（通信与信息系统专业论文）基于mps430的数字调音台通道模块设计.pdf

摘要 基于m sp 4 3 0 的数字调音台通道模块设计 作者简介：肖凌，男，1 9 8 2 年1 1 月生，师从成都理工大学祝忠明副教授， 2 0 0 8 年6 月毕业于成都理工大学通信与信息系统专业，获得工学硕士学位。 摘要 当前数字化的发展，使得数字调音台的研发和生产得到了越来越多的关注。 数字信号的传输能够极大地减少信号损失及抗干扰能力，使电台、电视台大量使 用的直播调音台由模拟调音台向数字调音台转变，也使数字调音台成为当前选 购调音台的首选。高端数字调音台声质已不是什么问题，直播调音台的接口也更 灵活、操作界面更友好，目前在欧美发达国家和地区，直播调音台在电台和电视 台的网络化发展方面也非常迅速，包括调音台在内的电台音频系统网络化可以 对数据库和其他资源进行有效管理和灵活调配，节省资源和资金。 本课题所设计的新一代数字调音台是将嵌入式系统技术和数字调音台相结 合的一种产物，是一款新颖的智能化、网络化的第三代产品。它不仅在调音台的 内部各种信号的处理实现数字化，而且引入嵌入式操作系统，使调音台的功能变 得更为强大，界面也更加友好，操控也更加容易，而且可以满足各种个性化需求。 再将当今快速发展的嵌入式系统技术应用到数字调音台的设计，使调音台模块 化、网络化和智能化，具有广泛的实用价值和巨大的实际意义 本文首先介绍了数字调音台的发展及其国内外现状；接下来给出了本课题所 讨论的数字调音台的构成及特点，并根据调音台的功能对整个系统进行了模块划 分，将其分为：音频处理模块、主控模块及通道模块三大部分；然后就其中的通 道模块的设计进行了详细探讨，具体包括：通道模块的硬件电路设计和调试，底 层驱动程序的编写，以及系统软件的设计：最后，对整个系统的设计和存在的问 题做了一个分析总结。在设计过程中，各通道子模块之问，以及它们与主控模块 之间的通信，本文引入了c a n ( c o n t r 0 1a r e an e t w o r k ) 现场总线技术，同时还 没计了丰富的外围接口，使数字调音台的操作更加人性化。 本文所设计的数字调音台通道模块达到需求指标，单机调试通过，与主控模 成都理工大学硕士学位论文 块、被控模块联机调试通过，样机生产调试完成。但应用程序还有待进一步完善， 首先由于数字调音台用于电视台、电台的节目直播，安全稳定是首要考虑的问题， 数字调音台的死机现象是需要着力解决的问题；其次本文所设计的o l e d 显示屏 尺寸较小，下一步需改进，并给系统加上图形显示界面，使得操作更加人性化。 关键词：m s p 4 3 0 通道模块c a n 总线 a b s t r a c t t h e d e s i g no fd i g i t a lm i x i n gc o n s o l ec h a n n e lm o d u l eb a s e do n m s p 4 3 0 i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：x i a o l i n g ，m a l e ，w a sb o mi nn o v e m b e r ，19 8 2w h o s e t u t o rw a sp r o 凫s s o rz h uz h o n g m in g h eg r a d u a t e d 丘o mc h e n g d uu l l i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yi l lc o m m u n i c a t i o n 锄di i l 南r m a t i o nt e c h n o l o g ym a j o ra n dw a s 伊a m e dt h e m a s t e rd e g r e ei i lj u n e ，2 0 0 8 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a 】i z a t i o n ，t h e d e v e l o p i n ga n gm a n u l a c t u r i n go f d i g i t a lm i x i n gc o n s o l eh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h et r a n s m i s s i o no f d i g i t a ls i g m lc a no b v i o u s l yd e c r e a s ea n e n u a t i o na n da n t i j a m m i n g 1 ti su s e 如lt o m a k eat r a i l s i t i o n 丘o ma n a l o gm i x i n gc o l l s o j et od i g j t a jm i x i n gc o n s o 】e ，锄dt h e d i g “a lo n e sh a v eb e c o m et h ep r e 免r r e dm i ) 【i n gc o n s o l e t h e r ea r en o tp r o b l e m so n t i m b r ea mm