应滤波支持 从外部存储器全速执行的姒c 姒c d 指令 具有在多处理器之问进行同步的能力。支持多处理器共享存储器 1 4 l o o n s 的指令周期可提供较强的运算能力。由于大部分指令在一个指令周期内执 行，处理器在i 秒内可执行1 0 0 0 万条指令( i o m i p s ) 。运算能力的增加主要得益于乘 累加指令( m a c ) 和带数据移位的乘累加指令( m a c d ) 、具有专用算术单元的8 个辅助 寄存器、适合于自适应滤波和扩展精度运算的指令集支持、比特反转寻址、快速的i 0 支持等。 指令集中提供在两个存储空间中进行数据移动的指令。在外部，程序和数据存储 空间在同一总线上复用从而使得在尽量减少芯片引脚的情况下最大程度地扩大两个 空间的地址范围在内部，t m s 3 2 0 f 2 0 6 结构通过保持程序和数据总线结构分离以使指 令全速执行来获得最大的处理能力。 芯片内部的程序执行采用四级流水线形式。流水线对用户来说是透明的但是 在某些情况下流水线可能被打断( 如跳转指令) ，在这种情况下，指令执行时间要考虑 流水线必须清空和重新填充两块大的片内r a m 在系统设计时提供了很大的灵活性， 其中一块既可配置为程序存储器也可配置为数据存储器。片外6 4 k 字的数据空间可直 接寻址，从而使d s p 算法实现更为方便。片内4 k 字的掩膜r o m 可用来降低系统成本， 若程序不超过4 k 字，可使t m s 3 2 0 f 2 0 6 不用扩展片外程序存储器。剩下的6 4 k 字程序 空间在片外，大量的程序可在片外存储器中全速运行。程序也可从片外慢速e p r o m 中 装入到片内高速r a m 中全速运行。此外，还有硬件定时器、串行口和数据块搬移功能。 下面介绍t m s 3 2 0 f 2 0 6 的存储器分配、中央算术逻辑单元( c a l u ) 、硬件乘法器、 控制操作、串行口和i o 接口。 2 2 2 存储器分配 t j i s 3 2 0 f 2 0 6 具有4 k 字的片内程序r o m 和5 4 4 字的片内r a m 。r a m 分为三块：b o 、 b 1 、b 2 其中，b o 块( 2 5 6 字) 既可配置为数据存储器( 用c n f d 指令) ，也可配置为 程序存储器( 用c n f p 指令) 其余2 8 8 字( b i 和b 2 块) 只能是数据存储器5 4 4 字的 1 5 片内r a m 可使f 2 0 6 能处理5 1 2 字的数据阵列，如可进行2 5 6 点复数f f t 运算，且尚有 3 2 字用作中间结果的暂存。t m s 3 2 0 f 2 0 6 提供片外可直接寻址的程序和数据空间各6 4 k 字。 寄存器组包含8 个辅助寄存器( a r o a r t ) ，它们可用作数据存储器的间接寻址和 暂存从而增加芯片的灵活性和效率。这些寄存器既可用指令直接寻址，也可用3 比 特的辅助寄存器指针( a r p ) 间接寻址。辅助寄存器和a r p 既可从数据存储器装数，也 可装入立即数。寄存器的内容也可存入数据存储器中。辅助寄存器组与辅助寄存器算 术单元( a r a u ) 相连接，用a r a u 访问信息表无需c a l u 参与地址操作，这样可让c a l u 进行其他操作。 2 2 3 中央算术逻辑单元 c a l u 包含一个1 6 位的定标移位器( s c a l i n g ) 。一个1 6 1 6 位的并行乘法器，一 个3 2 位的累加器和一个3 2 位的算术逻辑单元( a l u ) 。移位器根据指令要求提供0 到 1 6 位的数据左移累加器和乘法器输出端的移位器适合于数值的归一化、比特提取、 扩展精度算术和溢出保护。 一 典型的a l u 指令实现包含以下三步： ( 1 ) 数据在数据总线上从r a m 中获取： ( 2 ) 数据移交给完成算术运算的定标移位器和a l u ； ( 3 ) 结果送回累加器 3 2 位累加器可分为2 个1 6 位以进行数据存储：s a c h ( 高1 6 位) 和a c c l ( 低1 6 。 位) 。累加器有一个进位位可方便加法和减法的多精度运算 2 2 4 硬件乘法器 t i l s 3 2 0 f 2 0 6 具有一个1 6 1 6 位的硬件乘法器，它能在一个指令周期内计算一个 1 6 3 2 位乘积。