（光学工程专业论文）轮疤检测数据采集和处理系统的研究与开发.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 火车轮是火车的重要部件，火车轮轮疤的存在是影响火车运行安全性和 平稳性的重要因素。轮疤检测已成为铁路部门一直密切关注和不断研究改进 的课题。本文详细描述了一种基于d s p 的轮疤检测数据采集和处理系统及相 应的工作方法。从而为新型轮疤检测装置_ 基于d s p 及嵌入式的轮疤检 测平台”奠定了基础。 论文首先在介绍了课题研究背景的基础上阐述了研究基于d s p 的轮疤 检测数据采集和处理系统的重大意义，确定了论文的工作任务。其次，介绍 了d s p 和c p l d 在系统中的应用。然后在介绍了基于d s p 的轮疤检测数据 采集和处理系统的总体结构的情况下，详细说明了系统各功能模块的设计与 实现及其工作方法。接着论文从系统功能模块调试、单板整体调试和系统联 合调试多方面说明了系统硬件设计的正确性。最后讨论了系统设计的优越性 和不足。 系统硬件设计中高速浮点d s p 、复杂可编程逻辑器件、并行a d c 、双口 r a m 通信方式的选用提高了系统工作的效率和精度，简化了系统设计的复 杂性；基于专用芯片的电源模块，看门狗复位电路和电路板的抗干扰设计保 证了系统工作的稳定性和安全性。 另外在很多章节，作者根据实际中软硬件的设计和调试过程，有针对性 的提出很多需要注意的问题，给出了自己的经验和心得。 由于时间和环境所限，本设计只完成了实验室样机。系统的性能最终还 要在铁路现场近一步测试，发现问题，解决问题，对系统进一步完善。 关键词：d s p ；a d c ；轮疤检测；数据采集；数据处理 哈尔滨i ：样大学硕十学伊论文 a bs t r a c t t h ew h e e l sa r et h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h et r a i n t h ee x i s t e n c eo fw h e e l s c a r si st h em a i nf a c t o rf o rt r a i nr u n n i n gs a l t ya n ds m o o t h w h e e ls c a rd e t e c t i o n h a sb e c o m ea ns u b j e c tt h a th a sb e e nc l o s e l yf o l l o w e da n dc o n s t a n t l ys t u d i e da n d i m p r o v e db yt h er a i l w a yd e p a r t m e n t t h i sp a p e rd e t a i l e dak i n do fd a t aa c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n gs y s t e ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d so fw h e e ls c a r sd e t e c t i o n b a s e do nd s p t h u s ，i tl a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h en e wk i n do fw h e e ls c a r s d e t e c t i o nd e v i c e ”w h e e ls c a r sd e t e c t i o np l a t f o r mb a s e do nd s pa n de m b e d e d s y s t e m ” t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h er e s e a r c h i n gc o n t e x to fd 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 mb a s e do nd s pa n di t sg r e a ts i g n i f i c a n c e ，a n di d e n t i f i n gt h et a s k s e c o n d l y ，i t i n t r o d u c e dt h e a p p l i c a t i o n s o fd s pa n dc p l di nt h es y s t e m d e s i g n i n g a n dt h e ni n t r o d u c e dt h e o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h 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 ，a n dd e t a il e d t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ek