o r e ，t h ei n t e r 蠡c eo fl i v em i x i l l gc o n s o l e sh a sb e c o m em o r ea n dm o r e f l e x i b l e ，a n dt h eu io ft h e s eo n e sh a sb e c o m e 舢c hu s e r - 丘i e n d l i e r n o w a d a v s i nt h e d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kf o rl i v ei n i x i n gc o n s o l e s ，t h e b r o a d c a s t 访gs t a t i o na u d i o s y s t e m sw h i c hc o n t a i n “x i l l gc o n s o l eh a v eb e c o m e i n t e r n e t - o r i e n t e d ；i ti sb e n e f i c i a lt h a tw ec 弛o p t i m i z et h em a m g e m e mo fd a t a b a s e a n do t h e rr e s o u r c e t h i sp 印e rd e s i g n st h en e wg e n e r a t i o nd i g i t a lm i x i n gc o n s o l e 1 ti so n ep r o d u c t 、 ，h i c hu n i f i e st h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h i l o l o g ya n dt h ed i g i t a lm i x i n gc o n s o l e ，i sa s e c t i o no fn o v e li n t e u e c t u a l i z e dt h en e t w o r kt h i r d g e n e r a t i o np r o d u c t i tn o to n l y r e a l i z e st h ed i g i t i z a t i o ni nm i x i n gc o n s 0 l e si m e m a le a c hk i n do f s i g n a l sp r o c e s s i n g ， b u ta l s oi n t r o d u c e st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，c a u s e s 删x i l l gc o n s o l e s 如n c t i o n b e c o m e sm o r ef o r m i d a b l e ，t h ec o n t a c ts u r 白c ei sa l s o 刖e n d l i e r ，t h ec o n t r o li sa l s o e a s i e r ，m o r e o v e rm a ym e e te a c hk i n do fp e r s o n a l i z e dn e e d f a s td e v e l o p sn o wa g a i n t h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g ya p p l i e st h ed i g i t a lm i x i n gc o n s o l e sd e s i g n c a u s e s t h em i x i n gc o n s o l em o d u l a t i o n ?t h en e t w o r ka n dt h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o n ，h a st h e w i d e s p r e a du s ev a l u ea n dt h eh u g ep r a c t i c a ls i g n i 6 c a n c e f i r s t l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e ma n dt h ed o m e s t i co ro v e r s e a s s t a t u si nq u o ；i ns u c c e s s i o n ，i te x p l a i nt h ec o n f j g u r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fd i g i t a l 成都理ji ：大学硕士学位论文 m i x 啦c o n s o l ea n di l l u m i n a t e st h em o d u l ep a n “i o no fe m 硫s y s t e 地w ec a n d i v i d e t h es y s t e mi f l