有两个寄存器与乘法器相关：1 6 位暂存寄存器t r ，用于保存乘法器的 一个操作数：3 2 位乘积寄存器p r ，用于保存乘积。 乘积寄存器的输出可左移1 位或4 位这对于实现小数算术运算或调整小数乘积 很有用。p r 的输出也可右移6 位，这样可连续执行1 2 8 次乘加而无溢出。无符号乘 ( m p y u ) 指令可方便扩展精度乘法。 2 2 51 1 0 接口 i o 空间由1 6 个输入口和1 6 个输出口组成。这些口可提供全1 6 位并行i o 接口。 输入( i n ) 和输出( o u t ) 操作典型的是2 个周期，但若用重复指令可变成单周期指 令。i o 器件映射到i o 地址空间其方式与存储器映射方式相同。与不同速度的存 储器或i o 器件接口采用r e a d y 线完成。 n i $ 3 2 0 f 2 0 6 也支持外部程序数据存储器的d 擞，其他处理器通过置h o l d 为低后 可完全控制t m s 3 2 0 f 2 0 6 的外部存储器，使f 2 0 6 将其地址、数据和控制线呈高阻状态 外部处理器和f 2 0 6 的通信可通过中断来完成。t m s 3 2 0 f 2 0 6 芯片提供两种d 姒方式， 一种是加上h o l d 后停止执行：另一种是f 2 0 6 继续执行，但执行是在片内r 。m 和r a m 中进行，这可大大提高性能。 2 2 6t m s 3 2 0 f 2 0 6 的软件 啦$ 3 2 0 f 2 0 6 的指令总共有1 3 3 条。其中9 7 条是单周期指令。在另外3 6 条指令中， 2 1 条包括跳转、调用、返回等，这些指令需重新装入程序计数器，使执行流水线中断 另外7 条指令是双字和长立即数指令剩下的8 条指令( i n ，o u t ，b l k d ，b l k p ，t b l r ， t b l w ，姒c ，m a c d ) 支持i o 操作、存储嚣之间的数据交换或提供处理器内部额外的并 行操作，而且这8 条指令与重复计数器配合使用时可成为单周期指令。这主要利用了 处理器的并行机制，使得复杂的计算可用很少的几条指令来完成 1 7 由于大多数指令用单1 6 位字编码，故可在一个周期内完成。存储器寻址方式有三 种：直接寻址、间接寻址和立即数寻址。直接寻址和间接寻址都用来访问数据存储器， 立即数寻址利用由程序计数器确定的存储器内容。 使用直接寻址方式时。指令字的7 位和9 位数据存储器页指针( d p ) 构成1 6 位的 数据存储器地址。其中，每页长1 2 8 字，共有5 1 2 页故可寻址6 4 k 的数据空间。间 接寻址借助于8 个辅助寄存器( a r o a r 7 ) 。 三、a o 转换的基本知识 近年来，随着现代电子技术的迅猛发展，特别是计算机技术与大规模集成电路技 术的飞速发展，在系统中越来越广泛地采用电子技术。用数字方法处理模拟信号，首 先要将模拟信号转换成数字信号，模数转换器( a d c ) 就是完成这一工作的关键器件， 其在系统中的作用是十分重要的。 在本智能诊断系统中，a d 是将传感器监测出的模拟信号经放大后转换成数字信 号，送到数字信号处理器( d s p s ) 中进行相应的处理。a d 变换器件集模拟电路与数 字电路于一体，因此在系统设计上不能与单纯的模拟电路或数字电路相同，有它自己 的特殊性。下面将对a d 转换器的基本原理作一下介绍。 3 1 采样m 1 模数转换包括三个步骤，即：采样、量化、编码。把模拟信号转换成数字信号的 第一个问题就是采样，对模拟信号x a ( f ) ，每个时问t 抽样一次，则得到x ( n t ) ， n = l ，2 ，3 设矗( r ) 为带限信号，其上限角频率为n ，上p ( t ) 为单位冲击函数，采 样周期为t ，则 1 8 令 x ( t ) = x 。( f ) p ( t ) p ( t ) = 6 ( t - n t ) ( 3 - 1 - 1 ) ( 3 - 1 - 2 ) x ( n t ) = x 。( f ) 6 ( t - n t ) ( 3 1 3 ) 下面研究采样信号x ( n t ) 和模拟信号k ( ，) 的频谱的关系。根据时域相乘，频域服 从卷积的关系设x ( n t ) 、x 。( ，) 、p ( t ) 的傅氏变换分别为x ( j f 2 ) 、以( 皿) 和p ( j f 2 ) 。 