i n d so f f u n c t i o n a lm o d u l e s t h e nt h ep a p e ri nt h es y s t e mf u n c t i o nm o d u l ed e b u g g i n g ，t h e s i n g a ls y s t e md e b u g g i n ga n dt h ea l ls y s t e mj o i n td e b u g g i n gd e s c r i p t e dt h es y s t e m h a r d w a r ed e s i g n i n g s c o r r e c t f i n a l l y ，t h ea d v a n t a g e sa n dd e f i c i e n c i e s o ft h e s y s t e md e s i g na r ed i s c u s s e d t h e a p p l i c a t i o n s o f h i g h - s p e e df l o a t i n g - p o i n td s ea n dc o m p l e x p r o g r a h u n a b l el o g i cd e v i c e s ，p a r a l l e l a d ca n d d u a l p o r tr a mm e a n so f c o m m u n i c a t i o ni ns y s t e mh a r d w a r ed e s i g n i n g ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dt h e a c c u r a c yo ft h es y s t e ma n ds i m p l i f yt h es y s t e md e s i g n i n g sc o m p l e x i t y a n dt h e a s i c _ b a s e dp o w e rm o d u l e s ，w a t c h i n gd o gr e s e tc i r c u i tb o a r dd e , s i g n i n g se n s u r e t h ea n t i - j a m m i n go p e r a t i o no ft h es y s t e ms t a b i l i t ya n da c c u r a c y 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a l s oi nm a n yc h a p t e r s ，t h ea u t h o ra c c o r d i n gt ot h e a c t u a lh a r d w a r ea n d s o r w a r ed e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gp r o c e s s ，f o c u so nm a n yi s s u e sr e q u i r i n g a t t e n t i o na n dg i v e sh i se x p e r i e n c ea n de x p e r t i s e 。 d u et ot h et i m ea n dt h ee n v i r o n m e n tc o n s t r a i n t s ，t h ed e s i g no n l yc o m p l e t e d t h el a b o r a t o r yp r o t o t y p e t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mw i l le v e n t u a l l yb et e s t e d i nt h er a i l w a yc l o s e r , i d e n t i f yp r o b l e m s ，s o l v ep r o b l e m sa n dt h es y s t e mw i l lb e f u r t h e ri m p r o v e d k e yw o r d s ：d s p ；a d c ；w h e e ls c a l e dd e t e c t i o n ；d a t aa c q u i s i t i o n ；d a t ap r o c e s s i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：2 墨l 盘j 珥 日期：勿留年弓月i2 - i s 哈尔滨v 挫人学硕十学伊论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 火车轮技术状态的好坏直接涉及车辆的运行品质，影响列车运行安全。 