t ot h e ep o n i o n s ：a u d i o p r o c e s s i f l gm o d u l e ，h o s tc o n t r 0 1m o d u i ea n d c 1 1 a 1 1 i l e lm o d u l e ：a r e 州a r d ，i ts 1 】m m a r i z e st h es y s t e m sd e s i g na n de x i s t e n tp r o b l e m s i nt h ep r o c e s so fd e s i g n ，g i v e nt h ec o n 硼u n i c a t i o na m o n gc h a n n e ls u b _ m o d u l e so r b e t w e e nh o s tc o n t r 0 1m o d u l ea n dc h a n n e ls u b - m o d u l e s ，t h i st h e s i sr e f e r st ot h e1 0 c a l b u ss u c ha sc a n ( c o n t r o l e an e t w o r k ) b u s ，f h n h e r m o r e ，i ta l s od e s i g na b u n d a n t l y p e r i p h e r a lm t e r f a c ew h i c hc a np r o v i d em o r ea n dn l o r eh u m a n i s t i co p e r a t i o n o nd i g i t a l m i x 访gc o i l s o l ew i t hu s e r s t h i sa n i c l ed e s i g n st h ed i g i t a ln l i x i n gc o n s o l ec h a n n e lm o d u l e ，a c h i e v e st h e d e m a n dp a r a m e t e r s ，t h es i n g l ed e v i c ed e b u g g i n gp a s s e s ，w i t ht h em a s t e r c o n c r o l m o d u l e ，i sa c c u s e dt h em o d u l ed e b u g g i n go n - l i n et op a s s ，t h ep i o t o t y p i c a lp r o d u c t i o n d e b u g g i n gc o m p l e t e s b u tt h e a p p l i c a t i o np r o c e d u r e a l s ow a i t sf o r 丘j r t h e r c o n s u 蛐n a t i n g ，b e c a u s et h ef i r s td i g i t a lm i x i n gc o n s o l eu s e si nt h et e l e v i s i o ns t a t i o n ， b r o a d c a s t i n gs t a t i o n s l i v e p r o g r a m， s a f ea n ds t a b l ea r et h em o s ti i l l p o r t a n t c o n s i d e r a t i o nq u e s t i o n s ，t h ed i g i t a lm i x i n gc o n s o l et h eq u e s t i o nw h i c hh a h st h e p h e n o m e n o ni sn e e d st ot r yt os o l v e t h en e x tt h i sa n i c l ed e s i g l l st h eo l e dd i s p l a y m o n i t o rs i z ei ss m a l l ，n e x ts t e pm u s ti m p r o v e ，a n da d d so nt h e 铲a p h i c a ld i s p l a y c o n t a c ts u r f a c et ot h es y s t e m ，c a u s e st h eo p e r a t i o nu s e r - 丘i e n d l y k e y w o r d s ：m s p 4 3 0 c h a l l i l e lm o d u l ec a n - b u s i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得盛壑理王太堂或其他教 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谢意。 