基于DSP的數(shù)據(jù)處理器的設(shè)計與實現(xiàn)

李雨田 劉婧一 宋洪武 孫 旭 崔 濤

(國網(wǎng)吉林省電力有限公司 a. 電力科學(xué)研究院；b.長春供電公司)

基于DSP的數(shù)據(jù)處理器的設(shè)計與實現(xiàn)

李雨田a劉婧一b宋洪武a孫 旭a崔 濤a

(國網(wǎng)吉林省電力有限公司 a. 電力科學(xué)研究院；b.長春供電公司)

利用DSP的內(nèi)部資源和外設(shè)接口，設(shè)計基于TMS320F2812、AD轉(zhuǎn)換芯片AD7656和網(wǎng)絡(luò)芯片W5100的數(shù)據(jù)處理器，給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、芯片之間接口電路設(shè)計和軟件實現(xiàn)方法。實現(xiàn)了對工業(yè)現(xiàn)場電壓信號和電流信號的實時同步采樣，同時對采集到的數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，并利用網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機進行顯示和分析。

數(shù)據(jù)處理 DSP TMS320F2812 AD7656 W5100 硬件結(jié)構(gòu) 電路設(shè)計 軟件實現(xiàn)

在工業(yè)測控系統(tǒng)中，對設(shè)備運行狀態(tài)信號進行精確快速采集、監(jiān)測和記錄，是進行工業(yè)自動控制，以及故障類型和位置分析的基礎(chǔ)[1]。

數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)具有強大的控制和信號處理能力，廣泛應(yīng)用于通信、工業(yè)測控等相關(guān)領(lǐng)域。AD7656是一種高速、低功耗、6通道同步采樣的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個輸入端都有一個跟蹤保持放大器，實現(xiàn)該通道的采樣與轉(zhuǎn)換功能，非常適用于多路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2，3]。W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100Mb以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)。W5100內(nèi)部集成了全硬件的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)[4]。使用W5100只需進行簡單的端口(Socket)編程。W5100提供了3種與MCU間的接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線，可以方便地實現(xiàn)與MCU間的數(shù)據(jù)傳輸。同時W5100與MCU接口非常簡單，就像訪問外部存儲器一樣。

筆者設(shè)計的數(shù)據(jù)處理器，主要應(yīng)用于風力發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測，實時采集現(xiàn)場的振動信號、電壓信號及電流信號等，并對它們進行相關(guān)的處理與分析，然后將數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺厥覂?nèi)的上位機，進行進一步的分析與顯示，確定機組的運行狀態(tài)。

1 硬件部分

1.1整體結(jié)構(gòu)

為了準確分析風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)，要求現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)要具有同步性，但是TMS320F2812內(nèi)部的ADC模塊只包含兩個采樣保持器，所以最多只能實現(xiàn)兩通道的同步采樣。為此采用AD7656作為外部AD，實現(xiàn)所有通道的同步采樣。由于TMS320F2812本身不具有網(wǎng)絡(luò)接口，雖然可以通過SPI和CAN模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，但是當數(shù)據(jù)量非常大時發(fā)送數(shù)據(jù)所用時間較長，不能滿足整個系統(tǒng)的工作要求，因此采用W5100外擴網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，減少發(fā)送數(shù)據(jù)所用時間。

筆者設(shè)計的數(shù)據(jù)處理器主要針對現(xiàn)場模擬量信號的采集。為了更好地適應(yīng)實際需求，分別設(shè)計0～5V電壓信號和4～20mA電流信號的外部接口?，F(xiàn)場信號經(jīng)過調(diào)理電路處理后進入AD7656進行AD轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的值送入TMS320F2812。在DSP內(nèi)對采樣數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理后，通過W5100擴展網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機上進行顯示和分析，從而構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

1.2AD7656與TMS320F2812的接口設(shè)計

AD7656提供高速并行接口和高速串行接口，其中并行接口還分為字工作模式和字節(jié)工作模式。本設(shè)計中采用高速并行接口與TMS320F2812連接。AD7656與TMS320F2812的連接如圖2所示。