目前，由于车轮及闸瓦的材质，列车紧急制动，空重车调整装置漏调或误调 致使空车时在重车位制动力过大，调车作业的铁鞋制动，机车司机的操纵水 平不高及车辆缓解不良等诸多原因，造成车辆车轮轮疤( 踏面擦伤、剥离等) 较多。而目前列检对车轮轮疤的检查，一方面主要靠检车员接车过程中和停 车后的耳听、锤敲、眼看，这种传统的人工检查方法，受人为因素、故障所 处的部位、现场工作条件、气候以及技检时间等因素影响，既不易及时发现 车轮轮疤，造成漏检、漏修，又增加工人的劳动强度，延长技校时| 刚：另一 方面随着我国国民经济和科学技术水平的持续发展和不断提高以及我国铁路 第六次大提速的完美成功，社会对铁路运输也提出更高的要求：铁路系统对 轮疤检测装置的稳定性、高效性、智能性和精准性也提出越来越高的要求。 数十年来，国内外为实现铁路轮疤的动态检测作了不懈的努力。主要有 噪声检测法、图像检测法、电信号检测法、振动加速度检测法和剪应力检测 法等等【2 j 。然而至今仍然没有一种检测方法成功的实现对轮疤的精确、稳 定、计辆、计轴、定量检测。究其原因，轮疤检测数据采集和处理系统的成 败是一个主要因素。目前国内外存有的轮疤检测系统大多是通过单片机或者 低速d s p 芯片控制a d c 采用串行通信方式将数据采集到单片机或者低速 d s p 的外围存储器中1 3 j 1 4 j 1 5 】然后通过低速的串口或者p c i 口或者h p i 口传 送到工控机或者p c 机中，然后再进行处理得出检测结果【6 1 【7 1 。这样的检测平 台虽然功能全面，但同时具备很多不利的因素，一方面其体积大，不易扩展， 建设成本、维护成本和扩容成本都高，而且不利于现场观测。另一方面数据 采集和处理分离严重影响了系统的实时性，数据传输环节多，速率低，噪声 哈尔滨i ：稃人学硕十学伊论文 累积多，影响检测结果的精度。 1 1 2 课题研究的意义 轮疤数据采集和处理系统是铁路系统轮疤检测系统的重要组成部分，在 轮疤检测系统的安全性、高效性、实时性、智能性及检测精度方面起着重要 的作用。其主要作用主要体现在以下几个方面： 1 对轮疤检测系统自仃端的模拟电信号进行实时采集，为轮疤检测系统的 检测算法提供可信赖的有效的精准的数据源。 2 为计辆、计轴、定量检测算法的实现提供高效稳定的硬件载体。 3 完成与轮疤检测系统中后端系统的实时通信及数据传输。 4 其稳定性、高效性、实时性、智能性、检测精度决定了轮疤检测平台 的稳定性、高效性、实时性、智能性和检测精度。 随着火车运行速度的不断提高，轮疤检测前端数据量也显著增大、对数 据采集和处理系统不断提出更高的要求，单片机、低端的d s p 、以及低速的 数据传输方式已经无法满足铁路系统提出的新要求。而t 1 6 0 0 0 系列高端浮点 d s p 以其鲜明的特点已经在数据采集和处理领域有突出表现，本论文的目的 就是采用t 1 6 0 0 0 系列高端浮点d s p 芯片作为核心处理和控制芯片，以c p l d 为辅助控制芯片，控制a d c 和双口r a m ，实时完成轮疤检测数据采集、处 理及与后端系统的数据传输任务。 d s p 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，能实时快速 地实现各种数字信号处理算法。d s p 芯片一般具有如下特点【8 】： 1 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 2 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 3 片内具有快速r a m ，通常可以通过独立的数据总线在两块芯片之间同 时访问。 4 具有低丌销或无丌销循环及跳转的硬件支持。 5 快速的中断处理和硬件i o 支持。 2 哈尔滨i ：稃人! 学硕十学侮论文 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 7 可以并行执行多个操作。 8 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 上述d s p 特点无论对于是进行数字信号处理，还是控制a d c ，响应中 断信号，或者是执行多任务都具有得天独厚的优势。因此研究一种基于d s p 的轮疤检测数据采集和处理系统，对于铁路系统实现对火车轮疤的实时在线 检测及铁路系统运输安全具有非常重大的意义。 1 2 轮疤检测系统总体方案介绍 基于功能特点模块化、分工具体化的设计思想，轮疤检测系统共分成5 个部分：前端铁路现场传感器布置区、电荷放大板、基于d s p 的轮疤数据采 集和处理系统、基于a r m 的轮疤检测监测系统和p c 监控系统。各部分的连 接关系如图1 1 所示。 图i 1 轮疤检测系统五部分的迎接天系 前端铁路现场传感器布置区如图1 2 所示，其主要功能是捕捉轮轨振动信 号和火车的位置信息及行驶参数：电荷放大板主要功能是对传感器输出的信 号按指定指标进行放大，然后传输给数据采集和处理系统；基于d s p 的轮疤 数据采集和处理系统主要功能是采集并处理轮轨振动信号和磁钢信号，得出 轮疤检测结果并传输给a r m 监测系统进一步处理；基于a r m 的轮疤检测监 哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 测系统的主要功能是接收轮疤检测结果并近一步处理，然后通过网线将结果 传输给远端p c 机，此外基于a r m 的轮疤检测监测系统还具有l c d 显示和键盘 控制功能：p c 监控系统的主要功能是接收a r m 轮疤检测监测系统传输过来的 轮疤检测结果，并存入数据库，可供人员随时查看和打印，同时此部分可控 制a r m 监测系统部分工作。 