则 式中 因此 最后得 如果定义 x ( 皿) = 去以( ，q ) p ( j n ) x 文j 蛐= l x 。( t ) e - y r 。d t p u n ) = 2 x a 。a ( n 一施，) q ，= 娶 ”亍1 鳆绯慨饥； p c j r 2 ) = 孕妻獬一触，) t 1 x ( j t a ) = 睾x ( i n - j m n ，) - q t = 1 9 ( 3 - 1 - 4 ) ( 3 1 - 5 ) 则有 x ( j t ) = ；堂胂一胞) ( 3 - i - 6 ) 在l l t l n t l ) 如图4 2 4 所示，为骶一r d 模式下利用a d c 的内部延迟的时序图。由时序图，可 以看到，当w r 开始变为低电平时。a d 转换被启动但w r 的低电平至少要保持6 0 0 n s 才能使m a x l 5 0 内部的采样保持电路对输入信号进行有效的采样保持，即t w r 的最小值 为6 0 0 n s 。从f 豫信号的上升沿到， 伊信号的下降沿，为a d c 内部延迟时间，其典型 值为6 0 0 n s ，n 盯开始变为低电平表明a d 转换的完成，此时可以读取数据。m a x l 5 0 的， 口输出信号可以作为微处理器的外部中断信号，用来通知微处理器a d 转换已经 完成，可以执行中断程序来读取数据当然，在这种模式下。m a x l 5 0 的n 口引脚完全 可以不用，系统设计时把此引脚悬空，用程序来控制数据的读取，可以对_ i a x l 5 0 的采 样率进行任意的调整。以便符合系统的要求。但这样做的一个前提就是要确保模数转 换已经完毕，要给m a x l 5 0 足够的转换时间，只有这样才能得到正确的数据本系统就 是采用这种方式，让孙盯引脚悬空，用程序来控制m j ( 1 5 0 的采样率，此方式已经较 好的应用于机械智能诊断系统中。 以上介绍的是m a x l 5 0 在标准模式二职r d 模式。利用内部延迟时的时序图；下 面将进一步讨论m a x l 5 0 的最快转换方式，即在内部延迟前读取数据，其时序图如图 4 - 2 5 所示。其转换过程完全由外部时序控制。当w r 信号变为低电平时a d 转换开 始启动，并且内部的延迟时间会随着环境温度和电源电压的不同而发生改变，其典型 值为6 0 0 n s 。采用此种方式，可以不考虑n 口信号，在 豫信号的上升沿以后的6 0 0 n s 处可以使r d 信号变为低电平，以便准确读取转换的结果数据。在此过程中，z 口信 号是完全被忽略的，但是此信号会在冗d 下降沿以后变为低电平，在r d 信号上升沿 或者c s 信号的上升沿变为高电平。这样总的转换时间为： t s = t w r ( 6 0 0 n s ) + t r d ( 7 0 0 n s ) + t a c c l ( 2 0 0 n s ) = 1 5 0 0 n s = 1 5 p s c s 骶 r d i n t 8 0 一n b 7 图4 2 5 w r r d 模式时序图( t r d ( t i n t i ) 除了标准的册r d 工作模式以外，m a x l 5 0 还有一种“流水线”操作方式即把i 舔 信号和一r d 信号连接在。起在己季信号变为低电平的情况下，w r 信号和一r d 信号的 低电平启动一个新的a d 转换的同时读取上一次的转换结果。使数据的转换和读取过程 工作在流水线状态，这样的工作模式虽然应用并不广泛但其也是 d i a x l 5 0 的一种工作 方式，因此在此予以介绍。 除此之外，m x 1 5 0 还能工作在一种不常见的工作模式即独占工作模式。这种工作 模式下c s 引脚和r d 引脚都接低电平，由阡偎信号独自来控制其工作过程，因此 称为独占工作模式。此种工作模式一般应用于器件较少的系统中，因为这样的系统片 选信号往往要求不高 4 2 4t m s 3 2 0 f 2 0 6 的外部时序 乱k o 洲_ 、厂_ 厂_ 厂一厂_ 一jm 。一一1 “c “- 一) r d a o - a 1 5 d o _ d 1 5 j v 田 s t r b ；一，+ k c o 一+ 。h 。，t m 。) + _ 气卢厂气j 广_- 厂一厂 ：厂 ：- + “ 裳，一i = t w ( d - c o l ) p p“1 二 k z d f c o l - s ) 图4 - 2 - 6数据空同