圖2 AD7656與TMS320F2812連接

為了實現(xiàn)6路AD通道同步采樣，將CONVST的A、B、C3個引腳連在一起，與DSP的GPIOB2引腳相連，將該引腳設(shè)置為通用I/O口，然后用該引腳輸出端電平的變化實現(xiàn)對AD轉(zhuǎn)換的控制；BUSY引腳與XINT2引腳相連，利用轉(zhuǎn)換完成后BUSY信號的變化進入XINT2實現(xiàn)中斷，并在中斷內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)；片選信號端與GPIOB0相連，一直保持為低電平，確保數(shù)據(jù)正常讀?。粡?fù)位端與GPIOB1相連，在每次上電后，通過對GPIOB1腳輸出電平的控制，對AD7656進行復(fù)位操作。

1.3W5100與TMS320F2812的接口設(shè)計

本設(shè)計中采用直接并行總線的連接方式，即將W5100和TMS320F2812相互對應(yīng)的數(shù)據(jù)和地址總線直接連接在一起。在該方式下電路設(shè)計較為簡單，類似于DSP的外擴RAM，只是增加了幾條控制線，對W5100的操作與讀寫RAM是一樣的，操作簡便。W5100與DSP的連接如圖3所示。

圖3 W5100與TMS320F2812連接

1.4系統(tǒng)調(diào)理電路

由于現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號會包含較多的噪聲，為此需對采集到的數(shù)據(jù)先進行相關(guān)的處理，如濾波處理和幅值調(diào)制，電壓信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 電壓信號調(diào)理電路

雖然電流信號的抗干擾能力強，但是AD7656只能夠?qū)﹄妷盒盘栠M行采樣和轉(zhuǎn)換，因此需要通過調(diào)理電路對電流信號進行處理，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號，電流信號調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 電流信號調(diào)理電路

2 軟件部分

2.1軟件工作流程

系統(tǒng)程序的設(shè)計實現(xiàn)，主要是針對TMS320F2812進行軟件編程。系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 工作流程

首先對TMS320F2812進行系統(tǒng)初始化，其中包括系統(tǒng)主頻和相關(guān)時鐘的確定、GPIO口的初始化、中斷向量表的分配和中斷的初始化。然后通過T1定時器周期中斷來控制AD7656的啟動轉(zhuǎn)換信號，從而根據(jù)周期中斷的時間確定采樣頻率；在轉(zhuǎn)換信號啟動后，等待轉(zhuǎn)換完成后BUSY信號電平的變化，從而進入XINT2中斷，在中斷內(nèi)讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，完成一次采樣。然后重復(fù)以上操作，直到完成所有數(shù)據(jù)的采樣，并進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。然后準備數(shù)據(jù)的發(fā)送，首先對W5100進行初始化，配置相應(yīng)的IP地址、子網(wǎng)掩碼及網(wǎng)關(guān)地址等信息；然后對所用端口初始化，配置對應(yīng)的端口號和工作模式；偵聽上位機的連接請求，一旦建立連接進入XINT1中斷，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；當完成數(shù)據(jù)的傳輸后，再次進入中斷斷開連接，然后重復(fù)上述操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[5]。

2.2XINTF外部接口

外部接口XINTF主要用來對DSP進行相關(guān)功能的擴展，如SRAM、ADC模塊等。本設(shè)計中，外擴的RAM、AD7656和W5100都屬于其擴展模塊，因此都需映射到對應(yīng)的XINTF區(qū)域內(nèi)，其中AD7656對應(yīng)Zone0、W5100對應(yīng)Zone2、外擴RAM對應(yīng)Zone6。由于外擴的模塊通常與DSP本身的處理速度不同，因此需要配置相應(yīng)寄存器實現(xiàn)與慢速外部存儲器的接口：配置XINTCF2控制對應(yīng)的工作時鐘等；配置XTIMING0/2/6決定對應(yīng)的建立、激活及跟蹤周期等；配置XBANK為對應(yīng)的區(qū)域添加等待周期[6]。