进入有效出有效采 采搬区集区 幽1 2 轮疤检测前端传感器现场安装幽 从图1 1 不难看出基于d s p 的轮疤检测数据采集和处理系统是整个轮疤 检测系统的核心部分，整个轮疤检测算法都是在该模块上实现的，其性能的 好坏直接影响到整个轮疤检测系统的检测结果。而本文作者的主要工作就是 设计基于d s p 的轮疤检测数据采集和处理系统及其工作方法。 1 3 论文的研究任务 本课题来源于黑龙江省省科技计划项目。本文的任务是研究一种轮疤检 测数据采集和处理系统。该工作任务是x 型轮轨疤痕检测平台研究与丌发 的核心任务。要求能够实现对轮疤数据的实时采集、处理和向后传输检测结 果。本文的主要任务有如下几点： 1 课题方案论证。主要是自订期轮疤检测数据采集和处理系统硬件平台的 结构设计和软件丌发环境的选择，并通过阅读大量相关方面的书籍和文献资 料，完成硬件芯片具体型号的定型、软件平台的确定及建立。 4 哈尔滨l ：稃人学硕十学位论文 2 完成轮疤检测数据采集和处理系统的硬件电路原理图设计、p c b 的制 作、元器件焊接及电路检测工作。 3 针对硬件电路的各个功能模块在c c s 下在线验证系统硬件电路设计 的正确性。 4 在硬件平台上验证轮疤检测算法的可行性和正确性。 5 与轮疤检测系统其它模块进行整体联合调试进一部验证系统设计的正 确性。 1 4 论文的结构安排 本文介绍了一种基于d s p 的轮疤检测数据采集和处理系统及工作方法。 详细讲述了系统软硬件的设计和实现及工作方法。全文具体章节安排如下： 第l 章：绪论部分从实际和课题研究背景出发，首先讲述了研究轮疤检 测数据采集和处理系统的重大意义，其次，简要概述了轮疤检测系统的总体 设计方案和结构，最后叙述了论文研究的任务和具体论文结构安排。 第2 章：介绍了d s p 和c p l d 在课题中的应用，并对相关理论知识做了 详细说明。 第3 章；详细介绍了轮疤检测数据采集和处理系统的硬件结构，包括系 统各功能模块的具体实现方案和硬件电路抗干扰设计的研究。最后分析了系 统硬件电路和同类设计相比所具有的优越性。 第4 章：介绍系统硬件电路功能模块的调试。该章讨论了系统硬件电路 的调试方法、调试结果和对调试过程中出现的问题的分析。论证了系统硬件 电路设计的正确性。 第5 章：轮疤检测算法在硬件上的实现。该章介绍了系统的工作方法和 轮疤检测算法的数据处理流程。最后通过实验的方式在硬件系统上实现算法， 并说明了轮疤检测算法和系统硬件结合后的系统工作性能。 第6 章：轮疤检测系统与其它模块的联合调试。说明了测试的具体内容 以及相关步骤，分析了联调过程中出现的问题，并且给出了作者的在联调过 哈尔滨i ：群人学硕十学何论文 程中获得的经验。 论文最后总结了系统设计的优越性以及存在的不足和下一步应当丌展的 后续工作。 6 哈尔滨f ：样人学硕+ 学何论文 第2 章d s p 和c p l d 在系统中的应用 2 1 引言 d s p 和c p l d 在现代电路设计和数字信号处理领域都已成为了倍受人们 青睐的器件。d s p 和c p l d 在本文所设计的系统中也分别成为了核心处理芯 片和主控制芯片。本章将详细介绍d s p 和c p l d 在基于d s p 的轮疤检测数 据采集和处理系统中涉及的相关软硬件资源和具体应用。 2 2d s p 在系统中的应用 本文所设计的基于d s p 的轮疤检测数据采集和处理系统的核心处理芯 片为t 1 6 0 0 0 系列高端浮点d s p t m s 3 2 0 c 6 x x x 芯片。该芯片是t i 近年推出的 高速浮点d s p ，工作主频2 0 0 m h z ，其单指令执行周期仅5 n s ，具有强大的 定点、浮点运算能力，运算速度可达1 6 0 0 m i p s 1 2 0 0 m f l o p s ；其片内集成 了一个3 2 位的外部存储器接口e m i f ( e x t e m a lm e m o r yi n t e r f a c e ) ，通过e m i f 可以外扩8 位、1 6 位、3 2 位并行存储器：内部的1 6 个独立扩展的直接存储 器访问通道e d m a 很大的提高了存储器访问的效率，e d m a 面向实时信号处 理，可以在c p u 后台高效地完成存储空间中数据的转移，具有高效的传输速率， 数据传输率可高达12 0 0 m b 砖；两个m c a s p ，两个m c b s p ，可以模拟几乎所 有形式的串行接口；两个1 2 c 总线接口；两个3 2 位的通用定时器t i m e r l 和t i m e r 2 ；1 6 个通用i o 口g p i o ：一个1 6 位的主机接口h p i ；和一个内 部p l l 控制器。下面对轮疤检测数掘采集和处理中涉及到的d s p 资源做详 细介绍f 9 】1 10 1 。附图a 1 是系统中d s p 及其外围电路的电路原理图。 