学位论文作者签名： 务彬 7 弛妒年歹月2 厶 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛整理工太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：哆弦步 学位论文作者导师签名：诹之少4 弘多年y 月弘日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究的意义 在当今的信息化时代，随着微电子技术和计算机技术的高速发展，数字化 已经成为各种电子设备以及产品的发展趋势。调音台作为专业的音频设备，多 用于电视台，广播电台等大型机构的直播问，演播厅等等。目前我国西部大多 数地市级电台还是在采用模拟直播台甚至是录音调音台进行播出，由于模拟设 备在硬件上的复杂性，使得它在使用和维护上都存在着不小的困难；相对而言， 数字信号传输能够极大地减少信号损失及抗干扰，运用数字系统去处理和控制 专业的音频信号，不仅使得调音台的工作运行更加稳定、可靠，也使得调音台 的功能更加强大，操作更加方便，更加人性化。电台、电视台大量使用的直播 调音台也逐渐的开始由模拟调音台向数字调音台转变，数字调音台成为当前选 购调音台的首选。 本课题所设计的新一代数字调音台是将嵌入式系统技术和数字调音台相结 合的一种产物，是一款新颖的智能化、网络化的第三代产品。它不仅在调音台 的内部各种信号的处理实现数字化，而且引入嵌入式操作系统，使调音台的功 能变得更为强大，界面也更加友好，操控也更加容易，而且可以满足各种个性 化需求。 将当今快速发展的嵌入式系统技术应用到数字调音台的设计，使调音台模 块化、网络化和智能化，具有广泛的实用价值和巨大的实际意义。 1 2 调音台发展及其现状 调音台的发展大致经历了从模拟调音台到数字调音台两个阶段。模拟调音 台出现较早，其接口及内部数据处理均为模拟形式。随着微电子技术的快速发 展，微处理器的功能愈来愈强大，调音台也开始从模拟式向数字式转化，出现 了一系列的数字调音台。 数字调音台的最大特点不只是简单的在其内部对各种音频信号的处理进行 了数字化转换，更在于其场景记忆功能，数字调音台一般都有强大的场景记忆 功能，如：y a m a h ap m 5 d 可存储多达5 0 0 种场景。其次，还在于其母线编组和 “翻页”功能，通过母线编组可以完成环绕声控制，“翻页”功能则大大扩展了 通道的控制功能。再次，数字调音台还有更为友好的显示控制界面，其各种参 数、状态一般显示到l c d 、v g a 、0 l e d 等显示器上，可以做到更加人性化。 数字调音台目前已丌始进入第三代，第一代输入和输出接口都是模拟的， 成都理j l 大学硕士学位论文 信号进来只做数字转换，内部通过c p u 处理，再进行d a 转换送出；第二代是 全数字接口，不用进行a d 和d a 转换，通过d s p 处理音频信号；第三代在第 二代的基础上，融入了网络化和智能化的概念。当前，数字调音台正由第二代 向第三代过渡，并出现了多款网络化数字调音台。目前，比较典型的网络调音 台有d h dr m 4 2 0 0 d ，其专门为广播应用而设计，是一种分体式调音台，可以根 据用户的要求进行积木式搭接，另外e u p h o n i xs y s t e m5 也是一款功能强大的 网络化数字调音台，但其用途更广，可用于h d t m 、音乐录音、电视播出、影视 后期制作等。 2 第2 章数字调音台的系统设计 第2 章数字调音台的系统设计 2 1 调音台简介 调音台( m i x i n gc o n s 0 1 e ) 也称混音控制台，是用来对音频信号进行调节、 处理、分配和控制的电声设备，是专业音响系统的中心控制设备。它具有多路 输入，每路的声信号可以单独进行处理，例如：可放大，作高音、中音、低音 方面的音质补偿，给输入的声音增加韵味，对该路声源作空间定位等；还可以 进行各种声音的混合，混合比例可调；拥有多种输出( 包括左右立体声输出、 编辑输出、混合单声输出、监听输出、录音输出以及各种辅助输出等) 。调音台 在诸多系统中起着核心作用，它既能创作立体声、美化声音，又可抑制噪声、 控制音量，是声音艺术处理必不可少的一种电子设备。 根据使用目的和使用场合的不同，调音台分为以下几种： ( 1 ) 立体声现场制作调音台( s t e r e of i e l dp r o d u c t i o nc o n s o l e ) ( 2 ) 录音调音台( r e c o r d i n gc o n s o l e ) ( 3 ) 音乐调音台( m u s i cc o n s 0 1 e ) ( 4 ) 数字选通调音台( d i g i t a lr o u t i n gm i x i n gc o n s o l e ) ( 5 ) 带功放的调音台( p o w e r e dm i x e r ) ( 6 ) 无线广播调音台( o na i rc o n s 0 1 e ) ( 7 ) 剧场调音台( t h e a t r ec o n s o l e ) ( 8 ) 扩声调音台( p a c o n s o l e ) ( 9 ) 有线广播调音台( w i r e db r o a d c a s tm i x e r ) ( 1 0 ) 便携式调音台( c o m p a c tm i x e r ) 2 1 数字调音台系统的结构 2 1 1 系统的整体结构 整个系统被分为三大模块：音频处理模块、主控模块以及通道模块。