2.3AD7656

2.3.1AD7656的啟動采樣程序

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可知，CONVST的A、B、C引腳在上升沿信號觸發(fā)時，啟動ADC轉(zhuǎn)換。由于這3個引腳都連接在GPIOB2上，因此可以通過控制GPIOB2口輸出電平的變化來啟動采樣。程序代碼如下：

GpioDataRegs.GPBCLEAR.bit.GPIOB2=1;

DELAY_US(2);

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIOB2=1;

2.3.2AD7656的數(shù)據(jù)讀取程序

所有通道轉(zhuǎn)換完成后，BUSY引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，程序進入XINT2中斷，在中斷內(nèi)讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)的采樣和讀取。為了準確讀取采樣數(shù)據(jù)，首先要在CMD文件中分配外部存儲地址，然后在主函數(shù)文件內(nèi)聲明對應(yīng)的數(shù)據(jù)空間，最后進入中斷函數(shù)內(nèi)讀取數(shù)據(jù)。程序代碼如下：

#define ZONE0*(int*)0x002000

for(i=0;i<6;i++)

AD[i]=*ZONE0;

2.4W5100

W5100采用TCP通信方式，是一種以連接為基礎(chǔ)的通信。TCP有服務(wù)器模式和客戶端模式兩

種連接方式，本設(shè)計采用服務(wù)器模式，等待接收上位機的連接請求，然后建立連接傳輸數(shù)據(jù)。對于W5100，在編程中，只需對使用的端口進行簡單設(shè)置與編程即可。由于采用直接并行總線方式與DSP進行連接，因此對于W5100相關(guān)寄存器的操作，可以直接通過總線進行讀寫。如對W5100進行軟件復(fù)位，程序代碼如下：

unsigned char*ptr;

ptr=(unsigned char*)W5100_MODE;

*ptr=MODE_RST;

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，學(xué)習(xí)相關(guān)寄存器的功能與用法，然后通過以上方式配置對應(yīng)寄存器，完成W5100初始化、端口初始化、偵聽和數(shù)據(jù)發(fā)送與接收子程序的編程，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

2.5數(shù)據(jù)的顯示和分析

將數(shù)據(jù)處理器通過光纖網(wǎng)絡(luò)與上位機相連，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡浞治鼋缑妫怨┻M一步的分析與處理。該分析和顯示界面(圖7)是基于LabVIEW軟件開發(fā)實現(xiàn)的，不僅可以記錄數(shù)據(jù)的具體數(shù)值和時域波形，還可以進行相關(guān)的頻域分析。

圖7 數(shù)據(jù)顯示和分析界面

3 結(jié)束語

基于TMS320F2812、AD7656和W5100芯片，設(shè)計了一套數(shù)據(jù)處理器，實現(xiàn)了對風力發(fā)電現(xiàn)場電壓信號和電流信號的同步采樣，以及通過網(wǎng)絡(luò)接口利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸。在保證數(shù)據(jù)采樣同步性的同時，大幅提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，實踐證明，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。

[1] 郭濤,張英祥,陳峰.基于TMS320F2812的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].機械工程與自動化,2010,(1):144～146.

[2] 陳立萬,黃青龍,劉萬里.基于FPGA的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,34(3):359～362.

[3] 蔣建軍,徐群.TMS320F2812與模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7656的接口設(shè)計[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究),2007,20(6):23～24.

[4] 鄒依依,郭燦新,黃成軍,等.W5100在DSP遠程以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機,2008,21(8):20～21.

[5] 關(guān)宗安,仲叢久,張芝賢,等.基于TMS320F2812 DSP的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2009,35(3):94～96.