2 2 1p l l 和p l l 控制器在系统时钟配置中的应用 t m s 3 2 0 c 6 x x x 芯片上集成有p l l 和由预分频器d o 及其它四个分频器 ( o s c d i v 0 、d 1 、d 2 、d 3 ) 所组成的灵活的p l l 控制器。p l l 控制器分频 7 哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 产生不同的时钟信号分别用于t m s 3 2 0 c 6 x x x 各个部分( 如：c p u 内核、片 上外设数据总线、e m i f 、s d r a m 等外设) 。t m s 3 2 0 c 6 x x x 的p l l 和p l l 控制器如图2 1 所示： 图2 1p l l 平p l l 控制器结构图 t m s 3 2 0 c 6 x x x 时钟由外部引脚c l k i n 输入，经片上p l l 和p l l 控制器 倍频和分频后产生t m s 3 2 0 c 6 x x x 片上各个部分所需的时钟。引脚 c l k m o d e 0 用于选择时钟源模式，t m s 3 2 0 c 6 x x x 上c l k m o d e o 只能设置 为l ，选择c l k i n 作为时钟输入源。 系统硬件电路中，t m s 3 2 0 c 6 x x x 的引脚c l k i n 接5 0 m h z 时钟，引脚 c l k m o d e o 上拉为l ，所以t m s 3 2 0 c 6 x x x 片上各个部分所需的时钟，需通 过软件对片上p l l 和p l l 控制器进行配置产生。t m s 3 2 0 c 6 x x x 片上p l l 的 工作状态由p l l 控制状态寄存器( p l l c s r ) 进行控制，而倍频系数则由p l l 8 哈尔滨f ：平旱人学硕十学何论文 倍频系数控制寄存器( p l l m ) 进行设置。p l l 控制器中各分频器的工作状 态和分频系数由各自的分频寄存器p l l d i v x ( x = o 、l 、2 、3 ) 进行控制。它 们各自比特位的描述分别如表2 1 、表2 2 、和表2 3 所示。 表2 1p l l c s r 寄存器各比特位的描述 b i t 位名称描述 3 1 ：7r e s e r v e d 保留何，该位只读，对其弓操作无效。 该何为时钟输入稳定标致位，该何为0 表示输入不稳定，为l 6 s t a b l e 表示输入稳定。 5 ：4r e s e r v e d 保留位，该何只渎，对其弓操作无效。 3p l l r s t 该位为一0p l l 改变复仇状态，为1 p l l 维持复位状态。 2r e s e r v e d 保留位，但是该位必须设置为0 。 p l l 省电模式殴置位，当该位为0 p l l 正常一i ：作，当该位为1 l p l l p w r d n 时p l l 进入省电一i ：作模式。 p l l 使能伉。当改位为n 0 时p l l 功能被禁朋。当该位为1 时 op l l e n p l l 功能被使能。 表2 2p l l m 寄存器各比特位的描述 b i t 僦名称描述 3 l ：3 5r e s e r v e d 保留何，该位只读，对其弓操作无效。 p l l 倍j 贞的系数由p l l m 的值米选抒一股默认为x 7 。b i t 付( 4 ： 0 ) 的值对应的倍频系数如卜- 所示。p l l m 的其它值没有做定义， 设置成其它值p l l 将不支持。 4 ：0p l l m 0 0 1 0 0 = x 4 0 0 1 0 1 = x 5 0 0 l l o = x 60 0 1 1l = x 70 1 0 0 0 = 8 0 l o o l = x 90 1 0 1 0 = x 1 00 1 0 1 1 = 1 10 11 0 0 = x 1 2o l1 0 1 = 1 3 0 l11 0 = x 1 4 0 11 1l = 1 5 1 0 0 0 0 = 1 61 0 0 0 1 = 1 71 0 0 1 0 = x 18 1 0 0 1 l = 1 91 0 1 0 0 = x 2 01 0 1 0 l = x 2 11 0 1 1 0 = x 2 21 0 l ll = x 2 3 1 1 0 0 0 = x 2 41 1 0 0 l = x 2 5 另外t m s 3 2 0 c 6 x x x 内部没有自身的振荡电路所以它的外部时钟电路必 须使用有源晶振，如果接无源晶体无法给d s p 芯片提供时钟信号。在系统硬 件电路御线过程中为了减少时钟信号对系统的影响，应尽量减少时钟信号线 和其它重要信号线及电源线相交。 9 哈尔溟! ：群人学硕十学何论文 表2 3p l l d i v x 寄存器各比特位的描述 b i t 传名称描述 3 l ：1 6r e s e r v e d 保留位，该何只读，对其写操作无效。 1 5d x e n分频器d x 使能伉。该何为0 d x 被禁川，该位为1 d x 被使能。 1 4 ：5r e s e r v e d 保留位。该何只凄，对其写操作无效。 