音频 处理模块采用高性能的数字信号处理芯片，负责音频信号的各种变换和处理； 主控模块负责整个系统的调度，是数字调音台数字系统的核心；通道模块则作 为人机交互部分，负责接收和发送各种控制和命令以及系统中各种参数的设置。 其中，音频的输入、输出均接到音频处理模块，音频处理模块和主控制模块之 间通过s n m p 协议进行通信，主控和通道模块之间则通过c a n 总线协议进行通信， 3 成都理工大学硕士学位论文 系统的整体结构如图2 1 。 镶毓； h n m l ， _ i j c 图2 1 数宇调音台整体结构 ( 1 a 砖争正 在整个系统中，音频处理模块与主控模块均通过网口连接到以太网上，它 们之间通过s n m p 协议通信，这样首先实现主控和被控分离，方便远程操作。其 次，利用现在广泛使用的以太网络，可以大量节省成本，同时也可以轻松实现 设备的远程维护，实现软件的自动更新等。最后，客户在遵循设备的s n m p 协议 的条件下，可容易的丌发出满足自己特定需求的被控设备一音频处理模块。 由于一般调音台通道众多( 一个中等型号的凋音台音频输入通道数一般为 1 2 4 8 个，大型的则更多) ，为此，这罩将4 个音频输入通道集成在一起作为 一个通道子模块，其各种数据的处理和交换通过一个微控制器完成。若干个通 道子模块连接在一起即可组成整个通道模块部分。各个通道子模块及主控模块 均挂到c a n 总线上，利用c a n 总线的特性组成一个主从式网络结构，每一个通 道子模块在系统中拥有一个唯一的可以被识别的i d 号，通过c a n 总线协议与主 控实现通信，这样整个通道模块将具有很好的扩展性。 2 2 2 主控模块 主控模块是数字系统的核心部分，首先，它作为人机交互的一部分，由多 个按键的小键盘、多个参数调节旋钮以及一个显示屏组成，主要负责接收各种 控制信息并将其通过以太网传递给音频处理模块，同时获取音频处理模块的各 种状态，并加以显示。此外，主控模块作为整个交互部分的中枢，它还接收通 道模块传递的各个通道的控制信息，并将其传递给音频处理模块。对于系统中 各通道的参数设置，主控部分设有专门的存储区域，用于设备参数的掉电保持 和场景记忆。其主要结构如图2 2 。 4 日一匀 第2 章数字调音台的系统设计 2 2 3 通道模块 图2 2 主控模块的结构 数字调音台的通道模块是用来对各路的音频信号进行参数设置的设备，由 于在实际中调音台系统拥有若干路的音频通道，于是在参数设霞的时候就会涉 及到大量的数据，并且还要求整个系统要对参数设置有实时的、可靠的响应， 于是我们把数字调音台系统的通道模块划分成为若干个通道子模块，所有的子 模块都并联在一起组成整个通道模块，而每一个通道子模块对应有4 通道输入， 同时引入一个微控制器，完成对这个子模块的控制和数据处理。 每个通道子模块的整体结构可分为四个部分：参数设置部分、数据传输部 分、显示部分及核心控制部分，如图2 3 。 r 一茄一= 二两一j ，节”弗野赫g 酽 ： r “”+ 显示 。翮缀缀缨o ； 曩： i i： “捌麓捌d k 赫榭g 麟自自黝： i 。磁嬲瓣缓舞翳缀搿彩缀缓缀嬲缈： i 。爹雾黪阮驴，燃孵i l 一一强 膨7 尊甥零中，“鸳蕈l ： 导型。；鬻二_ 瑟瑟一嚣 i 剃o甜smw一，n日舔 ! 貔毓锄锄鳜绷瀚渤滋 ： i ； ；i 5 成都理j 大学硕士学位论文 在通道模块的系统中，参数设置部分，通过功能自定义的按键和旋钮，来 设置通道的e q ( 音频均衡器) 、p a n ( 音频摇摆) 及l v l 值，通过推子的推动， 来改变左右声道信号的增益和衰减；数据传输部分，把设置好的e q 、p a n ，l v l 参数以及推子的信息通过c a n 总线传送到主控模块，同时也能接收并响应主控 所发出的命令；显示部分用于实时的显示各个通道的参数信息，便于人机交流； 控制部分由一个微控制器来组成，用于控制整个通道模块的工作，它把参数设 置部分的数据经过数据传输部分发送出去，并且完成显示部分的界面设计。 2 2 4 音频处理模块 音频处理模块提供多路音频输入、输出接口，直接对各路音频输入信号进 行各种实时处理，包括增益调节、均衡补偿、声像调节以及混合等，最后输出。 音频处理模块通常为功能强大的处理器平台，如：p c 机、高性能d s p 系统及媒 体矩阵等。音频处理模块的性能对系统音频处理的效果起关键性的影响。 2 3 通道模块设计的关键技术 整个通道模块 若干个通道子模块构成，那么在设计通信时，需要每个子 模块都可以独立的与主控模块进行通信，同时予模块之间也可以点对点的通信， 于是通信方式的选择就成为通道模块设计中的关键技术。本文设计采用了c a n 总线协议的通信方式，不仅因为其廉价的硬件设备和相对简单的软件设计需求， 还因为其较高的通信可靠性和效率。 6 第3 章现场总线技术及应用 第3 章现场总线技术及其应用 3 1 现场总线技术简介 “现场总线 自2 0 世纪9 0 年代初出现以来，引起了国内外业界人士的广 泛注意和高度重视，并已成为世界范围内自动化技术发展的热点之一，它给自 动控制领域的变革带来深远的影响。现场总线是指现场设备与自动控制装置之 间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线。由于现场总线遵循国际统一 的协议标准，因而具有开放、互联、兼容和互操作的特性，使得集散控制系统 的功能更加强大，可以简化系统，可实现远方诊断、调试和维护现场设备，从 而提高系统的安全可靠性，同时还可减少设计、安装的工作量，因而一直受到 各企业的关注。 