[6] 寧改娣,楊拴科.DSP控制器原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

DesignandImplementationofDataProcessorBasedonDSP

LI Yu-tiana, LIU Jing-yib, SONG Hong-wua, SUN Xua, CUI Taoa

(a.ElectricPowerResearchInstitute; b.ChangchunPowerSupplyCompany,StateGridJilinPowerCompanyLimited)

Through making use of internal resources and peripheral interface of the digital signal processor (DSP) and basing on TMS320F2812 and AD7656 conversion chips and W5100 data network chip, a data processor was designed and the implementation methods of its hardware structure, interface circuit among chips and the software design were presented to realize the synchronous sampling of industrial field voltage and current signals and the real-time processing of the data collected, including having the data sent to the PC for display and analysis.

data processing, DSP, TMS320F2812, AD7656, W5100, hardware structure, circuit design, software implementation

李雨田(1989-)，工程師，從事電能計量裝置的現(xiàn)場校驗工作，liyutian829@163.com。

TH865

A

1000-3932(2017)11-1065-05

2017-05-03，

2017-09-05)

《化工自動化及儀表》征稿簡則

1.專業(yè)范圍

報道化工、石油化工、冶金、電力、醫(yī)藥、造紙、紡織等行業(yè)過程控制理論與應(yīng)用、計算機技術(shù)及其應(yīng)用、檢測技術(shù)研究與應(yīng)用、控制裝置設(shè)計及應(yīng)用、儀器儀表技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用、企業(yè)技術(shù)改造經(jīng)驗等。

2.報道內(nèi)容

◆綜述與評論。博采眾覽，兼收并蓄，及時、準確、全面地反映國內(nèi)外過程控制技術(shù)、檢測技術(shù)、計算機技術(shù)及儀器儀表技術(shù)的發(fā)展動態(tài)、趨勢和水平。著文要求準確性和權(quán)威性，信息量大，能夠較全面地闡明命題的過去、現(xiàn)狀及發(fā)展。

◆過程控制。報道現(xiàn)代控制理論的研究與應(yīng)用，新型控制策略及控制技術(shù)的應(yīng)用實例；先進控制系統(tǒng)及控制裝置的現(xiàn)場應(yīng)用；國家重大科技攻關(guān)項目及成果。

◆檢測與儀表。報道國內(nèi)外先進的檢測技術(shù)、自動化儀器儀表技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。

◆研究與應(yīng)用。報道控制技術(shù)、檢測技術(shù)、計算機技術(shù)、儀器儀表技術(shù)等的研發(fā)及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

◆技改與創(chuàng)新。報道技術(shù)改造和技術(shù)成果，系統(tǒng)及儀表的日常檢測與維修經(jīng)驗等，著文要求突出實用性。

3.投稿要求

◆文稿應(yīng)簡明扼要，突出重點，公式、數(shù)據(jù)準確。

◆要求E-mail投搞，一律為Word文檔(A4幅面，單倍行距，通欄，五號字體)，不受理復(fù)印稿或傳真稿。

◆每篇文章請附150～200字中、英文摘要，4～6個中、英文關(guān)鍵詞，作者所在單位的中、英文名稱。

◆若條件允許，每篇文章請附中圖分類號(分類方法請參考《中國圖書館分類法》第四版)。

◆圖、表要有圖題、表題，圖中文字、符號、數(shù)字、圖注需清楚，圖、表中標注盡量用中文。

◆公式另行居中書寫，大/小寫、上/下標標注清楚。

◆為使您的稿件能夠被及時處理，投稿時請務(wù)必提供每位作者的詳細信息，包括郵編、聯(lián)系地址、工作單位、電話等。

4.稿件受理

◆來稿收到后即以電子郵件方式給以回復(fù)，并分配稿件登記號，以便于查詢。

◆投稿后若有變動(如撤稿，作者通訊地址、聯(lián)系方式改變等)，請務(wù)必通知編輯部。

◆審稿周期為15個工作日。

◆刊物出版后，向作者贈送兩本當期刊物。