0 0 0 0 0 = 10 0 0 0l = 20 0 010 = 30 0 01 1 = 40 0l0 0 = 5 0 0 1 0 l = 60 0 1 1 0 = 70 0 1 l1 = 80 1 0 0 0 = 90 1 0 0 1 = 门0 0 1 0 1 0 = l l0 1 0 1 l = 门20 1 1 0 0 = 1 30 1 1 0 1 = 1 40 1 11 0 = 1 5 4 ：0p l l d l v x0 1 l1l = 门6 1 0 0 0 0 - 1 71 0 0 0 1 - 1 81 0 0 1 0 = 1 91 0 0 l l = 2 0 1 0 1 0 0 = 2 11 0 1 0 l _ 2 2l o l l 0 = 2 31 0 1 11 = 2 41 1 0 0 0 = 2 5 ll 0 0 1 = 2 6l1 0 1 0 2 71 1 0 l l _ 2 8ll1 0 0 = 2 91 o l = 3 0 l l1 10 = 3 1l l1 11 = 3 2 2 2 。2e m i f 接口在系统设计中的应用 系统设计的思想是以d s p 为核心处理芯片。系统上的主要器件都配置为 d s p 的外围器件，扩展到d s p 的外部扩展空间。包括f l a s h 、s d r a m 、 a d c 、c p l d 和双口r a m 。对这些器件的访问都是通过e m i f 接口实现的。 t m s 3 2 0 c 6 x x xe m i f 的接口信号如图2 ，2 所示。 增强数据 存储控制器 e c l k i n e c l k o u t e d ( 1 5 ：0 】 e a 2 i ：2 】 c e 3 ：0 】 b e 3 ：0 】 a r d y a o e s d r a s s s o e a r e s d c a s s s a d s a w e s d w e s s w e h o l d h o l d a b u s r e q 集成外闱总线 图2 2t m s 3 2 0 c 6 x x xe m i f 的接口信号 l o 哈尔滨f j 稃人学硕十学何论文 t m s 3 2 0 c 6 x x xe m i f 各管脚的功能描述如下： 1 e c l k 烈：e m i f 外部时钟输入。 2 e c l k o u t ：e m i f 工作时钟。( 有2 个来源：e c l k 和s y s c l k 3 由 d e v c f g 4 选择。e k s r c = 0 时，选中s y s c l k 3 ( 默认) ：e k s r c = i 时，选 中e c l k i n 。) 3 e d 1 5 ：0 1 ：1 6 位数据总线。 4 e a 2 1 ：2 】：2 0 位地址总线。 5 c e 3 ：0 】：4 个存储空间选通信号，低电平有效。 6 b e 3 ：0 】：4 个字节使能信号，低电平有效。 7 a o e s d r a s s s o e ：异步存储器读出使能信号s d r a m 行选通信 号s b s r a m 读出使能信号，低电平有效。 8 a r e s d c a s s s a d s ：异步存储器读使能信号s d r a m 列选通信号 s b s r a m 地址选通信号，低电平有效。 9 a w e s d w e s s w e ：异步存储器写使能信号s d r a m 写使能信号 s b s r a m 写使能信号，低电平有效。 1 0 a r d y ：异步存储器数据就绪信号，高电平有效，管脚必须接上拉电 阻。 1 1 h o l d ：e m i f 总线保持请求信号，低电平有效，管脚必须接上拉电 阻。 1 2 h o l d a ：e m i f 总线己保持确认信号，低电平有效，管脚必须接上 拉电阻。 1 3 b u s r e q ：e m i f 总线请求标志信号，高电平有效。 t m s 3 2 0 c 6 x x x 的e m i f 读写时序由其片上的存储映射寄存器控制，这些 寄存器的缩写、名字、功能描述、地址0 1 ：1 2 4 表所示。 系统设计中将f l a s h 和a d c 扩展到了e m i f 的c e l 空| 白j ，将s d r a m 扩展到了e m i f 的c e 0 和c e 2 空间，将双口r a m 扩展到了s d r a m 的c e 3 空阳l 。 哈尔滨f ：稗人学硕+ 学位论文 表2 4e m i f 各控制寄存器的描述 缩写名字功能描述字1 ，地址 e m i f 全局 川丁对t m s 3 2 0 c 6 x x x 的设置输出作使能控制。 g b l c t l控制寄存 川丁反馈e m i f 总线仲裁状态信号。 川丁反馈e m i f 配置为异步存储器接口时的数 0 x o l8 0 0 0 0 器 据就绪状态信号。 州j 分别对每个c e x 存储宅间所接口的存储 c e l c t l 器类刑和存储器宽度进行控制。 0 x 0 18 0 0 0 4 e m i f u i 存川丁对配苴为异步存储器接口的舔存储空 c e o c t l c e x c t l储空间控 间的读弓时序进行控制，包括：读弓建立 o x o l8 0 0 0 0 8 制寄存器 时间、读写选通时间、读写保持时间、弓 c e 2 c t l 读操作时的总线转换时间( 以e c l k o u t 的周 o x 0 18 0 0 0 1 0 c e 3 c t l 期为单位) 。 