现场总线技术根据其技术特点、协议规范和通信接口的不同，可以分为面 向控制层的实时性现场总线网络c o n t r o l n e t ，面向设备的现场总线网络 d e v i c e n e t ，丌放式现场总线p r o f i b u s ，基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，f f ) ， 局部操作网络l o n w o r k s 总线技术，以及控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e r 户虹e a n e t w o r k ) 总线技术。 3 2 现场总线的核心和基础 3 2 1 现场总线的核心一一总线协议 总线协议技术是“信息时代”的基础高新技术，与c p u w i n d o w s 技术、 路由器一一浏览器等基础高新技术也不同。总线协议技术是系统的，应用于不 同的领域之中。例如：活力发电、核电、冶会、油田、石化、汽车制造、机械 制造、楼宇，以及农f f l 企业化、节水灌溉、水电、风力发电、酿造、轻工等。 每一类总线都有最适用的领域。对于各类总线而言，其实质，亦即其核心 是各类“总线协议”，而这些协议的本质就是标准。各种总线，不论其应用于什 么领域，每个总线协议都有一套软件、硬件的支撑。它们能够形成系统，形成 产品。所以，一种总线，只要其总线协议一经确立，相关的关键技术与有关的 设备也就被确定。其中包括：人机界面、体系结构、现场智能装置、装置速度、 节点容量、各系统相关的网关、网桥以及网络供电方式的要求等等。 由于现场总线是众多仪表之间的接口，同时希望现场总线满足可互操作性 的要求，因此，对于一个开放的总线而言，总线协议，亦即标准化，显得尤为 7 成都理t 大学硕士学位论文 重要。由于标准化对现场总线的意义重大，因此可以这样说，每一种现场总线 都是有标准的，它是现场总线的核心。 对于各种总线，其总线协议的基本原理都是一样的，都以解决双向串行数 字化通信传输为基本依据。 3 2 2 现场总线的基础一一智能现场装置 现场装置包括多类工业产品，它们是流量、压力、温度、振动、转速等以 及其他各种过程量的转换器或变送器，包括转角发送器和o n 一0 f f 开关，还 包括控制阀、执行器和电子马达等，另外也包括现场的简单p l c 和远方单回路 调节器。 除了满足对所有现场装置的共性要求外，现场总线控制系统中的现场装置 还必须符合下列要求： ( 1 ) 无论是哪个公司生产的现场装置，它必须与它所处的现场总线控制系 统具有统一的总线协议，或者是必须遵守相关的通信规约。之所以有此要求， 这是因为现场总线技术的关键就是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通 信现场总线信号制。只有遵循统一的总线协议或通信规约，爿能做到丁r 放，完 全互操作。 ( 2 ) 用于现场总线控制系统的现场装置必须是多功能智能化的。这是因为 现场总线的一大特点就是要增加现场一级的控制功能，大大简化系统集成，方 便设计，利于维护。 多功能智能化现场装置产品中，目前已开发有下列一些功能： ( 1 ) 与自动控制装置之间的双向数字通信功能。 ( 2 ) 多变量输出。例如，一个变送器可以同时测量温度、压力与流量，可 输出三个独立的信号，或称为“三合一”变送器。 ( 3 ) 多功能。智能化现场装置可以完成诸如信号线性化、工程单位转化、 阀门特性补偿、流量补偿以及过程装置监视与诊断等功能。 ( 4 ) 信息差错检测功能。这些信息差错会使测量值不准确或阻止执行机构 响应。在每次传送的数据帧中增加“状态”数据值就能达到检测差错的目的。 “状态”数据值可以指示数据是否正确或错误，也能检测到接线回路中短路或 开路的情况，还能帮助技术人员缩短查找故障的时间。 ( 5 ) 提供诊断信息。它可以提供预防维修( p m ：以时间间隔为基础) 的信 息，也可以提供预测维修( p d m ：以设备状态为基础) 的信息。通过对维修方 式综合平衡的运用，改变和优化企业以往的设备故障处理机制，即由对现场装 置的故障检修改变为合理的状态维修。 ( 6 ) 控制器功能。可以将p i d 控制模块植入变送器或执行器中，使智能现 8 第3 章现场总线技术及应用 场的装置具有控制器的功能，这样就会使系统的硬件组态更为灵活。由于控制 可以在主机( 控制器) 或智能现场装置中执行，一种较好的选择是将一些简单 的控制功能放在智能现场装置之中，以减轻主机( 控制器) 的工作负担而主机 ( 控制器) 既可主要考虑多个回路的协调操作和优化控制功能，使整个控制系 统更为简化和完善。 3 3c a n 总线技术及其规范 a 悄( 控制器局域网) 作为当今全球范围内几种很有影响的现场总线之一， q 埘自诞生以来，以其独特的设计构思、优良的性能和极高的可靠性越来越受 到工业界的青睐，已经从最初的汽车领域不断向机械工业、纺织机械、农用机 械、机器人、数控机床、医疗机械及传感器等诸多领域发展。 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 定义的c a n ( c o n t r o l l e r e an e t w o r k ) 总线是全数字 式现场控制设备互联总线，能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。 