0 x o l 8 0 0 0 1 4 川丁对配置为s d r a m 存储器接口的砥存储 s d r a m 控 空间的读弓时序平相荚操作进行控制，包 s d c t l 括：s d r a m 的b a n k s 位数、行地士i k 佗数、列地 0 x o l 8 0 0 0 18 制寄存器 址俯数、s d r a m 刷新使能控制、s d r a m 初始 化控制、t r c d 、t r p 、t r c 。 s d r a m 屙0 s d t l m新控制寄 川丁控制发出s d r a m 刷新命令的周期平1 1 次 存器 数。 0 x 0 1 8 0 0 0 1 c s d r a m 扩 s d e x t 川对s d r a m 存储器进行更多的参数设置。 0 x o l 8 0 0 0 2 0 展寄存器 2 2 3 定时器在系统数据采集中的应用 系统中的数据采集部分要完成对1 2 路信号的实时采集。采样率，最低不 能低于2 0 k h z ，一般通常情况下对a d c 采样率的控制都是通过a d c 的控制 时钟来实现。然而这种方法有个一个弊端就是采样率但设置就不好更改。 更改则需要改变a d c 的时钟电路。所以系统设计中笔者采用通过d s p 的定 时器定时的方式，以采样率为定时单元，定时给a d c 发送模数转换启动和 关闭信号。这样达到了灵活设置a d c 采样率的效果。d s p 定时的设定通过 设置与定时器相关的控制寄存器实现。表2 5 描述了定时器相关控制寄存器 的b y t e 地址、名称和功能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 5 定时器相关控制寄存器的描述 b y t e 地址 寄存器名称厮写功能描述 定时器0定时器1 定时器控制寄存器 设置定时器的工作模式，监视定时 0 x 0 1 9 4 0 0 0 0o ) 【0 1 9 8 0 0 0 0 c t r 器的状态，设置t o u t 管脚功能。 定时器周期寄存器设置定时器的技术周期，决定 0 x o l 9 4 0 0 0 4o x o l 9 8 0 0 0 4 p r d t s t a t 信号频率。 定时器技术寄存器 o x o l 9 4 0 0 0 8o x 0 1 9 8 0 0 0 8 当前的计数值。 c n t 2 3c p l d 在系统中的应用 由于d s p 很多时候专用于处理数字信号，其计算能力很强，而控制能力 相对较弱，并且d s p 跟某些外扩器件不能无缝接口，因此在t m s 3 2 0 c 6 x x x 与外扩器件之间通过一片c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 帮助t m s 3 2 0 c 6 x x x 和外扩器件实现无缝接口。c p l d 在系统中实现的主要功能有译码器、a d c 模数转换控制器、中断复用器、中断标识字寄存器和时钟分频器。其中，译 码器实现对外扩器件的选通；a d c 模数转换控制器实现对a d c 模数转换的 控制；中断复用器实现外部中断端口扩展；中断标识字寄存器存储外部中断 的类别；时钟分频器为看门狗和a d c 提供时钟信号。 因为c p l d 在系统中的应用都是分散到系统各个模块当中，所以这里不 做详细说明，具体应用在第3 章硬件电路的设计中再做介绍。本节主要讲述 系统选择c p l d 器件作为核心逻辑控制器件的原因、c p l d 的特点及设计中 需要注意的问题。 2 - 3 1 选择c p l d 的原因 与其它器件相比，c p l d 具有如下六点显著特点【l l 】【1 2 】： 1 编程方式简便先进。采用在系统编程( i s p ) 方式。这种编程方式己成 为当今世界上各类编程器件发展的趋势。因为它省去了价格昂贵，操作不便 的专用编程器，只需一个十分简单的下载编程电路和一条联机的并口电缆即 哈尔滨1 ：稃人学硕十学伊论文 可。即可以通过计算机的并行口和专用的编程电缆对焊接在电路板上的i s p 器件直接多次编程，从而使器件具有所需要的逻辑功能。它可以允许使用大 规模可编程逻辑芯片替代传统的7 4 l s 系列和小规模g a l 逻辑，在调试阶段 发现接口时序或逻辑有特殊要求时，只要在线更改逻辑文件即可满足用户要 求，使系统灵活方便，而且缩短了丌发周期。 2 高可靠性。器件虽然在功能丌发上是通过e d a 软件实现的，但是其物 理机制却像一片7 4 l s 系列i c 一样纯属硬件电路，十分可靠，只要设计合理， 在大多数应用中是无需考虑复杂的复位和初始化。c p l d 的可靠性还表现在 几乎可将整个系统下载于同一芯片中，从而大大缩小了体积。 3 高速。虽然不同公司不同系列的c p l d 的速度各不相同，但其运行的 时钟均可达几十m h z 甚至两百多m h z 。现在也已有更高频率的产品问世， 在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。 4 高集成度。c p l d 内部可拥有1 0 万以上的逻辑门，所以c p l d 可实现 几乎任何形式的数字电路或数字系统。 5 开发周期短。由于a l t e r a 的q u a t u s l i 不仅为用户在设计的输入、综合、 仿真方面提供了极大的方便而且还为用户提供了丰富的元件库和库参数化模 块库。由于相应的软件功能完善而强大，仿真能力便捷而实时，丌发过程形 象而直观，兼之硬件因素涉及很少，因此可以在短时i 白j 内完成复杂的系统设 计。 6 保密性强。c p l d 的丌发过程适合于正向设计，即从电路原理图到芯 片级的设计，所以对知识产权的保护非常有利，此外，c p l d 上还有编程保 密位，进一步加强了设计保密。 基于c p l d 芯片的如上特点，在系统设计中选择了c p l d 芯片来辅助主 处理芯片t m s 3 2 0 c 6 7 x x x 实现对外围电路的逻辑控制及实现相关功能。这样 不仅可以减小系统设计的复杂度，增大设计的灵活性，而且对系统安全稳定， 系统效率都能带来改善。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 2e p m 7 x x x 功能简介 从选择器件的成本，性能多方面考虑，本系统最终选择a t e r a 公司的 e 御7 x x x 芯片辅助主处理芯片t m s 3 2 0 c 6 7 x x x 实现对外围电路的逻辑控制及 实现相关功能。图2 3 是e p m 7 x x x 的内部结构图。 图2 3e m p 7 x x x 的内部结构 a l t e r a 公司的e p m 7 x x x 芯片是高密度、高性能的p l d 器件，基本结构 包括逻辑阵列块( l a b ) ，宏单元，扩展乘积项，可编程连线阵列( p 队) 和 i 0 控制块五部分。其中，每个l a b 由1 6 个宏单元组成。多个l a b 通过可 编程连线阵列和全局总线连接在一起。宏单元是c p l d 的基本结构，由它来 实现基本的逻辑功能。c p l d 的每个宏单元由逻辑与阵列，乘积项选择矩阵 和可编程寄存器等三个功能块组成。宏单元可以单独配置成时序逻辑或者组 合逻辑工作方式。各个l a b 之间的相互连接通过p i a 来完成的。通过可编 程连线阵列，把各个l a b 互连成用户的设计输入所需求的逻辑。在e p m 7 x x x 1 5 哈尔滨。l - m 大学硕十学位论文 中，所有专用输入i o 引脚，和宏单元输出都馈送到p i a 上，p i a 可以把这 些信号送到器件内的各个地方【。3 】。 2 3 3c p l d 设计中需要注意的问题 本系统中c p l d 内部逻辑是通过v h d l 语言编程实现。然后在q u a t u s l i 软件中对v h d l 程序进行编译，管脚分配，再编译，最后经由j a t g 接口将 程序下载到c p l d 内部。c p l d 在系统设计中需要注意以下问题： 1 保证c p l d 各功能模块所占用的宏单元不大于芯片的最大宏单元数 目。系统所选的c p l d 共有1 2 8 个宏单元。 2 c p l di o 口的输入输出关系一定要和与其相连的系统其它硬件i o 口 的输入输出关系一至。 3 当c p l d 的所有管脚并没有被全部用掉的时候，在软件中配置管脚输 入输出关系时要将没有用到的管脚配置成三念输入。否则c p l d 上电工作后 会快速发热，严重情况下在短时l 白j 内就能够将芯片烧毁。 2 4 本章小结 本章首先介绍了d s p 在系统中的应用，主要包括p l l 在系统时钟配置 中的应用、e m i f 在系统设计中的应用和定时器在系统数据采集中的应用， 并且详细介绍了各相关寄存器的功能。然后作者说明了系统选择c p l d 作为 辅助控制芯片的原因以及c p l d 和c p l d 芯片e p m 7 x x x 的特点。最后给出 了自己在c p l d 的应用过程中获得的经验。 1 6 哈，j ：滨i ：榉人学硕十学位论文 第3 章系统硬件电路的设计 3 1 引言 第2 章介绍了d s p 和c p l d 在系统设计中的应用，本章则将在介绍了系 统的总体框架的基础上，从系统功能模块的角度出发详细介绍系统各功能模 块硬件电路的具体实现。最后将会介绍系统的抗干扰设计及系统硬件电路的 优越性。 3 2 系统的总体结构 本文设计的基于d s p 的轮疤检测数据采集和处理系统主要用于采集经电 荷放大板放大后输出的轮轨振动信号和检测前端传输过来的磁钢信号，并对 采集到的数据进行滤波，时域幅值判别，随机方差判定，小波分析，频域幅 值判别，插值，信号能量计算及其相应的补偿算法最终检测出带有轮疤的车 轮号，尺寸及其对应的车箱号，并将轮疤检测结果实时传送给以a r m 为核 心的监测系统，最终传输到p c 机监控系统存储和显示。 系统以t 1 6 0 0 0 系列高速浮点d s pt m s 3 2 0 c 6 x x x 为核心处理芯片，以复 杂可编程逻辑器件e p m 7 x x x 为主控制芯片，控制两片低功耗并行模数转换 器a d s 7 x x x 对1 2 路日订端模拟数据进行实时采集转换，并用双口r a m 芯片 i d t 7 x x x 作为和a r m 监测系统的接口，实现本系统与a r m 监测系统的互访 以及数据的实时高速传输。t m s 3 2 0 c 6 x