与其它总线相比，a 州总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 其主要特点如下： ( 1 ) c a n 以多主机方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网 络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信 息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。 ( 2 ) c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 高优先级的数据最快可在1 3 4 us 内得到传输。 ( 3 ) 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优 先级低的节点会退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据， 从而大大节省了总线冲突仲裁时间。 ( 4 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速度最 高可达1 m b p s ( 此时最长通信距离为4 0 m ) 。 ( 5 ) 采用帧结构，传输时问短，受干扰概率低；每帧信息都有c r c 校验及 其他检错措施，数据出错率极低。 ( 6 ) 通信的硬件接口简单，通信线少，通信介质可为双绞线、同轴电缆或 光缆，也可以通过滑环进行信息传输。 ( 7 ) 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他 节点的操作不受影响。 3 3 1q 蝌总线的分层结构 a 小遵从i s o o s i 标准模型，按照标准模型，a 埘结构划分为两层：数 9 成都理：l 大学硕士学位论文 据链路层( 包括逻辑链路控制子层u 和媒体访问控制子层m a c ) 和物理层。 在c a n 技术规范2 o a 版本中，数据链路层的l l c 和m a c 子层服务及功能被 描述为“对象层 和“传输层”。a 的分层结构如图3 1 。 数据链路层 逻辑链路控制子层( u ，c ) 验收滤波 超载通知 恢复管理 介质访问控制子层( m a c ) 数据封装脏斥装 帧编码( 填充梢除填充) 介质访问管理 错误检测 错误标定 应答 串行化，解串行化 物理层 物理信令( p l s ) 位编码懈码 位定时 同步 驱动器 剖女器特征 图3 1c a n 的分层结构 l l c 子层的功能：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子层 接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。 m a c 子层的功能：主要是传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、 出错标定和故障界定。m a c 子层也要确定当开始一次新的传送时，总线是否开 放或者是否马上开始接收。 3 3 2q 蝌的报文传送和帧结构 在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器，该单元在总线 空闲或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处 1 0 第3 章现场总线技术及应用 在空闲状态，则单元为接收器。 对于报文发送器和接收器，报文实际有效时刻是不同的。对于发送器而言， 如果直到帧结束术尾一直未出错，则对于发送器报文有效。如果报文受损，则 允许按照优先权顺序自动重发送。为了能同其他报文进行总线访问竞争，总线 一旦空闲，重发送将立即开始。对于接收器而言，如果直到帧结束的最后一位 一直未出错，则对于接收器报文有效。 报文传送由以下4 个不同的帧类型所表示和控制。 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器； 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧； 错误帧：任何单元检测到总线错误时就发出错误帧； 超载帧：超载帧用来在先行的和后续的数据帧之间提供一附加的延时。 ( 1 ) 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场、帧结束。其中数据场的长度可以为0 。数据帧的组成如图3 2 。 帧间空间 数据帧。帧间空幅 lll| l 帧结束或超载啊 l j 仲裁场 控制场 数据场c r c 场 帧起始 应答场 图3 2 数据帧的组成 c a n 2 0 b 中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度。具有 1 1 位标识符的帧称为标准帧，而包括2 9 位标识符的帧称为扩展帧。标准格式 和扩展格式的机构如图3 3 。 标准格式数据帧 扩晨格式数据帧 兀弭口 r 】z 用， r一 m s slr缤僳 0 l l 浚檬说辫受 d1 8 位标i l 符 t 啪 d i e -田 f r嚣免 笈位 圈3 3 标准和扩展格式的数据帧 1 l 成都理t 大学硕士学位论文 ( 2 ) 远程帧 通过发送远程帧，作为某数据接收器的站通过其资源节点对不同的数据传 送进行初始化设置。远程帧由6 个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制 场、c r c 场、应答场、帧结束。 与数据帧相反，远程帧的r t r 位是“隐性”的。远程帧没有数据场，数据 长度码的数值不受制约( 可以标注为容许范围值o 8 里的任何数值) ，此数值 是相对于数据帧的数据长度码。远程帧的组成如图3 4 。 远程帧 。 帧间空间 桢间空话 l 或超载啊 l 嗽结束 l 仲裁场控制场数据场c r c 场 t 帧起始 图3 - 4 远程帧的组成 a c k 场 ( 3 ) 错误帧 错误帧有两个不同的场组成。第一个场是错误标志，用做为不同站提供错 误标志( e r r o rf l a g ) 的叠加；第二个场是错误界定符。错误帧的组成如图3 - 5 。 图3 5 错误帧的组成 为了能正确地终止错误帧，一“错误被动”的节点要求总线至少有长度为 3 个位时间的总线空闲。 ( 4 ) 超载帧 超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符，如图3 6 。 1 2 第3 章现场总线技术及应用 图3 6 超载帧的组成 有两种超载条件都会导致过载标志的传送：一个是接收器的内部条件( 此 接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一延时) ；另一个是在间歇场检测到一 “显性 位。由超载条件1 引发的超载只允许起始于所期望的间歇场的第一个 位时间开始；而由超载条件2 引发的超载帧应起始于所检测到“显性”位之后 的位。通常为了延时下一个数据帧或远程帧，两种超载都会产生。 1 3 成都理上大学硕士学位论文 4 1 硬件设计 4 1 1 设计思路 第4 章通道模块的硬件设计 根据数字调音台系统的实际需要，基于m s p 4 3 0 的数字调音台通道模块的硬 件系统的设计原则如下： ( 1 ) 由于数字调音台在电视台、电台的实际使用中，需要连续不问断的运 行，硬件电路的功耗及发热量的问题就成为必须考虑的问题，所以应当采用低功 耗的硬件电路设计及微控制器芯片； ( 2 ) 专业的调音台往往要处理许多路通道的音频信号，在硬件设计的时候 一定要考虑系统的扩展性，因此所设计的硬件平台能为今后的模块扩展提供支 持； ( 3 ) 调音台在运行的过程中需要处理各种不同的音频信号，使得系统对数 据的精度要求很高，因此对于所设计的系统来说，要求具有较高的数据采样精度； ( 4 ) 在音频信号的处理过程中，对系统的可靠性要求较高，所以在系统硬 件电路的设计中需要考虑外围电路的可靠性。 4 1 2 设计方案 根据以上的设计思路，系统硬件平台的设计方案如下： ( 1 ) 每个模块至少应该具备4 路以上的模拟信号输入接口，模拟后号输入 接口可输入4 2 0 m a 的标准电流信号，并且可以按照1 2 位进行a d 转换处理； ( 2 ) 每个通道都可以通过按键和旋钮来设置其各种参数，同时由于每个通 道还对应不同的状念，所以还需要配置拥有不同颜色l e d 灯显示的按键，来指示 通道所处的不同状态； ( 3 ) 要完成人机交互，还需要有显示设备，显示的内容包括每个通道在不 同状态下的各种参数，同时在参数设置的时候提供数据的实时更新显示； ( 4 ) 每个通道状态及参数设置都要汇总到其对应微控制器芯片处，微控制 器要把所有的这些信息传送给主控，爿能实现对各通道参数的设置，通道模块的 每个子模块通过c a n 总线收发器和c a n 总线控制器挂在总线上与主控通信。对于 微控制器芯片而言，需要有与c a n 总线控制器( m c p 2 5 1 5 ) 通信的s p 工接口； ( 5 ) 微控制器芯片可通过标准的j t a g 接口实现程序代码的下载和在线仿 1 4 第4 章通道模块的硬件设计 真、调试； ( 6 ) 微控制器芯片内置w d t ，以增加系统电路的稳定性； ( 7 ) 系统在无中断请求时，微处理器可以工作在低频模式，以降低系统的 功耗； ( 8 ) 系统采用直流电源供电，同时可工作在一2 0 摄氏度7 0 摄氏度之间。 4 1 3 硬件电路的框架设计 根据以上的设计方案，数字调音台通道模块的硬件电路组成框图如图4 1 所示，主要由m s p 4 3 0 微控制器，j t a g 仿真接口电路、c a n 总线通信接口电路、 a d 数据采样接口电路、按键输入电路、旋钮输入电路及0 l e d 液晶显示接口电 路等组成。 一”、 o 王d 液晶显 示接口 j 。攀一= * 麓 j l 气g ； ；接口 ； s p l 一：2 曼= = 魄。，。= 点j ：二 按键 接口 。 4 2 微控制器的选型 图4 - l系统硬件结构框图 4 2 1m s p 4 3 0 系列处理器简介 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t 工) 1 9 9 6 年丌始推向市场的一种1 6 位 超低功耗的混合信号处理器( m i x e ds i g n a lp r o c e s s o r ) 。主要是由于其针对实 1 5 捧线信口，|o总通接j一